Виды и классификация диэлектрических материалов
Изоляторы подразделяются на группы по нескольким критериям.
Классификация по агрегатному состоянию вещества:
- твёрдые — стекло, керамика, асбест;
- жидкие — растительные и синтетические масла, парафин, сжиженный газ, синтетические диэлектрики (кремний- и фторорганические соединения хладон, фреон);
- газообразные — воздух, азот, водород.
Диэлектрики могут иметь природное или искусственное происхождение, иметь органическую или синтетическую природу.
К органическим природным изоляционным материалам относят растительные масла, целлюлоза, каучук. Они отличаются низкой термо и влагостойкостью, быстрым старением. Синтетические органические материалы — различные виды пластика.
К неорганическим диэлектрикам естественного происхождения относятся: слюда, асбест, мусковит, флогопит. Вещества устойчивы к химическому воздействию, выдерживают высокие температуры. Искусственные неорганические диэлектрические материалы — стекло, фарфор, керамика.
Латуни
Сплавы меди с цинком, называемые латунями, широко используются в электротехнике. Цинк растворяется в меди в пределах до 39%.
В различных марках латуни содержание цинка может доходить до 43%. Латуни, содержащие до 39% цинка, имеют однофазную структуру твердого раствора и называются a-латунями. Эти латуни обладают наибольшей пластичностью, поэтому из них изготавливают детали горячей или холодной прокаткой и волочением: листы, ленты, проволоку. Без нагрева из листовой латуни методом глубокой вытяжки и штамповкой можно изготовить детали сложной конфигурации.
Латуни с содержанием цинка свыше 39% называют a+b-латунями или двухфазными и применяют главным образом для фасонных отливок.
Двухфазные латуни являются более твердыми и хрупкими и обрабатываются давлением только в горячем состоянии.
Присадка к латуням олова, никеля и марганца повышает механические свойства и антикоррозионную устойчивость, а добавки алюминия в композиции с железом, никелем и марганцем сообщают латуням кроме улучшения механических свойств и коррозионной стойкости высокую твердость. Однако присутствие в латунях алюминия затрудняет пайку, а проведение пайки мягкими припоями становится практически невозможным.
· латуни марок Л68 и Л63 вследствие высокой пластичности хорошо штампуются и допускают гибку, легко паяются всеми видами припоев. В электромашиностроении широко применяются для различных токоведущих частей;
· латуни марок ЛС59-1 и ЛМЦ58-2 применяются для изготовления роторных (беличьих) клеток электрических двигателей и для токоведущих деталей, изготовленных резанием и штамповкой в горячем состоянии; хорошо паяются различными припоями;
· латунь ЛА67-2,5 применяется для литых токоведущих деталей повышенной механической прочности и твердости, не требующих пайки мягкими припоями;
· латуни ЛК80-3Л и ЛС59-1Л широко применяются для литых токоведущих деталей электрической аппаратуры, для щеткодержателей и для заливки роторов асинхронных двигателей. Хорошо воспринимают пайку различными припоями.
2.7. Тугоплавкие металлы
К тугоплавким относятся металлы с температурой плавления, превышающей 1700°С. Как правило, они химически устойчивы при низких температурах, но становятся активными при повышенных. Эксплуатация их при высоких температурах может быть обеспечена в атмосфере инертных газов или в вакууме. В плотном виде чаще всего эти металлы получают методами порошковой металлургии – прессовкой и спеканием. В электронной технике начинают распространяться плавка электронным или лазерным лучом, зонная очистка, плазменная обработка и т.д. Механическая обработка этих материалов трудна и часто требует подогрева.
