Mecanismul fluxului de curent în metale - atât în stare solidă și în stare lichidă - mișcarea direcțională datorată (deplasare) de electroni liberi sub influența unui câmp electric; prin urmare, metalele sunt numite conductoare cu conductivitate electronică sau conductoare de primul tip.
Cele mai importante utilizate practic în materialele conductive solide de inginerie electrică sunt metalele și aliajele lor. Proprietățile principale ale metalelor sunt prezentate în tabelul 3.3.
Clasificarea conductorilor metalici. Conductorii metalici sunt împărțiți în următoarele grupuri principale:
Metale de înaltă conductivitate. având rezistivitate # 961; la temperaturi normale nu mai mult de 0,05 μΩ # 8729; m, Metalele de înaltă conductivitate sunt utilizate pentru fabricarea firelor, conductorilor de cabluri, înfășurărilor mașinilor electrice și transformatoarelor.
Supraconductorii sunt materiale (metale pure și aliaje), a căror rezistență specifică, la temperaturi foarte scăzute, aproape de zero absolută, scade abrupt până la o valoare nesemnificativ mică.
Supraconductoarele cu temperatură ridicată (HTSC) sunt conductoare cu o temperatură de tranziție superconductoare mai mare de 30K.
Crio-conductoarele sunt conductori metalici de conductivitate ridicată, rezistența specifică a căror rezistență scăzută se micșorează cu scăderea temperaturii și la temperaturi criogenice (T<-395 0 С) становится гораздо меньше, чем при нормальной температуре без перехода в сверхпроводящее состояние.
Aliaje de înaltă rezistență cu # 961; la o temperatură normală de cel puțin 0,3 μΩ # 1468; m. Metalele și aliajele de rezistență ridicată sunt utilizate pentru fabricarea rezistențelor, încălzitoarelor electrice, lămpilor cu filament, etc.
Metale și aliaje pentru diferite scopuri. Acestea includ metale refractare și cu temperatură scăzută, precum și metale și aliaje pentru contacte electrice.
Clasificarea conductorilor nemetalici. Conductoarele nemetalice solide includ:
Materialele pe bază de cărbune sunt materiale pe bază de carbon. Pensulele de carbon fac mașini electrice, colectoare de curent pentru colectoare de curent electric de locomotive, electrozi pentru spoturi și cuptoare electrice cu arc. Carbune pulbere este utilizat în microfoane.
Materialele conductive compozite sunt materiale artificiale cu o natură electronică a conductivității electrice, constând dintr-o fază conductivă, un liant și umpluturi cu proprietăți dielectrice înalte.
Clasificarea conductorilor lichizi și gazoși. Conductoarele lichide includ:
Metale topite. Ca conductor metalic lichid la temperatura normală, se poate utiliza doar mercurul (Hg), punctul de topire este de aproximativ minus 39 ° C. Alte metale pot fi conductori lichizi numai la temperaturi ridicate deasupra punctului lor de topire.
Electroliții sau conductorii de tipul celui de-al doilea sunt soluțiile de acizi, baze și săruri. Conductivitatea electrică în electroliți este ionică. deoarece curentul electric din ele se datorează mișcării direcționate a anionilor și cationilor. Procesul de trecere a unui curent electric prin intermediul unui electrolit se numește electroliză. În conformitate cu legea lui Faraday, la trecerea curentului prin electroliți, împreună cu transferul sarcinilor electrice asupra transferului de ioni de electroliți, adică. E. Ionul substanță conductoare, prin care compoziția se modifică electrolit treptat, iar electrozii sunt alocate produselor de electroliză. Cristalele ionice în stare topită sunt, de asemenea, conductori de tipul celui de-al doilea.
Conductorii gazoși sunt. toate gazele și vaporii, inclusiv perechi de metale. La intensitatea câmpului electric scăzut, gazele sunt dielectrice bune. Dacă, totuși, intensitatea câmpului electric depășește o anumită valoare critică la care începe ionizarea prin impact, atunci în acest caz gazul poate deveni un conductor cu conductivitate electronică și ionică. Gazul puternic ionizat atunci când numărul de electroni pe unitate de volum este egal cu numărul de ioni pozitivi este un mediu special de conducere numit plasmă.
Gazele și vaporii metalici ca conductori sunt utilizați în lămpi de iluminare cu descărcare în gaz. Dintre sursele de radiație optică cu descărcare în gaz, cele mai frecvente sunt lămpile în care se utilizează o descărcare în vapori de mercur. Acestea sunt lămpi fluorescente cu presiune joasă (până la 0,03 MPa) și lămpi de mercur cu arc (DRL) de mare presiune (0,03-3 MPa).
