Электропроводность металлов

Что такое электропроводность металлов

Электрическая проводимость является одним из свойств материальных тел и сред определенного состава. Этим качеством обусловлено возникновение в объектах и субстанциях электротока, что связано с действием на них электрического поля. В информационных источниках встречается расшифровка термина, обозначающая физическую величину, определяющую способность к проведению электричества. Рассматриваемый механизм противопоставлен электрическому сопротивлению.

В процессе изучения темы следует понимать, что под электрической проводимостью металлов подразумевается возможность материалов проводить постоянный ток, то есть пребывать в условиях воздействия постоянного поля. Озвученная способность отличается от характерного свойства для диэлектрических объектов, взаимодействующих с переменным электрическим полем.

В чем измеряется

Согласно Международной системе единиц СИ способность металлов проводить электричество измеряют в сименсах. Расчет этой величины выполняют по формуле:

\(1 См = 1 Ом^{-1}\)

Таким образом, с помощью указанного соотношения несложно рассчитать, какова электропроводность на отрезке электросети, сопротивление которой составляет 1 Ом.

Классическая теория электропроводности металлов

В классической теории, описывающей свойства металлов проводить электричество, зафиксированы следующие принципы:

• повышенная электропроводность обусловлена увеличенной концентрацией свободных электронов в структуре материала;
• формирование электрического тока связано с силой, изменяющей беспорядочное перемещение отрицательно заряженных частиц на структурированное движение в некоторой последовательности;
• с целью определения воздействия перемещающегося электротока используют ключевые положения закономерности Ома;
• разница в сопротивлении объектов возникает по причине количественного различия между элементарными частицами;
• формирование электричества наблюдается в моменте, когда происходит начало воздействия на частицы с отрицательным зарядом;
• при условии нагрева материалов заметен рост степени сопротивления.

Второй пункт из представленного списка считают ключевым. При детальном рассмотрении озвученного принципа следует сделать основной вывод. Свободные отрицательные частицы, пребывая в состоянии покоя, беспорядочно движутся вокруг ядра. При этом нельзя наблюдать формирование заряда. Ситуация меняется с подключением внешнего источника. После воздействия субатомные частицы мгновенно образуют структуру, перемещаясь по порядку и в определенной последовательности. Таким образом, происходит трансформация электронов в носители электротока.

Зависимость электропроводности от температуры

Путем опытных исследований получены данные об электропроводности металлических материалов. Измерения справедливы для стабильных характеристик внешней среды, когда температурный режим не меняется и составляет +20°C. На практике создать подобные климатические параметры, исключая вероятность изменений, достаточно сложно. По этой причине величина способности металлов пропускать электричество демонстрирует разные значения в тех или иных обстоятельствах применение.

Одним из ключевых факторов, определяющих электрическую проводимость, служит температура. Если температурные показатели растут, то это приводит к снижению способности объектов проводить электроток. Объяснить данное явление можно путем изучения процессов, происходящих в кристаллической решетке вещества. Нагрев приводит ионы в колебательное движение. В результате они играют роль барьера для последовательного перемещения свободных электронов.

Формулы

Согласно положениям закономерности Ома, в линейном изотропном веществе рассматриваемый параметр допустимо принимать за коэффициент, обозначающий пропорциональную связь между плотностью образованного электротока и показателем электрического поля в определенной среде. Посчитать значение удельной проводимости удобно с помощью формулы:

\({\vec {J}}=\sigma \,{\vec {E}}\)

В уравнении \sigma обозначает удельную электропроводность, \( \vec {J}\) выражает вектор плотности электрического тока, за \(\vec {E}\) принимают вектор напряженности, характерной для электрического поля.

При вычислении электрической проводимости, обозначенной за G, которой обладает некоторый проводниковый элемент длиной L с неизменным поперечным сечением площадью S, следует использовать такое соотношение:

\(G=\sigma {\frac {S}{L}}\)

При работе с металлами и решении задач по физике нередко применяют закономерность Видемана-Франца. Данный принцип справедлив в случае металлических материалов, подвергаемых термическому воздействию. С помощью рассматриваемого закона установлена взаимосвязь между удельной электропроводностью и коэффициентом теплопроводности:

\({\frac {K}{\sigma}}={\frac {\pi ^{2}}{3}}{\left({\frac {k}{e}}\right)^{2}}T\)

В выражении за k принимают константу Больцмана, с ее помощью обозначают элементарный заряд. Сформулированное соотношение базируется на факте наличия способности у металлов проводить электричество и тепловую энергию за счет передвижения свободных отрицательно заряженных частиц.

Примеры решения задач

Решение

Согласно строению изучаемого куба для одной простейшей ячейки сформировано две пары атомов. На основании изложенных данных вычислим количество атомов для единицы объема:

\(N = \frac{4}{а^{3}} = \frac{4}{(0,4041\cdot 10^{-9})^{3}} = 6,06 \cdot 10^{28} (м^{-3})\)

На следующем этапе можно приступить к определению концентрации электронов в алюминиевом объекте:

\(n = 3N = 18,18 \cdot 10^{28} (м^{-3})\)

Ответ: \(18,18 \cdot 10^{28} (м^{-3}).\)

Решение

\( р = (\frac{3}{8\pi})^{\frac{1}{3}} \frac{h}{e^{2}n^{\frac{2}{3}}\overline{l}}\)

\(n = d\frac{N_{0}}{A} = \frac{8920 \cdot 6,02\cdot 10^{23}}{63,54 \cdot 10^{-3}} = 8,45 \cdot 10^{28} (м^{-3})\)

\(\overline{l} = (\frac{3}{8\cdot 3,14})^{\frac{1}{3}} \frac{6,62 \cdot  10^{-34}}{(1,6\cdot 10^{-19})^{2} (8,45 \cdot 10^{28})^{\frac{2}{3}} 0,017 \cdot 10^{-6}} = 3,89 \cdot 10^{-8} м\)

Ответ: \(3,89 \cdot 10^{-8} м.\)