2.7.1. Вольфрам
Чрезвычайно тяжелый, твердый металл серого цвета. Из всех металлов вольфрам обладает наиболее высокой температурой плавления (3380°С). Его извлекают из руд различного состава, наиболее известными среди которых являются вольфрамит (FeWO4 + MnWO4) и шеелит (CaWO4) путем сложной химической обработки. Для вольфрама характерна слабая механическая связанность кристаллов, поэтому при зернистом строении сравнительно толстые вольфрамовые изделия весьма хрупки и легко ломаются. В результате механической обработки ковкой и волочением вольфрам приобретает волокнистую структуру и излом его весьма затруднен. Этим объясняется гибкость тонких вольфрамовых нитей.
Из вольфрама изготавливают нити ламп накаливания, а также электроды, подогреватели, пружины и крючки в электронных лампах, рентгеновских трубках и т.п. Вследствие тугоплавкости и большой механической прочности, вольфрам может работать при высоких температурах (более 2000°С), но лишь в глубоком вакууме или в атмосфере инертного газа, т.к. при нагревании до температуры в несколько сот градусов в присутствии кислорода он сильно окисляется.
2.7.2. Молибден
Этот металл по внешнему виду, а также по технологии обработки близкий к вольфраму. Важнейшей промышленной рудой молибдена является молибденит MoS2. Молибден применяют в электровакуумной технике при менее высоких температурах, чем вольфрам; накаливаемые детали из молибдена должны работать в вакууме или восстановительной атмосфере.
2.7.3. Тантал
Его получают из мало распространенной руды – танталита Fe(TaO3)2 методами порошковой металлургии, подобно вольфраму и молибдену. Основное отличие его заключается лишь в том, что процесс спекания его осуществляют в вакуумных печах, т.к. тантал склонен к поглощению газов, в результате чего он становится хрупким. Тантал характеризуется высокой пластичностью даже при комнатной температуре. Тантал относят к сверхпроводникам, применяют при изготовлении анодов и сеток генераторных ламп и др.
2.7.4. Титан
Относительно легкий металл, применяющийся в электровакуумной технике благодаря своим хорошим механическим свойствам. Основными минералами, содержащими титан, являются рутил и ильмений. Получают титан методами порошковой металлургии. Его используют не только в качестве конструкционного материала, но и для порошкообразных покрытий молибденовых и вольфрамовых анодов и сеток генераторных ламп. Из него также получают резисторы интегральных микросхем.
2.7.5. Рений
Один из редких очень тяжелых металлов, с температурой плавления, близкой к вольфраму. Рений отличается редким сочетанием свойств, удовлетворяющих большинству требований электровакуумной техники. В атмосфере водорода и во влажной среде он испаряется в меньшей степени, чем вольфрам. Ценной особенностью рения является его меньшая, по сравнению с вольфрамом, степень взаимодействия при высоких температурах с окисью алюминия, из которой изготовляют изоляционные трубки подогревных катодов прямого накала и сеток некоторых типов ламп.
Проводниковый материал
Проводниковые материалы, которые используют для изготовления термометров сопротивления, должны удовлетворять следующим требованиям: обладать возможно большим и стабильным температурным коэффициентом сопротивления, химической устойчивостью при нагревании, производиться в необходимых количествах с одинаковыми свойствами.
Проводниковые материалы имеют различные свойства и, соответственно, разные области применения.
Проводниковые материалы с высокой удельной проводимостью обладают тем свойством, что без значительных потерь электрической энергии проводят электрический ток, вследствие чего они широко используются для канализации электрической энергии в определенных направлениях. Концентрация энергии и уменьшение объема электрического поля обычно осуществляется при помощи конденсаторов, заполненных диэлектриком с высокой проницаемостью. Для концентрации энергии и уменьшения объема магнитного поля, как правило, пользуются ферромагнитными материалами с высокой магнитной проницаемостью.
Проводниковые материалы служат для проведения электрического тока. Они, как правило, обладают весьма малым или заданным удельным сопротивлением. К ним относятся, с одной стороны, сверхпроводниковые и криопроводниковые материалы, р которых при очень низких ( криогенных) температурах весьма мало, а с другой — материалы высокого сопротивления, применяемые для изготовления резисторов и электронагревательных элементов.
