Электрические свойства и параметры проводниковых материалов

К основным электрическим характеристикам проводниковых материалов, характеризующим их свойства, можно отнести удельную электропроводность, удельное электрическое сопротивление, контактную разность потенциалов, термоэлектродвижущую силу (термоЭДС), работу выхода электронов из металла.

Удельная электропроводность σ имеет размерность сименс на метр (См/м). Величина, обратная σ, называется удельным электрическим сопротивлением (часто – удельным сопротивлением) и характеризует способность материала препятствовать перемещению свободных носителей, обозначается ρ:

ρ = Ом*м. В различных областях техники удельное электрическое сопротивление измеряют в разных размерностях, находящихся в соотношении: 1Ом*м =

= 10⁶мкОм*м = 10⁶Ом*мм²/м.

Значение удельного сопротивления чистых металлов с идеальной структурой кристалла при температуре абсолютного нуля примерно одинаково и составляет ~ 0,004 Ом*м. Примеси, дефекты кристаллического строения увеличивают удельное сопротивление ρ. Особенно резко оно возрастает в сплавах со структурой твердого раствора. Второй компонент сплава можно рассматривать как примесь, растворенную в решетке первого компонента (рисунок 14) и являющейся дополнительным центром рассеяния. Увеличение удельного сопротивления с увеличением примесей характерно для всех сплавов (рисунок 17).

Характерная для проводниковых металлических материалов зависимость удельного сопротивления от температуры приведена на рисунке 29.

При температурах, превышающих температуру Дебая Ө, (до температуры Дебая, то есть при Т< Ө , справедливы законы квантовой физики, при Т> Ө справедливы законы статистической физики) удельное сопротивление возрастает линейно и обусловлено, в основном, усилением тепловых колебаний решетки. Это уменьшает среднюю длину свободного пробега носителей, их подвижность. В области низких (криогенных) температур (Т< Ө) значение ρ почти не зависит от температуры и определяется в основном его составляющей ρ_ост.

Влияние температуры на величину удельного сопротивления материала проводника в диапазоне практических рабочих температур (от ~ -60^оС до +200^оС)

характеризуют температурным коэффициентом удельного сопротивления ТКρ или a_ρ (^оК^-1), равным:

a_ρ = (ρ₁- ρ_о)/[ρ_о*(T₁-T_o)],

где ρ_о – удельное сопротивление при температуре Т_о (обычно принимают начальную температуру Т_о = 20^оС); ρ₁ – то же при температуре Т₁.

При известном значении a_ρ можно достаточно точно определить удельное сопротивление ρ_t для любой температуры из выражения:

ρ_t = ρ_ост [1+a_ρ(T₂ – T_o)],

где ρ_ост - удельное сопротивление при комнатной температуре; Т₂ – значение температуры, для которой находится ρ_t. Значение a_ρ приводятся в литературе [6, 9, 10]. Отметим, что значения a_ρ для большинства сплавов значительно меньше(10^-4…10^{-6 о}К^-1), чем его значения для чистых металлов (~ 4*10^{-3 о}К^-1).

Между двумя проводниками, одни концы которых соединены пайкой или сваркой и образуют «горячий» спай и находятся при температуре Т_г, а другие подключены к измерительному прибору, и образуют «холодный» спай при температуре Т_х (рисунок 30) возникает контактная разность потенциалов, обусловленная разностью значений работы выхода электронов из различных металлов.

Если температуры Т_r и Т_х разные, то между проводниками возникает термоЭДС, U_ТЭДС, пропорциональная разности температур:

U_ТЭДС = С*( Т_r - Т_х),

где С – коэффициент ТЭДС, характеризующий данную пару материалов, в размерности мкВ/^оК.

Такие два изолированных проводника называют термопарой и используют для измерения температуры.