Электропроводность металлов — BAZAMET.RU

От чего зависит электропроводность металлов?

Наиболее важным фактором, определяющим проводимость вещества, является количество электронов на конечной орбите его атомов. Свободные электроны в проводниках легко переносят электрический ток из одной точки в другую. Все металлы являются проводниками, каждый из них может иметь по несколько атомов на разных энергетических уровнях. Например, атом меди имеет только один электрон на своей конечной орбите.

Факторы, влияющие на проводимость:

• тип материала
• формула проводимости.
• температура.
• химический состав — состояние легирования.

Чем обеспечивается электрическая проводимость в металлах?

Электрическое поле создается в проводнике, когда источник постоянного тока, такой как батарея, подключается между двумя концами металлического провода. Это электрическое поле заставляет свободные электроны в металле дрейфовать в направлении, противоположном полю. Электроны, движущиеся больше, чем в одном направлении, в среднем, создали бы электрический ток.

Какой лучший проводник в металлах?

Серебро, медь и золото — считаются наилучшими проводниками. Металлы, атомы которых имеют 1 валентный электрон, являются хорошими проводниками. Серебро — лучший проводник, вторым лучшим проводником является медь, следующим — золото.

Как изменяется электропроводность металлов с температурой?

По мере повышения температуры металлов их проводимость уменьшается. Причина этого — вибрация. Когда температура повышается, валентность и полоса проводимости заканчиваются друг с другом, и поскольку электроны вибрируют слишком сильно, они теряют энергию, ударяясь друг о друга, что приводит к снижению проводимости.

Как достигается проводимость электрического тока в металлах?

Металлы — это элементы, которые содержат 1, 2 или 3 электрона в своих конечных слоях и образуют катион (положительный ион). Небольшое количество электронов в конечных слоях металлов создает множество электронов, благодаря чему металлы могут легко проводить электрический ток.

В чем причина электрической проводимости в металлах?

В металлах электропроводность является результатом движения электрически заряженных частиц. Атомы металлических элементов выражаются движением валентных электронов на конечной орбите атома. Именно свободные электроны, находящиеся на конечной орбите атома, позволяют металлам проводить электрический ток.

Таблица удельного сопротивления и проводимости при 20°C

Материал	ρ (Ом•м) при 20 °C Удельное сопротивление	σ (См/м) при 20 °C Проводимость
Серебро	1.59×10−8	6. 30×107
Медь	1.68×10−8	5.96×107
Отожженная медь	1.72×10−8	5.80×107
Золото	2.44×10−8	4.10×107
Алюминий	2.82×10−8	3.5×107
Вольфрам	5. 60×10−8	1.79×107
Цинк	5.90×10−8	1.69×107
Никель	6.99×10−8	1.43×107
Литий	9.28×10−8	1.08×107
Платина	1.06×10−7	9. 43×106
Углеродистая сталь	(1010)	1.43×10−7
Титан	4.20×10−7	2.38×106
Нержавеющая сталь	6.9×10−7	1.45×106
Нихром	1.10×10−6	9.09×105

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 В этой таблице представлены удельное электрическое сопротивление и электропроводность нескольких материалов.  

 Удельное электрическое сопротивление, обозначаемое греческой буквой ρ (ро), является мерой того, насколько сильно материал сопротивляется прохождению электрического тока. Чем ниже удельное сопротивление, тем легче материал пропускает электрический заряд.

 

 Электропроводность есть величина, обратная удельному сопротивлению. Электропроводность — это мера того, насколько хорошо материал проводит электрический ток. Электропроводность может быть представлена греческой буквой σ (сигма), κ (каппа) или γ (гамма).