Проводниковые материалы должны обладать: возможно более высокой электропроводностью, достаточно высокими механическими свойствами, сопротивляемостью к атмосферной коррозии, способностью поддаваться обработке давлением ( прокатке и протяжке) в горячем и холодном состояниях.
Проводниковые материалы представляют собой вещества, хорошо проводящие электрический ток и служащие для изготовления токоведущих частей радиоаппаратуры.
Проводниковый материал должен быть стойким в данной среде.
Проводниковые материалы отличаются большой удельной электрической проводимостью и используются в электротехнических устройствах в качестве проводников электрического тока: всевозможные обмотки в машинах, аппаратах и приборах, контактные узлы, провода и кабели для передачи и распределения электрической энергии, в том числе и в линиях связи.
Проводниковые материалы применяют для изготовления токопроводящих частей электротехнических устройств.
Проводниковые материалы ( проводники) имеют небольшое удельное сопротивление ( порядка 10 — 6 — 1 ( Н Ом — м) и поэтому являются хорошими проводниками электрического тока. Их применяют в качестве токоведущих частей электроустановок.
Проводниковые материалы, из которых изготавливаются провода воздушных линий электропередачи, т.е. их главные элементы, должны удовлетворять ряду технических и экономических требований. Прежде всего они должны обладать невысоким удельным электрическим сопротивлением, чтобы потери активной мощности на нагрев проводов и потери напряжения в линии при прочих равных условиях были по возможности минимальны.
Проводниковые материалы — одни из основных и широко применяемых материалов, что связано в первую очередь с повсеместным использованием электрической энергии. Таким образом, спектр применения проводниковых материалов очень широк. Благодаря наличию металлической проводимости любой металл может быть использован как проводниковый в том или ином качестве. Разнообразие металлов и их свойств позволяет создавать сплавы с заданными свойствами, используемые по конкретному назначению.
Проводниковые материалы как правило изготовляются из технически чистых металлов: меди, алюминия, железа.
Проводниковые материалы, применяемые в электротехнике, можна разделить на две группы. К первой группе относятся материалы с высокой удельной проводимостью, ко второй — материалы с сравнительно высоким удельным сопротивлением.
Проводниковые материалы должны надежно использоваться в электрических машинах, работающих при 600 С и выше. При температуре выше 225 С медь начинает интенсивно окисляться, что приводит к резкому увеличению сопротивления и снижению эластичности. Чтобы защитить медную проволоку от окисления, — наносится слой никеля. Биметаллическая проволока Cu-Ni для обмоточных проводов выпускается диаметром 0 1 — 2 5 мм.
2.5. Сверхпроводники и криопроводники
Как уже отмечалось, при понижении температуры удельное сопротивление металлов падает. Представляет особый интерес вопрос об электропроводности металлов при весьма низких температурах, приближающихся к абсолютному нулю. Исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление практически бесконечной электрической проводимости материала, называется сверхпроводимостью, а температура, при охлаждении до которой совершается переход вещества в сверхпроводящее состояние – температурой сверхпроводникового перехода Тс. Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым: при повышении температуры до Тс сверхпроводимость разрушается и материал переходит в нормальное состояние, приобретая конечное значение удельной проводимости γ. В настоящее время известно 27 простых (чистых металлов) и более тысячи сложных (сплавов и химических соединений).
В то же время некоторые вещества, в том числе такие наилучшие проводниковые материалы, как серебро и медь, при наиболее низких, достигнутых в настоящее время температурах (порядка тысячных долей Кельвина; согласно третьему закону термодинамики, абсолютный нуль температуры принципиально недостижим) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось. Интересно отметить, что сверхпроводниками могут быть не только соединения и сплавы металлов, обладающих сверхпроводимостью, но и соединения таких элементов с несверхпроводящими и даже соединения, в состав молекул которых входят исключительно атомы элементов, не являющихся сверхпроводящими.
