Основні властивості провідникових матеріалів.
До найважливіших параметрів, що характеризують властивості провідникових матеріалів, належать:
питома провідність g або обернена їй величина – питомий опір r;
температурний коефіцієнт питомого опору (ТК r) або ap ;
теплопровідність gГ ;
контактна різниця потенціалів і термоелектрорушійна сила (термо-е.р.с.);
робота виходу електронів з металу;
межа міцності при розтяганні sp і відносне подовження при розриві Dl/l.
Питома провідність і питомий опір провідників. Зв’язок щільності струму J, А/м2 і напруженості електричного поля Е, В/м у провіднику визначається за формулою:
де g, См/м – питома провідність провідникового матеріалу.
Відповідно до закону Ома g не залежить від напруженості електричного поля Е при зміні останньої в досить широких межах. Величина r = 1/g називається питомим опором провідника, що має опір R, довжину l, з постійним перерізом S і обчислюється за формулою:
Температурний коефіцієнт питомого опору металів. Число носіїв заряду (концентрація вільних електронів) у металевому провіднику при підвищенні температури залишається практично незмінним. Однак, внаслідок посилення коливань вузлів кристалічних ґраток з ростом температури, з’являється більше завад на шляху спрямованого руху вільних електронів під дією електричного поля, тобто зменшується середня довжина вільного пробігу електрона l, зменшується рухливість електронів і, як наслідок, зменшується питома провідність металів і зростає питомий опір. Тобто, температурний коефіцієнт питомого опору металів (К-1) позитивний.
Теплопровідність металів. Передача тепла через метал відбувається вільними електронами, що визначають і електропровідність металів, кількість яких в одиниці об’єму металу досить велика. Тому, як правило, теплопровідність gт металів набагато більша, ніж теплопровідність діелектриків. Очевидно, що за інших рівних умов, чим більша питома електрична провідність g металу, тим більша повинна бути і його теплопровідність. При підвищенні температури, коли рухливість електронів у металі та, відповідно, його питома провідність g зменшуються, відношення теплопровідності металу до його питомої провідності gт/g повинно зростати. Математично це виражається законом Відемана–Франца–Лоренца:
де Т – абсолютна температура, К; Lo – число Лоренца, що дорівнює:
Термоелектрорушійна сила. При спаюванні двох різних металевих провідників між ними виникає контактна різниця потенціалів. Причина її появи полягає в розходженні значень роботи виходу електронів з різних металів, а також різної концентрації електронів в місті контакту. З електронної теорії металів контактна різниця потенціалів між металами А і В визначається за формулою:
де UА, UВ – потенціали з’єднаних металів; nA , nB – концентрації електронів у металах А и В; k, е, – стала Больцмана і заряд електрона.
Якщо температури «спаїв» однакові, то сума різниць потенціалів у замкнутому ланцюзі дорівнює нулеві. Коли один зі спаїв має температуру Т1 а інший – температуру Т2 , між спаями виникає термоелектрорушійна сила:
З формули (8.6) видно, що термо-е.р.с. пропорційна різниці температур спаїв.
Температурний коефіцієнт лінійного розширення провідників. При виготовленні елементів конструкцій часто використовують матеріали з різними значеннями температурних коефіцієнтів лінійного розширення, наприклад, метал–скло або метал–кераміка та інші. При зміні температури може виникнути порушення щільності з’єднань і навіть розтріскування скла або кераміки. Тому при підборі матеріалів необхідно добиватись максимально близьких значень їх коефіцієнтів лінійного розширення. Він також використовується і для розрахунку температурного коефіцієнта електричного опору провідникових матеріалів:
Механічні властивості провідників. Вони характеризуються межею міцності при розтягуванні sр і відносним видовженням при розриві Dl/l, а також крихкістю, твердістю та ін. Механічні властивості металевих провідників великою мірою залежать від механічної та термічної обробок, від наявності легувальних домішок, температури плавлення й кипіння, питомої теплоємності та іншого.