 

Электропроводность металлов и полупроводников | Квантовая физика

Содержание работы

Электропроводность есть способность тела пропускать электрический ток под действием электрического поля. Для характеристики этого явления служит величина удельной электропроводности σ. Как показывает теория [1-3], величину σ можно выразить через концентрацию n свободных носителей заряда, их заряд е, массу m, время свободного пробега τ_e, длину свободного пробега λe и среднюю дрейфовую скорость < v > носителей заряда. Для металлов в роли свободных носителей заряда выступают свободные электроны, так что:

σ = ne² · τе / m = (n · e² /  m) · (λe  / < v >) = e · n · u

(10.1)

где u — подвижность носителей, т.е. физическая величина, численно равная дрейфовой скорости, приобретенной носителями в поле единичной напряженности , а именно

u = < v > / E = (e · τ_е) / m

В зависимости от σ все вещества подразделяются; на проводники — с σ > 10⁶ (Ом · м)^-1, диэлектрики — с σ > 10^-8 (Ом · м)^-1 и полупроводники — с промежуточным значением σ.

С точки зрения зонной теории деление веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики определяется тем, как заполнена электронами при 0 К валентная зона кристалла: частично или полностью.

Энергия, которая сообщается электронам даже слабым электрическим полем, сравнима с расстоянием между уровнями в энергетической зоне. Если в зоне есть свободные уровни, то электроны, возбужденные внешним электрическим полем, будут заполнять их. Квантовое состояние системы электронов будет изменяться, и в кристалле появится преимущественное (направленное) движение электронов против поля, т.е. электрический ток. Такие тела (рис.10.1,а) являются проводниками.

Если валентная зона заполнена целиком, то изменение состояния системы электронов может произойти только при переходе их через запрещенную зону. Энергия внешнего электрического поля такой переход осуществить не может. Перестановка электронов внутри полностью заполненной зоны не вызывает изменения квантового состояния системы, т.к. сами по себе электроны неразличимы.

В таких кристаллах (рис. 10.1,б) внешнее электрическое поле не вызовет появление электрического тока, и они будут непроводниками (диэлектриками). Из этой группы веществ выделены те у которых ширина запрещенной зоны ΔE ≤ 1 эВ (1эВ = 1,6 · 10^-19 Дж).

Переход электронов через запрещенную зону у таких тел можно осуществить, например, посредством теплового возбуждения. При этом освобождается часть уровней — валентной зоны и частично заполняются уровни следующей за ней свободной зоны (зоны проводимости). Эти вещества являются полупроводниками.

Согласно выражению (10.1) изменение электропроводности (электрического сопротивления) тел с температурой может быть вызвано изменением концентрации n носителей заряда или изменением их подвижности u .

Металлы

Квантово-механические расчеты показывают, что для металлов концентрация n свободных носителей заряда (электронов) равна:

n = (1 / 3π²) · (2mE_F / ђ²)^3/2

(10.2)

где ђ = h / 2π = 1,05 · 10^-34 Дж · с — нормированная постоянная Планка, E_F — энергия Ферми.

Так как E_F практически от температуры T не зависит, то и концентрация носителей заряда от температуры не зависит. Следовательно, температурная зависимость электропроводности металлов будет полностью определяться подвижностью u электронов, как и следует из формулы (10. 1). Тогда в области высоких температур

u ~ λ_e / <v> ~ T^-1

(10.3)

а в области низких температур

u ~ λ_e / <v> ~ const (T).

(10.4)

Степень подвижности носителей заряда будет определяться процессами рассеяния, т.е. взаимодействием электронов с периодическим полем решетки. Так как поле идеальной решетки строго периодическое, а состояние электронов — стационарное, то рассеяние (возникновение электрического сопротивления металла) может быть вызвано только дефектами (примесными атомами, искажениями структуры и т.д.) и тепловыми колебаниями решетки (фононами).

Вблизи 0 К , где интенсивность тепловых колебаний решетки и концентрация фононов близка к нулю, преобладает рассеяние на примесях (электрон-примесное рассеяние). Проводимость при этом практически не меняется, как следует из формулы (10.4), а удельное сопротивление

ρ = 1 / σ

имеет постоянное значение, которое называется удельным остаточным сопротивлением ρ_ост или удельным примесным сопротивлением ρ_прим, т. е.