Помимо сверхпроводящих электромагнитов можно отметить возможности использования сверхпроводников для создания электрических машин, трансформаторов и тому подобных устройств малой массы и габаритов, но с высокими к.п.д.; линий электропередачи весьма больших мощностей на дальние расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и пр.
Помимо явления сверхпроводимости в современной электротехнике все шире используется явление криопроводимости, т.е. достижение некоторыми металлами весьма малой удельной проводимости при криогенных температурах (но более высоких, чем температура сверхпроводникового перехода, если данный металл вообще принадлежит к сверхпроводникам. Материалы, обладающие особо благоприятными свойствами для применения в качестве проводников в условиях криогеннных температур, называются криопроводниками или гиперпроводниками.
Весьма малое, но все же конечное значение удельного сопротивления криопроводника при его рабочей температуре ограничивает допустимую плотность тока в нем, хотя эта плотность может быть намного выше, чем в обычных проводниках. Криопроводники, у которых при изменении температуры в широких пределах удельное сопротивление изменяется плавно, без скачков, не могут использоваться в ряде устройств, действие которых основано на триггерном эффекте появления и разрушения сверхпроводимости. Однако применение криопроводников в электрических машинах, аппаратах, кабелях и т.п. имеет и свои преимущества, притом весьма существенные. Так, если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяется жидкий гелий, рабочая температура криопроводников достигается применением более высококипящих и дешевых хладоагентов: жидкого водорода или даже жидкого азота. Это значительно упрощает и удешевляет выполнение и эксплуатацию устройства. Кроме того, в сверхпроводниковом устройстве, например электромагните, по обмотке которого проходит сильный ток, накапливается большая энергия магнитного поля. Если из-за случайного повышения температуры или магнитной индукции хотя бы на малом участке сверхпроводящего контура сверхпроводимость будет разрушена, внезапно освободится большое количество энергии, что может вызвать серьезную аварию. В случае же криопроводниковой цепи повышение температуры вызовет лишь постепенное возрастание сопротивления этой цепи без эффекта взрыва.
Во всех случаях для получения криопроводниковых материалов требуется высокая чистота металла и отсутствие наклепа. Вредное влияние примесей и наклепа на ρ металлов при криогенных температурах сказывается намного сильнее, чем при нормальных. Криопроводники могут с успехом использоваться для обмоток электрических машин и трансформаторов, для токопроводящих жил кабелей и т.п.
Алюминий
Характерными свойствами чистого алюминия является его малый удельный вес, низкая температура плавления, высокая тепловая и электрическая проводимость, высокая пластичность, очень большая скрытая теплота плавления и прочная, хотя и очень тонкая пленка окиси, покрывающая поверхность металла и защищающая его от проникновения кислорода внутрь.
Малая плотность делает алюминий основой легких конструкционных материалов; большая пластичность позволяет применять к алюминию все виды обработки давлением и получать из него листы, прутки, проволоку, трубы, тончайшую фольгу, штампованные детали с глубокой вытяжкой и др.
Хорошая электрическая проводимость обеспечивает широкое применение алюминия в электротехнике. Так как плотность алюминия в 3,3 раза ниже, чем у меди, а удельное сопротивление лишь в 1,7 раза выше, чем у меди, то алюминий, на единицу массы имеет вдвое более высокую проводимость, чем медь.
Прочная пленка окиси быстро покрывает свежий срез металла уже при комнатной температуре, обеспечивая алюминию высокую устойчивость против коррозии в атмосферных условиях.
Сернистый газ, сероводород, аммиак и другие газы, находящиеся в воздухе промышленных районов, не оказывают заметного влияния на скорость коррозии алюминия. Действие водяного пара на алюминий также незначительно. В контакте с большинством металлов и сплавов, являющихся благородными по электрохимическому ряду потенциалов, алюминий служит анодом и, следовательно, коррозия его в электролитах будет прогрессировать.
