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.
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.
Существует классическая теория, включающая такие принципы:
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.
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.
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:
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.
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%.
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.
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:
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.
