9001:2015
14001:2015
ISO 45001
Работаем по всей России
+7 (495) 138-25-25
  1. Главная
  2. Новости
  3. Электропроводность металлов: что это, как её используют в производстве, от каких факторов зависит

Электропроводность металлов: что это, как её используют в производстве, от каких факторов зависит

6.3.2023

Электропроводность металлов является возможностью пропускать ток. Также это свойство, определяющее возникновение электротока под действием электрического поля.

Все металлы обладают разной проводимостью тока. И её обязательно нужно учитывать при обработке, при выпуске изделий. Расскажем, какой она бывает, на что влияет, а также от чего зависит.

О природе

Электрическая проводимость металлов — их способность пропускать ток. Также термин показывает физическую величину для количественного определения.

Удельная электропроводность — мера, показывающая способность чего-либо пропускать через себя ток. В изотропном (одинаковым во всех направлениях) линейном веществе это коэффициент пропорциональности между плотностью появляющегося тока и напряжённостью электрического поля. Таков закон Ома.

Характеристика зависима от содержащихся в проводнике свободных ионов. При их перемещениях и возникает ток. Измеряется этот показатель в особых единицах — сименсах. Обозначение — буква латинского алфавита «S».

Есть разделение на диэлектрики, полупроводники, проводники. В последних много свободных ионов. В этой группе есть два рода, различающиеся по особенностям протекания электротока. Для первого характерна электронная проводимость металлов. В её основе — свободный электрон. Эти заряженные отрицательно частицы передвигаются. Благодаря этому ток может проходить.

К следующему роду относятся электролиты с ионной проводимостью, а также солевые, кислотные, щелочные растворы. В них всё объясняется перемещениями, совершаемыми разнозаряженными ионами. У всех проводников показатель больше 106 (Ом*м)-1.

В диэлектриках ионов свободного типа меньше всего, поэтому пропускать сквозь себя ток они практически не могут. Это стекло, пластики, древесина, смолы.

Место полупроводников — промежуточное. Это металлоиды (полуметаллы), неметаллы, например: германий, селен, кремний.

Положения теории

Существует классическая теория, включающая такие принципы:

  • Свободные электроны в больших количествах обусловливают высокий уровень электропроводимости.

  • Электроток формируется из-за воздействия, при котором неупорядоченное движение электронов меняется на другое — структурированное, последовательное.

  • Сила перемещающегося тока вычисляется по положениям закона Ома.

  • Различающееся сопротивление объяснено численной разницей элементарных частиц.

  • Электроток формируется моментально, когда электроны начинают подвергаться воздействию.

  • Когда прибавляется температура в структуре, степень сопротивления становится больше.

2-й пункт — основа. Когда состояние спокойное, свободные электроны без упорядоченности перемещаются около ядра. В это время заряд не создаётся. Но когда подключается источник извне, хаотично движущиеся субатомные частицы сразу же выстраиваются структурированно. Они перемещаются уже в упорядоченной определённой последовательности, превращаются в токовые носители.

Какие металлы электропроводные

Изучая физические свойства металлов, можно выделить удельный вес, плавкость, теплопроводность, цвет, электропроводность. Последняя свойственна всем химическим элементам этой категории. Нет диэлектрического металла. Это обусловливается строением с располагающимися в его узлах ионами со знаком +. В пространствах между последними передвигаются свободные электроны. Они лишены связей с ядрами атомов.

Токопроводящие — чёрные металлы, благородные, цветные. Причём чистые способны пропускать электроток лучше, нежели сплавы. Причина — примеси, вклинивающиеся в изначальную кристаллическую решётку и нарушающие её правильную структурированность.

Сопротивление

Электрическое сопротивление определяет способность проводников препятствовать ходу электротока. Это отношение напряжения на конечных участках тела к силе проходящего в нём тока. Оно относится к закону Ома, измеряют её в омах (общепринятое сокращение — Ом).

Электрическое сопротивление (ЭС) и удельное (УС) — неодинаковые понятия. Первое характеризует объект, а второе описывает непосредственно материал. К примеру, на ЭС резистора, являющегося частью цепи, влияют его конфигурация и УС того материала, из которого компонент выполнен. У проволочного длинного резистора небольшой толщины сопротивление больше, чем у утолщённой, укороченной металлической проволоки.

