Электрофизические свойства проводников

Свойства проводников объясняются с учетом электронной и квантовой теории, согласно которым движущиеся электроны в металлах обладают свойствами, как частицы (масса, скорость, энергия), так и волны (частота, длина). Основными параметрами, которые определяют свойства проводников, являются:

I. Удельное электрическое сопротивление. Теоретически определяется по формуле

ρ = , где m – масса электрона, U- скорость движения электрона, e – заряд электрона,

n- концентрация электронов, Lс – длина среднего свободного пробега электрона.

Масса и заряд величины постоянные, концентрация и скорость движения также отличаются незначительно. Следовательно, величина удельного сопротивления ρ в основном зависит от длины среднего свободного пробега Lср.

rÞ

Практически величина удельного сопротивления определяется так:

r=R , где R – это общее сопротивление проводника, S – площадь поперечного сечения проводника, L – длина проводника.

На величину удельного сопротивления оказывают влияние следующие факторы:

1) Температура. При повышении температуры происходит усиление колебательного движения атомов кристаллической решетки и хаотического движения электронов, что приводит к уменьшению длины среднего свободного пробега электрона из-за более частых столкновений. Следовательно величина удельного сопротивления увеличивается. Т.е. t^o ­Þ Lс¯ Þ r­

2) Наличие примесей. Примеси уплотняют структуру проводника, следовательно Lс¯ Þ r­. Для снижения удельного сопротивления примеси тщательно очищают от серы, фосфора, кислорода и других природных примесей.

3) Деформация. Упругая деформация не изменяет удельного сопротивления материалов. Остаточная деформация (протяжка, прокатка) повышает удельное сопротивление за счет деформации кристаллической решетки в результате обработки металлов. Для исправления такой деформации применяют процессы рекристаллизации, в основном, в виде отжига металлов (нагревают до температуры примерно равной половине температуры плавления).

4) Давление. При повышении атмосферного давления уменьшается амплитуда колебания атомов в решетке. Вероятность столкновения снижается Lс­ Þ r¯

5) Магнитное поле. Искривляет траекторию направленного движения электронов, за счет чего Lс¯ Þ r­.

II. Температурный коэффициент удельного сопротивления (ТКr). Для высокоомных материалов он должен быть как можно меньше по значению.

III. Теплопроводность. В проводниках электроны не только переносят электрический заряд, но и выравнивают температуру. За счет высокой концентрации электронов все металлы имеют хорошую теплопроводность. Удельное сопротивление и теплопроводность связаны формулой:

r= , где Lо – постоянная Лоренца, T – температура, l m – удельная теплопроводность.

Из Формулы видно, что, чем выше удельное сопротивление, тем меньше теплопроводность. Т.е. металлы с хорошей электропроводностью имеют и хорошую теплопроводность.

IV. Тепловое расширение. Какой будет длина вывода или проводника L(t^о) при повышении температуры на D t^о можно определить по формуле:

L(t^о) =Lo* (1+ ТК_L* D t^о)

V. Плотность (r_пл). По плотности все металлы делят на два вида:

1.Легкие металлы, у которых r_пл < 5000 кг/м³ ( алюминий, титан, магний и т.д.)

2.Тяжелые металлы, у которых плотность r_пл ³ 5000 кг/м³ (медь, серебро, железо, золото и т.д.)