ρ_ост (или ρ_прим) = const (T)

(10.5)

В области высоких температур у металлов становится преобладающим электрон-фононный механизм рассеяния. При таком механизме рассеяния электропроводность обратно пропорциональна температуре, как видно из формулы (10.3), а удельное сопротивление прямо пропорционально температуре:

ρ_ф ~ T

График зависимости удельного сопротивления ρ от температуры приведен на рис. 10.2

При температурах отличных от 0 К и достаточно большом количестве примесей могут иметь место как электрон-фононное, так и электрон-примесное рассеяние; суммарное удельное сопротивление имеет вид

ρ = ρ_прим + ρ_ф

(10.6)

Выражение (10.6) представляет собой правило Матиссена об аддитивности сопротивления. Следует отметить, что как электрон-фононное, так и электрон-примесное рассеяние носит хаотический характер.

Полупроводники

Квантово-механические расчеты подвижности носителей в полупроводниках показали, что, во-первых, с повышением температуры подвижность носителей u убывает, и решающим в определении подвижности является тот механизм рассеяния, который обуславливает наиболее низкую подвижность. Во-вторых, зависимость подвижности носителей заряда от уровня легирования (концентрации примесей) показывает, что при малом уровне легирования подвижность будет определяться рассеянием на колебаниях решетки и, следовательно, не должна зависеть от концентрации примесей.

При высоких уровнях легирования она должна определяться рассеиванием на ионизированной легирующей примеси и уменьшаться с увеличением концентрации примеси. Таким образом, изменение подвижности носителей заряда не должно вносить заметного вклада в изменение электрического сопротивления полупроводника.

В соответствии с выражением (10.1) основной вклад в изменение электропроводности полупроводников должно вносить изменение концентрации п носителей заряда [1-3].

Главным признаком полупроводников является активационная природа проводимости, т.е. резко выраженная зависимость концентрации носителей от внешних воздействий, как-то температуры, облучения и т.д. Это объясняется узостью запрещенной зоны (ΔЕ < 1 эВ) у собственных полупроводников и наличием дополнительных уровней в запрещенной зоне у примесных полупроводников.

Электропроводность химически чистых полупроводников называется собственной проводимостью. Собственная проводимость полупроводников возникает в результате перехода электронов (n) с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости и образованием дырок (p) в валентной зоне:

σ = σ_n + σ_ρ = e · n_n · u_n + e · n_ρ · u_ρ

(10.7)

где n_n и· n_ρ — концентрация электронов и дырок,
u_n и u_ρ — соответственно их подвижности,
e — заряд носителя.

С повышением температуры концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне экспоненциально возрастает:

n_n = u_nо · exp(-ΔE / 2kT) = n_ρ = n_ρо· exp(-ΔE / 2kT)

(10.8)

где n_nо и n_pо — концентрации электронов и дырок при Т → ∞,
k = 1,38 · 10^–23 Дж/ К — постоянная Больцмана.

На рисунке 10.3,а приведен график зависимости логарифма электропровод-ности ln σ собственного полупроводника от обратной температуры 1 / Т : ln σ = = ƒ(1 / Т). График представляет собой прямую, по наклону которой можно опреде-лить ширину запрещенной зоны ∆Е.

Электропроводность легированных полупроводников обусловлена наличием в них примесных центров. Температурная зависимость таких полупроводников определяется не только концентрацией основных носителей, но и концентрацией носителей, поставляемых примесными центрами. На рис. 10.3,б приведены графики зависимости ln σ = ƒ (1 / Т) для полупроводников с различной степенью легирования (n1 < n2 < n3, где n – концентрация примеси).

Для слаболегированных полупроводников в области низких температур преобладают переходы с участием примесных уровней. С повышением температуры растет концентрация примесных носителей, значит растет и примесная проводимость. При достижении т. А (см. рис. 10.3,б; кривая 1) – температуры истощения примеси Т_S1 – все примесные носители будут переведены в зону проводимости.

Выше температуры Т_S1 и до температуры перехода к собственной проводимости Т_i1 (см. т. В, кривая 1, рис. 10.3,б) электропроводность падает, а сопротивление полупроводника растет. Выше температуры Т_i1 преобладает собственная электропроводность, т.е. в зону проводимости вследствие теплового возбуждения переходят собственные носители заряда. В области собственной проводимости σ растет, а ρ падает.

