Зависимость проводимости от состава и внешних условий

Прохождение электрического тока в металлических проводниках обусловлено упорядоченным движением – дрейфом электронов проводимости под действием внешнего электрического поля. Количественно это явление описывается законом Ома.

Согласно закону Ома (дифференциальной форме) плотность тока пропорциональна напряжённости поля. У всех металлов величину средней скорости ѵ теплового движения можно считать постоянной. Концентрация n электронов проводимости, как и скорость мало зависит от природы металла. Поэтому удельная электропроводность металлических проводников зависит в основном от средней длинны свободного пробега электрона λ, величина которой существенно влияет на подвижность α электронов: чем меньше λ, тем меньше α. Величина λ в свою очередь зависит от степени деформации кристаллической решётки металлического проводника. Дефекты размерами больше 5/4А производят значительное рассеяние электронов и уменьшают их подвижность, удельное электрическое сопротивление увеличивается. Дефекты меньше 5/4А не вызывают заметного рассеяния электронных волн. Следовательно – чем больше таких дефектов, тем выше сопротивление проводника.

                         Удельное электрическое сопротивление

Влияние примеси на удельное сопротивление

Чистые отожжённые металлы имеют менее деформированную кристаллическую решётку, поэтому для них характерны большие значения λ, следовательно малая величина p. Примеси растворённые в металлах, деформируют кристаллическую решётку и вызывают большие изменения удельного сопротивления. Отсюда p металлов, содержащих растворённую примесь, всегда выше, чем p чистых металлов. При малых концентрациях растворённой примеси удельное сопротивление металлов в зависимости от концентраций примеси увеличивается практически линейно. При больших концентрациях растворённой примеси удельное сопротивление металлов изменяется линейно или нелинейно. Это зависит от соотношения физико-химических параметров металла и растворённой примеси.

Удельное сопротивление металлических сплавов

У металлических сплавов удельное сопротивление зависит не только от концентрации компонентов, образующих данный сплав, но и от типа образовавшегося сплава. В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов друг с другом (от соотношения размеров их атомов и электрохимических констант) могут образовываться следующие основные типы сплавов: гетерогенные структуры ( механические смеси), твёрдые растворы с неограниченной или ограниченной растворимостью компонентов друг в друге в твёрдом состоянии, химические ( интерметаллические) соединения.

Влияние деформации на удельное сопротивление

Большое влияние на удельное сопротивление и механические свойства оказывают дефекты кристаллической решётки, возникшие при холодной обработке металлов. В результате пластической деформации, вызванной холодной обработкой, возрастает деформация кристаллической решетки и увеличиваются в ней дефекты: возрастает плотность дислокаций и концентрация вакансий, что приводит к улучшению механических свойств – увеличивается твёрдость и предел прочности на разрыв. Удельное сопротивление при этом также увеличивается. При рекристаллизационном отжиге металлов концентрация дефектов уменьшаться, а удельное сопротивление при этом может понизиться до первоначального значения. Одновременно понизиться твёрдость и предел прочности на разрыв. При упругой деформации удельное сопротивление металлов может как увеличиться, так и уменьшиться.

Влияние температуры на удельное сопротивление

  Концентрация n электронов проводимости в металлических проводниках от температуры не зависит, однако от температуры зависит их подвижность. С увеличением температуры возрастают тепловые колебания узлов кристаллической решётки и создаются большие препятствия на пути дрейфа электронов, что приводит к снижению их подвижности, в результате удельная электропроводность уменьшается. Величина, на которую изменится удельное сопротивление проводника при изменении

его температуры на 1К, называется температурным коэффициентом удельного сопротивления (TKp.). У сплавов, образующих твёрдые растворы, ТКр имеет минимальное значение, и в ряду случаев практически равен нулю, что объясняется сильной деформированностью кристаллической решётки, которая при нагревании практически дополнительно не деформируется или деформируется очень мало. Поэтому   λ, и следовательно р, изменяются незначительно или не изменяются вовсе. Это свойство используется для получения термически высокостабильных образцовых проволочных резисторов на основе сплавов образующих твёрдые растворы. Благодаря тому, что у чистых металлов относительно высокий ТКр, их используют в качестве термосопротивлений, в системах измерения и регулирования температуры.

Влияние размеров проводника на удельное сопротивление

В металлических проводниках в виде тонких плёнок, фольги или проволок образуется мелкозернистая структура. Чем меньше зерно, тем больше суммарная удельная поверхность зёрен. Наиболее дефектной частью зерна является его поверхность. С уменьшением размера зерна увеличивается дефектность структуры металла, следовательно, возрастает его удельное сопротивление р. Увеличение удельного сопротивления объясняется тем, что при кристаллизации металла на подложке в образовавшейся мелкозернистой появляются многочисленные дефекты в виде вакансий, дислокаций, межблочных и межзёренных границ, пор и др. В результате уменьшается средняя длинна свободного пробега электрона λ и р возрастает.

Термоэлектронная эмиссия – это испускание электронов нагретыми металлами.

  Автоэлектронная эмиссия – туннельное просачивание электронов через потенциальный барьер вследствие его уменьшения из-за высокой напряжённости при комнатной температуре.