Сравнивая два резистора с идентичными показателями диаметра и длины, можно сделать вывод: большее электрическое сопротивление имеет элемент из материала, обладающего увеличенным УС. Действует принцип, актуальный для прокачки воды по гидравлическим системам:

  • Чем труба тоньше, длиннее, тем выше сопротивление для протекающей жидкости.

  • Сопротивление воды в пустой трубе менее значительное, чем при заполнении песком.

Рассматриваемая проводимость тока противопоставляется в физике удельному сопротивлению. Действует формула:

σ= 1/ρ

где σ (сигма) обозначена электропроводность, а ρ — удельное сопротивление.

На проводимость электрического тока влияние оказывают свойства, характерные для носителей зарядов. В металлической структуре есть свободные электроны — до 3-х на оболочке. При протекании химических реакций с участием представителей правой части таблицы Менделеева атомы отдают свои элементарные частицы. Но электропроводность металлов чистых с другими особенностями. Расположенные снаружи электроны в их решётке общие. Заряды ими переносятся под влиянием электрического поля. В растворах функции носителей выполняют ионы.

Степени электропроводности

Вклад в формирование и последующее продвижение электронной теории проводимости внёс Пауль Друдде. Этот физик немецкого происхождения проводил исследования, в ходе которых было обнаружено сопротивление, возникающее при пропускании через проводник электротока. Труды Друдде помогли поделить вещества на категории с учётом их проводимости.

Деление нужно, например, для подбора оболочки кабеля с определёнными характеристиками. Если сделать неправильный выбор, превышенное напряжение может спровоцировать перегрев, чреватый возгоранием.

Металлы обладают электропроводностью, которая порой отличается в разы. Она указана в специальной таблице. В перечень веществ с самой высокой электропроводностью входят серебро, медь, золото.

В список десяти химических элементов с хорошей способностью вошли платина, алюминий, свинец, вольфрам, никель, железо, нихром.

Металл с лучшей электропроводностью — это серебро с 6,8*107 (Ом*м)-1. Следом за ним идёт медь с показателем, равным 5,9*107 (Ом*м)-1. На третьей строчке в таблице — драгоценное золото. Его удельная проводимость электротока — 4,5*107 (Ом*м)-1.

Наименее электропроводные — плутоний, висмут, марганец. Их показатели в десятки и даже сотни раз меньше значений лучших проводников — серебра и меди. Диэлектриков среди этой группы химических элементов нет.

Хотя самым электропроводным считается серебро, использование для производства проводки бессмысленно и нерационально. Изготовление из него кабелей было бы дорогим, сложным.

Лучший проводник среди неблагородных цветных металлов — по праву медь. Она плавится при критических температурах, долго служит, не подвергается коррозии в обычных (неагрессивных) средах, выдерживает стабильно повышенные нагрузки. Это позволяет использовать медь для производств, в быту. Она способна сохранять первоначальные характеристики даже при длительном нагреве. Медные провода используют для организации электропередач, в том числе на промышленных предприятиях.

Также часто применяют алюминий с его 3,9*107 (Ом*м)-1. Но температура плавления вдвое ниже меди, поэтому допустимо использование только в электросетях с малым и средним напряжением. Предельное алюминий не выдерживает: при длительном, сильном нагревании он расплавляется.

Проводимость тока беспримесных металлов и сплавов различается. Первые обладают более высокой электропроводностью из-за структурированности решётки. Сплавы же содержат разнообразные примеси. И даже малые их концентрации нарушают правильность строения. Они вклиниваются в структурную сетку, частично сливаются с ней, меняя функционирование, перемещения электронов.

Для высокой проводимости кабели изготавливают из максимально чистых металлов. Например, медную проводку производят из материала, предельно допустимое количество добавок в котором составляет не более 0,1%. А некоторые разновидности кабелей требуют ещё более чистой меди с концентрацией до 0,05%.

Электропроводные металлы: почему они опасны

Наиболее токопроводящие — щелочные металлы. Их электроны не имеют постоянных, прочных связей с атомными ядрами, из-за чего они могут выстраиваться в нужной последовательности и, соответственно, обеспечивать беспрепятственный ход тока. Также щелочные металлы характеризуются невысокими температурами плавления. Она, сочетаясь с химической активностью, делает невозможным применение для производства кабелей.