Для сильнолегированных полупроводников, у которых концентрация примеси n ~ 10²⁶ м^–3, т.е. соизмерима с концентрацией носителей заряда в металлах (см. кривая 3, рис. 10.3,б), зависимость σ от температуры наблюдается только в области собственной проводимости. С ростом концентрации примесей величина интервала АВ (АВ > A’B’ > A»B») уменьшается (см. рис. 10.3,б).

Как в области примесной проводимости, так и в области собственной проводимости преобладает электрон-фононный механизм рассеяния. В области истощения примеси (интервалы AB, A’B’, A»B») вблизи температуры Т_S преобладает электрон-примесное рассеяние. По мере увеличения температуры (перехода к Т_i) начинает преобладать электрон-фононное рассеяние. Таким образом, интервал АВ (A’B’ или A»B»), называемый областью истощения примеси, является также областью перехода от механизма примесной проводимости к механизму собственной проводимости.

Электрическая проводимость элементов в периодической таблице

Цели обучения

В этой статье автор объяснил об электропроводности элементов в периодической таблице и тенденции проводимости в периодической таблице .

После прочтения этой статьи вы изучите следующие темы.

• Периодическая таблица электропроводности
• Периодическая таблица трендов электропроводности
• Электричество Периодическая таблица

Что такое электропроводность в химии?

Содержание

Электропроводность – это способность вещества проводить электрический ток благодаря наличию свободных электронов без изменения состава вещества.

Определение электропроводности

В химии электропроводность — это мера способности вещества проводить электричество. Обычно его выражают через коэффициент проводимости вещества, который является величиной, обратной величине его удельного электрического сопротивления. Коэффициент проводимости является мерой легкости, с которой вещество пропускает через себя электрический заряд.

На электрическую проводимость вещества могут влиять различные факторы, такие как его температура, давление и химический состав.

Электропроводность является важным свойством многих материалов и часто используется для их классификации и характеристики.

Материалы, хорошо проводящие электричество, такие как металлы, используются в конструкции электрических проводов и других компонентов электрических цепей, в то время как материалы, которые плохо проводят электричество, такие как изоляторы, используются для защиты людей от поражения электрическим током и для предотвратить нежелательный поток электричества в цепях.

Какой класс элементов проводит электричество

Элементы, принадлежащие к следующим классам, обычно проводят электричество:

1. Металлы: Большинство металлов, таких как медь, алюминий, серебро и золото, являются хорошими проводниками электричества.
2. Полуметаллы: Некоторые полуметаллы, также известные как металлоиды, такие как кремний и германий, также могут проводить электричество, но не так хорошо, как металлы.
3. Электролиты: Некоторые элементы, такие как натрий, калий и кальций, являются электролитами и могут проводить электричество, когда они растворены в воде или других растворителях.

Электропроводность металлов

Обычно, когда мы говорим об электропроводности, первыми на ум приходят металлы. Металлы считаются хорошими проводниками электричества из-за наличия в них свободных электронов.

Однако существуют некоторые элементы, отличные от металлов, обладающие электропроводностью. Ниже приведены детали элементов, которые могут проводить электричество.

Читайте также

Как найти электропроводность элементов?

Что такое электрохимия

Какие группы периодической таблицы являются хорошими проводниками электричества ?

Элементы, которые обычно являются хорошими проводниками электричества, принадлежат к следующим группам периодической таблицы:

1. Группа 1: Щелочные металлы, такие как литий, натрий и калий, обладают высокой электропроводностью.
2. Группа 2: Щелочноземельные металлы, такие как бериллий, магний и кальций, также являются хорошими проводниками.
3. Группы 3-12: Переходные металлы, к которым относятся такие элементы, как медь, серебро и золото, обычно являются хорошими проводниками электричества.
4. Группа 13: Элементы группы 13, включая алюминий, галлий и индий, также являются хорошими проводниками.
5. Группа 14: Элементы группы 14, к которым относятся кремний и германий, являются полуметаллами и не являются такими хорошими проводниками, как металлы, но они все же могут до некоторой степени проводить электричество.

Причина электропроводности в периодической таблице

Существует тесная связь между свободными электронами и электропроводностью. Свойство электропроводности в основном связано с наличием относительно большого количества электронов на самой внешней оболочке элементов. Более того, эти электроны должны чувствовать себя легко для движения в своей решетке.