Чтобы избежать образования гальванопар во влажной атмосфере, место соединения алюминия с другими металлами герметизируется лакировкой или другим путем.
Длительные испытания проводов из алюминия показали, что они в отношении устойчивости против коррозии не уступают медным.
Таблица 1. Основные характеристики проводниковых материалов
|
Материал |
Плотность, кг/м3·103 |
Температура плавления, °C |
Удельное электрическое сопротивление при 20 °C, Ом×м·10–6 |
Средний температурный коэффициент сопротивления от 0 до 100 °C, 1/град |
Примечание |
|
Алюминий |
2,7 |
660 |
0,026—0,028 |
4·10–3 |
Провода, кабели, шины, проводники короткозамкнутых роторов, корпуса и подшипниковые щиты малых электромашин |
|
Бронза |
8,3—8,9 |
885—1050 |
0,021—0,052 |
4·10–3 |
Кадмиевая бронза — контакты, фосфористая — пружины |
|
Латунь |
8,4—8,7 |
900—960 |
0,03—0,08 |
2·10–3 |
Контакты, зажимы |
|
Медь |
8,7—8,9 |
1080 |
0,0175—0,0182 |
3·10–2 |
Провода, кабели, шины |
|
Олово |
7,3 |
232 |
0,114—0,120 |
4,4·10–3 |
Припои для лужения и пайки в сплаве со свинцом |
|
Свинец |
11,34 |
327 |
0,217—0,222 |
3,8·10–3 |
Защитная обложка кабелей, вставки предохранителей, пластины аккумуляторов, припои в сплаве с оловом для лужения и пайки |
|
Серебро |
10,5 |
960 |
0,0160—0,0162 |
3,6·10–3 |
Контакты электроприборов и аппаратов |
|
Сталь |
7,8 |
1400 |
0,103—0,137 |
62·10–2 |
Шины заземления |
Таблица 2. Сопротивление металлов или сплавов по сравнению с медью
|
Металл или сплав |
Сопротивление по сравнению с медью |
Металл или сплав |
Сопротивление по сравнению с медью |
|
Серебро |
0,9 |
Олово |
8,5 |
|
Медь |
1,0 |
Сталь |
12 |
|
Хром |
1,6 |
Свинец |
13 |
|
Алюминий |
1,67 |
Нейзильбер |
17 |
|
Магний |
2,8 |
Никелин |
25 |
|
Молибден |
2,9 |
Манганин |
26 |
|
Вольфрам |
3,6 |
Реотан |
28 |
|
Цинк |
3,7 |
Константан |
29 |
|
Латунь |
4,5 |
Чугун |
30 |
|
Платина |
5,5 |
Ртуть |
60 |
|
Кобальт |
6,0 |
Нихром |
60 |
|
Никель |
6,5 |
Уголь |
15000 |
|
Железо |
7,7 |
Таблица 3. Изменение сопротивления медных проводов при нагревании (сопротивление при 15 °C принято за единицу)
|
Температура, °C (десятки) |
Температура, °C (единицы) |
|||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
||
|
0,940 |
0,944 |
0,948 |
0,952 |
0,956 |
0,960 |
0,964 |
0,968 |
0,972 |
0,976 |
|
|
10 |
0,980 |
0,984 |
0,988 |
0,992 |
0,996 |
1,000 |
1,004 |
1,008 |
1,012 |
1,016 |
|
20 |
1,020 |
1,024 |
1,028 |
1,032 |
1,036 |
1,040 |
1,044 |
1,048 |
1,052 |
1,056 |
|
30 |
1,060 |
1,064 |
1,068 |
1,072 |
1,076 |
1,080 |
1,084 |
1,088 |
1,092 |
1,096 |
|
40 |
1,100 |
1,104 |
1,108 |
1,112 |
1,116 |
1,120 |
1,124 |
1,128 |
1,132 |
1,136 |
|
50 |
1,140 |
1,144 |
1,148 |
1,152 |
1,156 |
1,160 |
1,164 |
1,168 |
1,172 |
1,176 |
|
60 |
1,180 |
1,184 |
1,188 |
1,192 |
1,196 |
1,200 |
1,204 |
1,208 |
1,212 |
1,216 |
|
70 |
1,220 |
1,224 |
1,228 |
1,232 |
1,236 |
1,240 |
1,244 |
1,248 |
1,252 |
1,256 |
|
80 |
1,260 |
1,264 |
1,268 |
1,272 |
1,276 |
1,280 |
1,284 |
1,288 |
1,292 |
1,296 |
|
90 |
1,300 |
1,304 |
1,308 |
1,312 |
1,316 |
1,320 |
1,324 |
1,328 |
1,332 |
1,336 |
|
100 |
1,340 |
1,344 |
1,348 |
1,352 |
1,356 |
1,360 |
1,364 |
1,368 |
1,372 |
1,376 |
|
Примечание. Таблица служит для пересчета сопротивлений при температурах нагрева. Например, для подсчета сопротивления при температуре 44 °C надо по вертикали взять температуру 40 °C и по горизонтали поправку на 4 °C: получается изменение сопротивления в 1,116 раза. |