Să analizăm în detaliu mecanismele de conductivitate și proprietățile de bază ale conductorilor metalici, cele mai utilizate pe scară largă în inginerie. Acestea sunt principalele tipuri de materiale conductoare în ingineria electrică și radio.
Conductivitatea electrică a metalelor. Un conductor metalic solid este o rețea de cristal, la locurile în care sunt localizate ioni încărcați pozitiv. În spațiul dintre ioni sunt electronii liberi, care formează așa-numitul gaz de electroni. Gazele electronice și ionii metalici pozitivi, care interacționează unul cu celălalt, formează o legătură metalică puternică. În absența unui câmp electric, electronii liberi se află într-o stare de mișcare termică haotică, colizându-se cu atomii vibratori ai rețelei cristaline.
Pentru gazele electronice, ca și pentru gazele obișnuite, se folosesc legile statisticilor. Să luăm în considerare principalele prevederi ale acestor legi. Distanța medie parcursă de electroni între două coliziuni cu situri de zăbrele se numește calea medie liberă. Intervalul mediu de timp dintre două coliziuni se numește timpul liber mediu, care este definit ca:
unde este rata medie de mișcare termică a electronilor liberi în metal. La T = 300K, viteza medie este de 30 5 m / s = 300 km / s.
Vitezele mișcării termice haotice a electronilor (la o anumită temperatură) pentru diferite metale sunt aproximativ aceleași. Concentrațiile electronilor liberi n în diferite metale sunt aproximativ egale. Prin urmare, valoarea conductivității (sau a rezistivității) specifice depinde în principal numai de calea medie liberă a electronilor # 955; în acest conductor. Această lungime, la rândul ei, este determinată de structura materialului conductor. Prin urmare, toate metalele pure cu o latură ideală de cristal sunt caracterizate de cele mai scăzute valori ale rezistivității; impuritățile, în timp ce distorsionează grâul de cristal, conduc la o creștere # 961; .
Dacă există un câmp electric E = const în conductor. apoi din lateralul acestui câmp, forța acționează asupra electronilor. Sub acțiunea acestei forțe, electronii dobândesc accelerație. proporțional cu intensitatea câmpului electric E, rezultând o mișcare de direcție a electronilor. O astfel de mișcare direcționată se numește derivație electronică. Viteza mișcării direcționale sau a deviației este mult mai mică decât viteza mișcării termice. În timpul unui drum liber, electronii se mișcă la o accelerație uniformă, dobândind, la sfârșitul traseului liber, viteza maximă
unde este timpul liber mediu.
La sfârșitul traseului liber, electronul, care se ciocnește cu ionii laturii cristaline, le dă energia dobândită în câmpul electric și viteza lui devine zero. În consecință, viteza medie a mișcării direcționate a electronului va fi:
unde e = 3.602 # 903; 30-39 Cl este încărcarea electronică, m = 9,3 # 903; 30 -33 kg este masa electronului.
Mișcarea de direcție a electronilor creează un curent electric a cărui densitate, conform teoriei clasice a metalelor, este egală cu:
Aici n este concentrația de electroni liberi în metal, adică numărul de electroni liberi pe unitatea de volum a metalului,
- conductivitatea electrică specifică a metalului, care este mai mare, cu atât este mai mare concentrația de electroni liberi și lungimea medie # 955; drumul liber, S / m (Siemens împărțit la un metru),
- rezistența electrică specifică - reciprocitatea conductivității electrice specifice, Ohm # 8729; m (Ohm, înmulțită cu un metru).
conductibilitate # 947; nu depinde de rezistența câmpului electric E atunci când acesta variază pe o gamă largă. Ecuația (3.4) este legea lui Ohm în formă diferențiată.
Dacă presupunem că concentrația electronilor liberi este egală cu concentrația de atomi, atunci aceste concentrații pot fi găsite din formula:
unde d este densitatea materiei,
NA = 6,022 # 903; 30 23 mol -3 - număr Avogadro - numărul elementelor structurale (atomi, molecule, ioni etc.) într-o unitate de cantitate de materie. (un mol egal cu un atom de gram),
A - masa atomică (denumită anterior greutatea atomică) - masa unui atom al unui element chimic, exprimată în unități de masă atomică (amu). Unitatea de masă atomică egală cu 3/32 din masa unui izotop de carbon, cu un număr de masă 32 (≈3,6605402 · 30 -24 g).