Периодическая таблица тренда электропроводности

• Элементы групп I-A и II-A уменьшают свою электропроводность сверху вниз в группе.
• Элементы группы I-B, т. е. Cu, Ag, Au, называются чеканными металлами. Они имеют более высокие значения электропроводности,
• Элементы групп VI-A и VII-A, то есть члены семейства кислорода и галогена, обладают очень низкой электропроводностью.

Тенденции электропроводности в периодической таблице

Электропроводность переходных элементов

Элементы ряда переходных металлов демонстрируют резкие изменения электропроводности.

Однако, когда мы идем слева направо в периодической таблице, это указывает на интересную корреляцию. Это находится между электрической проводимостью переходных элементов и способностью валентного электрона образовывать ковалентные связи внутри элементов.

Причины высокой электропроводности групп I-A, II-A и III-A

Атомы этих элементов содержат ряд свободных валентных электронов. Следовательно, они обладают способностью перемещаться в кристаллической структуре. Они не могут обеспечить электронную конфигурацию с закрытой оболочкой даже при взаимном совместном использовании. По этой причине они показывают электропроводность.

Причины низкой проводимости элементов группы V-A, VI-A и VII-A

В этих элементах движение валентных электронов обычно ограничено, поскольку они спариваются для достижения конфигурации с близкой оболочкой. Они образуют ковалентные молекулы. Величина электропроводности этих элементов очень низкая.

 Электропроводность элементов группы IV-A

 Элементы группы IV-A, т.е. C, Si, Ge, Sn, Pb, имеют промежуточный характер в отношении электропроводности.

• Углерод в форме алмаза не является проводником, потому что все его валентные электроны связаны тетраэдрически и не могут свободно двигаться.
• Углерод в виде графита проявляет свойство электропроводности. В любом случае он демонстрирует анизотропное поведение. Электрический ток может проходить параллельно листам. На самом деле свободно удерживаемые электроны доступны параллельно листам для электропроводности.
• Низкие элементы группы IV-A, такие как Sn и Pb, также плохо проводят электричество. Их электропроводность очень близка к элементам группы I-A.

Значения электропроводности элементов периодической таблицы Значения электропроводности элементов периодической таблицы

Часто задаваемые вопросы

Какие элементы являются проводящими?

Проводящие элементы — это элементы, способные проводить электрический ток. Эти элементы будут передавать электрический заряд из одного места в другое. Итак, это элементы, которые являются проводящими.

Почему электрическая проводимость увеличивается вниз по группе?

Электропроводность увеличивается вниз по группе из-за увеличения размера числа электронов атомов. Кроме того, с увеличением размера атома электроны испытывают меньшее ядерное притяжение и имеют тенденцию становиться слабо связанными. Поэтому электрическая проводимость увеличивается вниз по группе.

Почему металлы обладают электропроводностью?

Атомы металлов имеют больший атомный размер. Металлы имеют свободно присоединенные электроны на самых внешних оболочках. Следовательно, эти электроны переносят электрический ток и, следовательно, металлы являются проводящими.

Что делает металл проводящим?

Металлы являются хорошими проводниками электричества, потому что они имеют высокую концентрацию свободных электронов, которые могут свободно перемещаться через структуру решетки металла. В металле валентные электроны, которые являются самыми внешними электронами в атомах, не связаны прочно с конкретным атомом, а способны перемещаться по всему металлу. Это позволяет им легко проходить через металл при приложении электрического поля, что приводит к способности металла проводить электричество.

Что определяет проводимость элемента ?

Проводимость элемента определяется способностью его электронов свободно перемещаться через элемент. На легкость, с которой могут двигаться электроны, влияет кристаллическая структура элемента и сила сил, удерживающих атомы вместе.

Сообщите об этом другим

Проводимость металлов › Gutekunst Formfedern GmbH

Каждый материал имеет определенную проводимость. Так называемые диэлектрики, электроизоляционные материалы и изоляторы также проводят электричество, хотя и в ничтожных количествах. Без Metals все выглядит иначе. Большинство металлов являются хорошими проводниками. Ваша проводимость зависит от наличия и плотности подвижных носителей заряда. Проще говоря: чем больше в металле свободно подвижных носителей заряда, тем лучше он проводит электрический ток.