Характеристики и физические свойства материалов
Параметры проводников определяют область их применения. Основные физические характеристики:
- удельное электрическое сопротивление — характеризует способность вещества препятствовать прохождению электрического тока;
- температурный коэффициент сопротивления — величина, характеризующая изменение показателя в зависимости от температуры;
- теплопроводность — количество тепла, проходящее в единицу времени через слой материала;
- контактная разность потенциалов — происходит при соприкосновении двух разнородных металлов, применяется в термопарах для измерения температуры;
- временное сопротивление разрыву и относительное удлинение при растяжении — зависит от вида металла.
При охлаждении до критических температур удельное сопротивление проводника стремится к нулю. Это явление называется сверхпроводимостью.
Свойства, характеризующие проводник:
- электрические — сопротивление и электропроводимость;
- химические — взаимодействие с окружающей средой, антикоррозийность, способность соединения при помощи сварки или пайки;
- физические — плотность, температура плавления.
Особенность диэлектриков — противостоять воздействию электротока. Физические свойства электроизоляционных материалов:
- диэлектрическая проницаемость — способность изоляторов поляризоваться в электрическом поле;
- удельное объёмное сопротивление;
- электрическая прочность;
- тангенс угла диэлектрических потерь.
Изоляционные материалы характеризуются по следующим параметрам:
- электрические — величина пробивного напряжения, электрическая прочность;
- физические — термостойкость;
- химические — растворимость в агрессивных средствах, влагостойкость.
Теплопроводность
λ – величина, характеризующая количество тепла, проходящее в единицу времени через слой вещества. Размерность теплопроводности
Теплопроводность имеет большое значение при тепловых расчетах машин, аппаратов, кабелей и других электротехнических устройств.
Значение теплопроводности λ для некоторых материалов
| Серебро Медь Алюминий Латунь Железо, сталь Бронза Бетон Кирпич Стекло Асбест Дерево Пробка |
350 – 360 340 180 – 200 90 – 100 40 – 50 30 – 40 0,7 – 1,2 0,5 – 1,2 0,6 – 0,9 0,13 – 0,18 0,1 – 0,15 0,04 – 0,08 |
Из приведенных данных видно, что наибольшей теплопроводностью обладают металлы. У неметаллических материалов теплопроводность значительно ниже. Она достигает особенно низких значений у пористых материалов, которые применяю специально для тепловой изоляции. Согласно электронной теории высокая теплопроводность металлов обусловлена теми же электронами проводимости, что и электропроводность.
https://youtube.com/watch?v=I1absn2hP58
Определение, классификация и назначение проводниковых материалов
Что же такое проводниковые материалы? Как видно из названия, это вещества, которые хорошо проводят электрический ток. Проводниками могут быть твердые и жидкие вещества. Металлы и их сплавы являются твердыми проводниками. Расплавы металлов, ртуть и электролиты относят к жидким проводникам. Ртуть – единственный металл, который может быть жидким при температуре 20оС
Газы тоже могут быть проводниками, но только в состоянии ионизации. В твердых проводниках и жидких металлах присутствует электронная проводимость (они относятся к проводникам первого рода), ионная проводимость бывает у жидких растворов (они относятся к проводникам второго рода).