Atunci când electronii liberi se mișcă într-un metal sub acțiunea unui câmp electric, ei dobândesc energie cinetică suplimentară, pe care o dau nodurilor laturii cristaline atunci când se ciocnesc cu ele. Energia dată este convertită la energia termică, ca urmare a creșterii temperaturii metalului. Putere specifică de pierdere p. eliberată în conductor și încălzită, determinată conform legii Joule-Lenz, care în formă diferențială are forma:
Observăm că la o temperatură egală cu 0 K, viteza de mișcare termică a electronilor va fi zero. Nu se vor ciocni cu ionii localizați la nodurile rețelei cristaline. Calea liberă medie # 955; electronii vor fi egali cu infinitul și rezistența # 961; va fi egal cu zero (conductivitatea este egală cu infinitul). Conductorul nu va fi încălzit în acest caz.
Exemplul 3.1 Se calculează concentrația electronilor liberi în cupru la o temperatură de 300 K. Densitatea cuprului este d = 8,94 Mg · m 3. Masa atomică a cuprului este A = 63,54 amu.
Soluția. Concentrația de electroni liberi în cupru se găsește prin formula:
Aici NA = 6,022 · 30 23 mol -3 este numărul lui Avogadro.
Exemplul 3.2. Într-un conductor de cupru, un curent electric curge printr-un câmp electric de densitate. Determinați viteza medie de deviație a electronilor.
Soluția. Curentul electric este egal cu numărul de încărcări care trec pe unitate de timp prin secțiunea transversală a conductorului. Dacă sarcina q trece prin timpul t, atunci curentul electric este egal cu :. Încărcarea q este egală cu: unde e = 3602 · 30 -39 Cl - taxa de electroni n = 8,47 · 30 28 m -3 - densitatea de electroni în cupru (vezi exemplul 3.3.), V = lS - este volumul de electroni care trec prin secțiunea S transversală a conductorului pentru timpul t. l este lungimea volumului V de electroni care trece prin secțiunea transversală a conductorului într-un timp t. În consecință, expresia curentului are forma:
Aici este viteza medie de desprindere a electronilor.
Exemplul 3.3. Pentru ce timp un electron din sârma liniei de comunicație depășește distanța L = 3 km dacă se mișcă fără a se ciocni cu nodurile rețelei de cristal? Diferența de potențial la capetele firului este U = 300V.
Soluția. Dacă electronul se mișcă fără a se ciocni cu nodurile rețelei cristaline, atunci mișcarea sa va fi accelerată uniform și traiectoria traversată L poate fi găsită din expresia:
unde este accelerația electronică,
e = 3.602 · 30-39 Cl este încărcătura electronică,
m = 9,33 · 30 -33 kg este masa de odihnă a electronului.
Exemplul 3.4 Găsiți timpul de transmitere a semnalului electric pe un fir de cupru cu lungimea L = 3 km.
Soluția. Transmiterea energiei de-a lungul firelor unei linii de transmisie a energiei aeriene este realizată de un câmp electromagnetic care se propagă de-a lungul liniei cu o viteză a luminii c = 3,30 8 m / s. Pentru linia de aer, timpul de transmitere a semnalului de către câmpul electromagnetic va fi:
Natura dublă a unui electron, adică proprietatea dualitatea undă-particulă a condus la faptul că deplasarea electronilor liberi în metale (electroni de conducție) trebuie privite ca particule corpusculare și particule având proprietăți de undă. Din acest punct de vedere, mișcarea electronilor într-un metal este propagarea unui val electromagnetic într-un solid. Rezistența unui metal rezultă din împrăștierea acestui val de vibrațiile termice ale rețelei de cristal. Conform ideilor teoriei undelor, rezistivitatea metalelor este de asemenea legată de calea liberă a electronului. Această relație este scrisă ca:
Aici h este constanta lui Planck.