Использование проводящих металлов

Мы знаем два разных применения электричества: передача энергии и информации. В обоих случаях есть одна общая черта: вам нужны электрические проводники с определенной формой и индивидуальными свойствами. Обычно для этого используются контактные пружины, которые доступны в почти бесконечном количестве вариантов и дизайнов. Они шунтируют и закрывают точки контакта, чтобы обеспечить прохождение электричества, например, с одним контактом батареи.

Gutekunst Formfedern GmbH специализируется на производстве таких отдельных контактных пружин и изготавливает их любой специальной формы и с любыми свойствами. Неважно, простой ли это плоский контакт или контакт сложной формы. Контактная пружина действует – важно, чтобы элемент был оптимально адаптирован к требованиям и плотно прилегал к точкам контакта.

Электропроводность различных металлов

Спецификация физического размера «электропроводность металлов» имеет символ сигма (σ) и измеряется в Сименсах на метр (См/м). Его обратное значение, удельное сопротивление Ω (омега), выражается в микроомах на метр (м).

Формула электропроводности определяется как константа пропорциональности между плотностью тока и напряженностью электрического поля:

Электропроводность и удельное сопротивление отдельных металлов при температуре от 20 до 25 °C

Внимание : Степень чистоты металлов может влиять на электропроводность.
материал	Проводимость σ в См/м	Сопротивление, Ом, м
серебро	61 · 10 6-й	0,0160 х 10 -6
медь	58 · 10 6-й	0,0175 х 10 -6
золото	45 · 10 6-й	0,0220 х 10 -6
алюминий	37 · 10 6-й	0,0270 х 10 -6
вольфрам	19 · 10 6-й	0,0550 х 10 -6
железо	10 · 10 6-й	0,1000 х 10 -6
Эдельшталь	1,4 x 10 6-й	1,0000 10 -6

Серебро, медь и золото делят пьедестал победителей. алюминий имеет проводимость около 65 процентов от проводимости меди, поэтому он является хорошим электрическим проводником, но занимает только четвертое место. Нижняя часть стола с самой низкой проводимостью выполнена из нержавеющей стали.

Контактные пружины из медно-бериллиевого сплава (CuBe)

Из-за высокой цены серебро и золото редко используются в качестве сырья для контактных пружин. Часто они изготавливаются вместо медно-бериллиевых (CuBe). Это характеризуется высокой прочностью и отличными пружинящими свойствами. Материал также является самоочищающимся и устойчивым к воздуху, озону, растворителям и ультрафиолетовому излучению. Он может выдержать даже ядерное излучение. Кроме того, CuBe является тепло- и электропроводным.

Контактные пружины из других металлов

В дополнение к медно-бериллиевым (CuBe) банкам Контактные пружины В зависимости от применения и свойств, также производятся многочисленные другие металлы. Пружинная сталь (EN 10270-1), нержавеющая сталь (1.4310, 1.4571 и 1.4568), алюминий (Al, AlMg3 и S235JR), сплавы цветных металлов, такие как бронза (CuSn) или латунь (CuZn), а также многочисленные специальные сплавы возможны.

Для улучшения проводимости Gutekunst может использовать поверхности Покрытие изготовленных компонентов цинком (Zn), медью (Cu), никелем (Ni), серебром (Ag) или золотом (Au) или пассивировать пружины. Это улучшает контакт и упрощает обработку компонентов. Разные покрытия придают им разные свойства. С золотом, например, можно добиться устойчивости к большинству кислот и очень хорошей защиты поверхности. Если пользователю нужен компонент, который можно хорошо и надежно сваривать или паять, правильным выбором будут покрытия цинком или золотом.

Индивидуальная разработка и производство

Вам нужен подходящий пружинный контакт или один специальный аккумуляторный контакт для вашего приложения? Затем отправьте свои данные CAD, чертеж или эскиз, а также информацию о ситуации установки, рабочей среде и желаемой функции через следующие контактные пружины кнопки запроса или по адресу info@gutekunst-formfedern.