Металлы и их сплавы наиболее часто применяются в электротехнике и являются важными для электроэнергетики твердыми проводниковыми материалами.
Рисунок 1 – Классификация проводниковых материалов
Мы можем классифицировать проводниковые материалы, полагаясь на электропроводность и их назначение. Таким образом они будут разделены на несколько групп:
- Первая группа – проводники высокой проводимости. Такие проводники используют при передаче электрической энергии на большие расстояния, а также из них изготавливают обмотки электрических машин (различных генераторов, двигателей и пр.). При этом учитываются наименьшие потери.
- Вторая группа – проводники с высоким удельным сопротивлением, которые преобразуют электрическую энергию в тепловую и применяются в конструкциях электропечей.
- К третьей группе отнесем непроволочные проводники, в основном электрические угли и порошки, которые широко применяются в изготовлении микрофонов и звуковой аппаратуры.
- Четвертая группа – высокоомные пленочные и композиционные материалы. Применяются такие материалы для изготовления резисторов в электро- и радиотехнике;
В пятой группе будут различные металлы, применяемые в электротехнике.
Рисунок 2 – Природа различных видов электропроводности
По классической теории электропроводности металлов электрический ток возникает при внешнем воздействии на металл, когда электроны переходят в упорядоченное движение.
В спокойном состоянии металл не может самостоятельно воспроизводить электрические заряды. Но с подключением внешнего источника электроны становятся носителями электрического тока. С повышением температуры электропроводность металлов снижается.
Происходит это потому, что молекулярные связи в кристаллической решетке ослабляются, элементарные частицы вращаются в еще более хаотичном порядке и усложняется построение электронов в цепь. Поэтому по мере возможностей нужно не допускать перегрева проводников, так как это меняет их эксплуатационные свойства.
Рисунок 3 – Сравнение элементов зонной теории для диэлектриков полупроводников и проводников.
С точки зрения зонной теории строения твердого тела проводники являются веществами, у которых отсутствует запрещенная зона, а зона валентных электронов частично заполнена, и внутри нее электроны могут свободно перемещаться от атома к атому. В этих условиях достаточно даже небольшого напряжения чтобы возник электрический ток.
Электронная теория об электронном газе в металлах подтверждается опытами:
- Если ток длительно протекает сквозь контакты из двух металлов, то при этом масса этих металлов не изменяется и нет проникновения металлов друг в друга. Это говорит о том, что движение электронного газа обуславливает протекание тока, при этом не касаясь движения ионов металлов.
- У металлов, нагретых до больших температур, увеличивается скорость теплового движения свободных электронов Vт. Самые быстрые электроны вылетают из металла и создают термоэмиссию, проникая сквозь поверхностный потенциальный заряд.
- Если быстро двигающийся стержень резко затормозить, то возникнет смещение в направлении движения, и это поспособствует появлению разности потенциалов на концах заторможенного стержня.
- Поперечная ЭДС может появляться в металлической пластинке, размещенной в поперечном магнитном поле.
По электронной теории металлов, большинство твердых проводников обладают кристаллической решеткой, показанной на рисунке 4. Кристаллическая решетка изображена с положительными ионами металла в узлах, красными точками показан электронный газ. Электронная теория металлов показала, как можно описать и объяснить основные законы электропроводности, найденные экспериментальным путем.
Рисунок 4 – Строение кристалла проводника – металла