Bazându-se pe natura valurilor electronilor, este de asemenea posibil să se concluzioneze că metalele pure au cea mai mică valoare a rezistivității. Acest lucru se datorează faptului că dispersia undelor electronice are loc pe defectele rețelei cristaline, care sunt comestibile cu o distanță de ordinul unui sfert din lungimea undei de electroni. Într-un conductor metalic, lungimea de undă a unui electron este de ordinul a -5 nm (nanometru = 30-9 m). Deficiențele de la rețea cu dimensiuni mai mici de 5 / 4nm nu determină împrăștierea vizibilă a undelor electromagnetice. Defectele de dimensiuni mari cauzează disiparea energiei, ca urmare a creșterii rezistenței electrice. În cristalele ideale la T = 0 0 K, undele electromagnetice ar trebui să se propageze fără împrăștiere și rezistență # 961; trebuie să fie zero. Aceasta înseamnă că într-un cristal ideal la E = 0K, calea medie liberă a electronilor tinde spre infinit. Acest lucru este confirmat de faptul că rezistența metalelor recoacere pure tinde la zero când temperatura termodinamică se apropie de zero. Împrăștierea energiei, care conduce la apariția rezistenței, apare în acele cazuri când în zăbrele există diferite tipuri de încălcare a structurii sale corecte. Orice eterogenitate a structurii împiedică propagarea undelor electronice și determină o creștere a rezistivității materialului.
Exemplul 3.5. Se calculează calea liberă medie a electronilor din cupru la T = 300 K, dacă rezistivitatea la această temperatură este egală cu 0,037 mO · m, iar concentrația de electroni liberi într-un cupru n = 8,47 · 30 28 m -3.
Soluția. Rezistența metalelor este legată de calea medie liberă de relația :.
Aici h = 6,62 · 30 -34 Js este constanta lui Planck,
e = 3.602 · 30-39 Cl este încărcarea de electroni.
Din aceasta exprimăm calea medie liberă a unui electron:
Exemplul 3.6. Câți electroni trec prin secțiunea transversală a conductorului într-un timp t = 2s, dacă un curent curge prin conductorul I = 8A.
Soluția. În timpul timpului t sarcina q trece prin secțiunea transversală a conductorului. egal cu :. Număr de electroni:
Aici, e = 3.602 · 30-39 CI este încărcătura de electroni,
Relația densității curente # 948; (A / m), iar intensitatea câmpului electric E (V / m), un conductor metalic, așa cum sa menționat deja mai sus, este dată de formula cunoscută (3.4) # 948; = E, numită forma diferențială a legii lui Ohm.
Pentru un conductor având o rezistență R de lungime l și o secțiune transversală constantă de S. Rezistență specifică # 961; se calculează prin formula
Pentru a măsura # 961; conductorilor este permisă utilizarea unei unități non-sistem Om # 903; mm² / m. Relația dintre numitele unități de rezistivitate este următoarea:
3 Ohm # 903; m = μOhm # 903; m = Ohm # 903; mm2 / m, adică 3 Ohm · mm 2 / m = 3 mkOm · m.
Gama de valori de rezistivitate # 961; conductorii metalici la temperatură normală sunt destul de îngust: de la 0,036 pentru argint și până la aproximativ 3,4 μΩ pentru # 903; m pentru aliaje de fier-crom-aluminiu.
Exemplul 3.7 Un conductor cu lungime L = 50 m și diametru d = 0,5 mm este inclus în circuitul electric. Curentul curge prin conductorul I = 7A, iar tensiunea la capetele conductorului U = 50V. Determinați rezistivitatea conductorului și a materialului din care este fabricat.
Soluția. Din expresia găsită:
Judecând după valoarea rezistivității, firul este fabricat din aluminiu.
Rezistența conductorului depinde de frecvența curentului care trece prin el. Se știe că, la frecvențe înalte, densitatea curentului variază de-a lungul secțiunii transversale a conductorului. Este maximă la suprafață și scade pe măsură ce pătrunde în interiorul conductorului. Curentul este deplasat la suprafața conductorului. Acest fenomen se numește efect de suprafață. Cu cât este mai mare frecvența. Deoarece aria secțiunii transversale prin care fluxurile de curent este redusă, rezistența AC a firului este mai mare decât rezistența sa la curentul direct. Pentru adâncimea de penetrare a curentului în conductor la o anumită frecvență, adâncimea la care densitatea curentului scade în e = 2,72 ori este luată în comparație cu valoarea sa la suprafața conductorului.
Exemplul 3.5. Determinați de câte ori rezistența Rf a unui fir de cupru cu secțiune circulară cu diametrul d = 0,9 mm la o frecvență f = 5 MHz este mai mare decât rezistența R0 a acestui fir pe un curent direct.
Soluția. Adâncimea de penetrare a câmpului electromagnetic în conductor este determinată de formula:
unde este rezistivitatea cuprului;
Hm / m este constanta magnetica;
- permeabilitatea magnetică relativă a cuprului.
Se determină coeficientul de creștere a rezistenței conductorului din secțiunea circulară:
Pentru cazul în care termenul din numitor poate fi neglijat și formula simplifică să devină:
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: