Питомий електричний опір і провідність

Більшість законів фізики засноване на експериментах. Імена експериментаторів увічнені в назвах цих законів. Одним з них був Георг Ом.

Досліди Георга Ома

Він встановив в ході експериментів із взаємодії електрики з різними речовинами, в тому числі металами фундаментальну взаємозв`язок щільності електричного струму, напруженості електричного поля і властивості речовини, яке отримало назву «питома провідність». Формула, що відповідає цій закономірності, названа як «Закон Ома» виглядає наступним чином:

j = E, в якій

• j - щільність електричного струму;
• - питома провідність, що іменується також як «електропровідність»;
• E - напруженість електричного поля.

У деяких випадках для позначення питомої провідності використовується інша буква грецького алфавіту - . Питома провідність залежить від деяких параметрів речовини. На її величину впливають температура, речовини, тиск, якщо це газ, і найголовніше структура цієї речовини. Закон Ома дотримується тільки для однорідних речовин.

Для більш зручних розрахунків використовується величина зворотна питомої провідності. Вона отримала назву «питомий опір», що так само пов`язане з властивостями речовини, в якому тече електричний струм, позначається грецькою буквою і має розмірність Ом * м. Але оскільки для різних фізичних явищ застосовуються різні теоретичні обгрунтування, для питомого опору можуть бути використані альтернативні формули. Вони є відображенням класичної електронної теорії металів, а також квантової теорії.

формули

У цих утомливих, для простих читачів, формулах з`являються такі множники, як постійна Больцмана, постійна Авогадро і постійна Планка. Ці постійні застосовуються для розрахунків, які враховують вільний пробіг електронів в провіднику, їх швидкість при тепловому русі, ступінь іонізації, концентрацію і щільність речовини. Словом, все досить складно для не фахівця. Щоб не бути голослівним далі можна ознайомитися з тим, як все виглядає насправді:

особливості металів

Оскільки рух електронів залежить від однорідності речовини, ток в металевому провіднику тече відповідно його структурі, яка впливає на розподіл електронів в провіднику з урахуванням його неоднорідності. Вона визначається не тільки присутністю включень домішок, але і фізичними дефектами - тріщинами, порожнинами і т.п. Неоднорідність провідника збільшує його питомий опір, яке визначається правилом Маттісена.

Це нескладне для розуміння правило, по суті, говорить про те, що в провіднику з струмом можна виділити кілька окремих питомих опорів. А результуючим значенням буде їх сума. Складовою будуть питомий опору кристалічної решітки металу, домішок і дефектів провідника. Оскільки цей параметр залежить від природи речовини, для обчислення його визначені відповідні закономірності, в тому числі і для змішаних речовин.

Незважаючи на те, що сплави це теж метали, вони розглядаються як розчини з хаотичною структурою, причому для обчислення питомого опору має значення, які саме метали входять до складу сплаву. В основному більшість сплавів з двох компонентів, які не належать до перехідних, а також до рідкоземельних металів потрапляють під опис законом Нодгейма.

Як окрема тема розглядається питомий опір металевих тонких плівок. Те, що його величина повинна бути більше ніж у об`ємного провідника з такого ж металу цілком логічно припустити. Але при цьому для плівки вводиться спеціальна емпірична формула Фукса, яка описує взаємозалежність питомого опору і товщини плівки. Виявляється, в плівках метали проявляють властивості напівпровідників.

А на процес перенесення зарядів впливають електрони, які переміщаються в напрямку товщини плівки і заважають переміщенню «поздовжніх» зарядів. При цьому вони відбиваються від поверхні плівкового провідника, і таким чином один електрон досить довго робить коливання між його двома поверхнями. Іншим суттєвим фактором збільшення питомої опору є температура провідника. Чим вище температура - тим опір більше. І навпаки, чим нижче температура, тим опір менше.

Метали є речовинами з найменшим питомим опором при так званій «кімнатної» температурі. Єдиним неметаллом, який виправдовує своє застосування як провідник, є вуглець. Графіт, що є однією з його різновидів, широко використовується для виготовлення ковзних контактів. Він має дуже вдале поєднання таких властивостей як питомий опір і коефіцієнт тертя ковзання. Тому графіт є незамінним матеріалом для щіток електродвигунів та інших ковзають контактів. Величини питомих опорів основних речовин, що використовуються для промислових цілей, наведені в таблиці далі.

надпровідність

При температурах відповідних зрідження газів, тобто аж до температури рідкого гелію, яка дорівнює - 273 градуси за Цельсієм питомий опір зменшується майже до повного зникнення. І не тільки у хороших металевих провідників, таких як срібло, мідь і алюміній. Практично у всіх металів. При таких умовах, які називаються надпровідністю, структура металу не має гальмуючих дій на рух зарядів під дією електричного поля. Тому ртуть і більшість металів стають сверхпроводниками.

Але, як з`ясувалося, відносно недавно в 80-х роках 20-го століття, деякі різновиди кераміки теж здатні до надпровідності. Причому для цього не треба використовувати рідкий гелій. Такі матеріали назвали високотемпературними надпровідниками. Однак уже пройшло кілька десятків років, і асортимент високотемпературних провідників суттєво розширився. Але масового використання таких високотемпературних надпровідних елементів не спостерігається. У деяких країнах зроблені поодинокі інсталяції з заміною звичайних мідних провідників на високотемпературні надпровідники. Для підтримки нормального режиму високотемпературної надпровідності необхідний рідкий азот. А це виходить занадто дорогим технічним рішенням.

Тому, мале значення питомої опору, дароване Природою міді і алюмінію, як і раніше робить їх незамінними матеріалами для виготовлення різноманітних провідників електричного струму.