Токопроводящие вещества в неизолированном виде очень опасны. Если прикоснуться к такому оголённому проводу, можно получить сильнейший токовый удар, ожог кожных покровов и мягких тканей. Разряд нарушает функционирование внутренних органов, а при большой силе может привести к летальному исходу.

Подобные металлы снаружи покрывают изоляцией. Она твёрдая, жидкая, газовая. Выбирается с учётом области применения. Любая защита, независимо от того, в каком состоянии она пребывает, должна надёжно изолировать электроток в цепи, не допуская его негативного действия.

Зависимость электропроводности от внешних факторов

Стандартные значения актуальны для стабильных условий внешней среды, для постоянной температуры, равной двадцати градусам Цельсия со знаком плюс. Но идеальные условия невозможно поддерживать в обычной жизни. Описываемая величина неодинаковая, нестабильная. Она зависит:

  • От температуры. При её увеличении проводимость уменьшается. При нагреве в кристаллической решётке происходят термические колебания ионов, из-за которых возникает препятствие для упорядоченных передвижений свободных электронов (они хаотичны, что увеличивает сопротивление).

  • От давления. С его увеличением, как правило, незначительно растёт электропроводность. При значении 1 тыс. атмосфер возрастание составляет не более 1%.

  • От освещённости. Световая энергия поглощается, провоцирует увеличение числа носителей заряда. Это повышает проводимость.

  • От магнитного поля. Проводимость никеля и железа, являющихся ферромагнетиками, растёт, если направление движения тока совпадает с силовыми линиями воздействующего магнитного поля.

  • От агрегатного состояния. Разжижение электропроводность повышает. Но далее основные характеристики могут меняться. Удельное сопротивление расплавленного никеля больше, чем при температурах нормальных. У разжиженной меди такой показатель растёт в десятки раз.

  • От вида обработки. После волочения, резания, прокатки кристаллическая решётка неизбежно повреждается, искажается. Возникающие в ней дефектные участки тормозят перемещающиеся электроны, поэтому проводимость тока уменьшается.

Как используется свойство

Металлические проводники различаются по способности проведения электротока. Это помогает отбирать их для организации электросетей. Именно из меди зачастую изготавливаются кабели для линий электропередач, провода оборудования и техники.

Электропроводность делает возможной транспортировку электричества от источника её генерации (например, электростанции) до потребителей. Также она применяется в функционировании электродвигателей, генераторов, устанавливаемых в разных приборах типа промышленных и бытовых нагревателей.

Почему важно знать данную характеристику? Она влияет на эксплуатацию материала. Его необходимо учитывать при выборе технологии металлообработки. Некоторые методы типа электродуговой сварки подходят не всегда.

Специалисты компании Profbau хорошо знают все нюансы обрабатываемых металлов, поэтому оказывают услуги профессионально и оперативно. Мы по невысоким ценам выполняем гибку, сварку, резку, рубку, гидроабразивную обработку, токарные, электроэрозионные, фрезерные и другие работы.

Profbau — предприятие полного цикла. Мы осуществляем мелкосерийное производство, выпуск крупных партий, изготовление образцов и нестандартных металлических деталей. Гарантируем отличное соотношение качества и цены, индивидуальный подход.

Вас могут заинтересовать услуги

Читайте также

Связаться с нами

Мы предлагаем высококачественную консультацию как во время, так и после завершения вашего проекта

Связаться с нами

Благодарим вас за проявленный интерес к нашим услугам. Наш менеджер свяжется с вами в течение 15 минут

В соответствии с положениями п. 1 ст. 1229 ГК РФ, исключительные права на все материалы, размещенные на сайте www.profbau.ru, принадлежат их правообладателям. Использование материалов размещенных на сайте возможно только с письменного согласия правообладателя. Любое неправомерное использование указанных материалов третьими лицами и/или организациями, а именно, копирование, цитирование, размещение на других сайтах без официального разрешения правообладателей влечет за собой ответственность, предусмотренную действующим законодательством РФ о защите исключительных прав.
© 2003-2023, ПрофБау ®. Все права защищены
Разработано