Лучшим проводником электрического тока является

Лучшие проводники электрического тока: характеристики веществ, пропускающих электричество

При использовании электроприборов человек постоянно сталкивается с веществами, которые являются проводниками, полупроводниками и диэлектриками, не проводящими ток. Эти материалы отличаются степенью электропроводности. Для того чтобы работать с бытовой техникой, необходимо знать все их особенности и характеристику. Выбрать лучший проводник электрического тока можно из металлов.

• Особенности понятия
• Первый и второй род
• Процессы в электропроводниках

Проводниками тока называют те вещества, в которых количество свободных электрических зарядов превышает число связанных. Они могут начинать двигаться под влиянием внешней силы. Состояние материалов может быть газообразным, твёрдым и жидким. Электричество может протекать по металлической проволоке, если её подключить между двумя проводниками с разными потенциалами.

Ток переносят электроны, не связанные между собой атомами. Именно они способны охарактеризовать способность предмета пропускать через себя электрические заряды, или величину проводимости тока. Её значение обратно пропорционально сопротивлению, она измеряется в сименсах: См = 1/Ом.

Основные носители электричества в природе — это ионы, дырки и электроны. Поэтому способность к проводимости делят на три вида:

• ионную;
• электронную;
• дырочную.

Приложенное напряжение даёт возможность оценить качество проводника. Эту способность вещества называют ещё вольт-амперной характеристикой.

Первый и второй род

После того как получилось разобраться с тем, что проводит электрический ток, нужно узнать особенности некоторых веществ. Проводники могут быть разными — металлическая проволока, морская вода. Но в них ток различается, поэтому вещества делят на две группы:

• первого рода, в которых электричество протекает по электронам;
• второй вид — на основе ионов.

К первым относят все металлы и углерод. Ко второму роду относят щелочи, кислоты, соляные расплавы — электролиты. В них ток представляет упорядоченное движение отрицательных и положительных ионов. Электричество в таких материалах протекает при любом показателе напряжения. В обычных условиях хороший проводник электрического тока — это изделие из золота, серебра, алюминия или меди.

Их двух последних материалов изготавливают кабели, отличающиеся низкой стоимостью. Качественное жидкое вещество, проводящее ток — ртуть, а также ток хорошо протекает через углерод. Но это вещество не обладает гибкостью, поэтому на практике его не применяют. Хотя физики недавно смогли представить углерод в форме графена, что позволило из его нитей изготавливать шнуры.

У графеновых изделий сопротивление такое, что оно является недопустимым для проводников. Их позволительно использовать только в нагревателях. В этом случае металлические провода из никеля и хрома проигрывают, так как они не могут выдержать очень высокую температуру. Спирали в лампах дневного света изготавливают из вольфрама. Этот материал способен накаливаться, так как вещество является тугоплавким.

Процессы в электропроводниках

Во время протекания электричества проводник попадает под определённое воздействие. Самое главное — это повышение температуры. А также выделяют некоторые химические реакции, которые могут изменить физические свойства вещества. Более всего такому влиянию подвергаются проводники второго рода. В них протекает химическая реакция, которую называют электролизом.

Ионы веществ около электрических полюсов получают необходимый заряд и восстанавливают исходное состояние, которое было у них до образования щелочи, кислоты или соли. С помощью электролиза химики и физики могут получать чистые химические вещества из природного сырья. Таким образом создают алюминий и другие виды металлов.

Вещества первого и второго рода участвуют в других процессах, кроме проводимости электричества. К примеру, во время взаимодействия кислоты со свинцом возникает химическая реакция, которая вызывает выделение тока. По такому принципу работают все аккумуляторы.

Проводники первой группы при контакте друг с другом могут изменяться. Медь и алюминий при эксплуатации нужно покрывать специальной оболочкой, иначе оба металла просто расплавятся. Влажный воздух приведёт к тому, что произойдёт электрохимическая реакция.

Поэтому проводники покрывают слоем лака или другого защитного материала.

Некоторые проводники не могут оказывать электричеству сопротивление при холодном воздухе. Такое явление называют сверхпроводимостью, которая соответствует значению температуры, близкой к химическому состоянию жидкого гелия. Но исследования привели к тому, что есть новые проводники с высокими показателями температуры.

Жидкость и газы, проводящие ток, используют реже твёрдых веществ. Но и они необходимы для изготовления современных электрических приборов.

Источник: https://220v.guru/elementy-elektriki/provodka/luchshie-provodniki-elektricheskogo-toka.html

Самый электропроводный металл в мире

Ценность металлов напрямую определяется их химическими и физическими свойствами. В случае с таким показателем, как электропроводимость, эта связь не так прямолинейна. Самый электропроводный металл, если измерять данный показатель при комнатной температуре (+20 °C), — серебро. Но высокая стоимость ограничивает применение деталей из серебра в электротехнике и микроэлектронике. Серебряные элементы в таких приборах применяются только в случае экономической целесообразности.

Физический смысл проводимости

Использование металлических проводников имеет давнишнюю историю. Ученые и инженеры, работающие в областях науки и техники, использующих электроэнергию, давно определились с материалами для проводов, клемм, контактов, печатных плат и т. д. Определить самый электропроводный металл в мире помогает физическая величина, называемая электрической проводимостью.

Понятие проводимости обратно электрическому сопротивлению. Количественное выражение проводимости связано с единицей сопротивления, которое в международной системе единиц (СИ) измеряется в Омах. Единица электрической проводимости в системе СИ – сименс. Русское обозначение этой единицы – См, интернациональное – S. Электрической проводимостью в 1 См обладает участок электрической сети с сопротивлением в 1 Ом.

Удельная проводимость

Мера способности вещества проводить электроток называется удельной электропроводностью. Самым высоким подобным показателем обладает самый электропроводный металл. Эта характеристика может быть определена для любого вещества или среды инструментально и имеет числовое выражение. Удельная электропроводность цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения связана с удельным сопротивлением данного проводника.

Системной единицей удельной проводимости является сименс на метр – См/м. Чтобы выяснить, какой из металлов самый электропроводный металл в мире, достаточно сравнить их удельную проводимость, определенную экспериментально. Можно определить удельное сопротивление при помощи специального прибора – микроомметра. Эти характеристики являются обратнозависимыми.

Проводимость металлов

Само понятие электрического тока как направленного потока заряженных частиц кажется более гармоничным для веществ, основанных на кристаллических решетках свойственных металлам. Носителями зарядов при возникновении электрического тока в металлах являются свободные электроны, а не ионы, как это бывает в жидких средах. Экспериментально установлено, что при возникновении тока в металлах не происходит переноса частиц вещества между проводниками.

Металлические вещества отличаются от других более свободными связями на атомарном уровне. Внутреннее устройство металлов отличается присутствием большого числа «одиноких» электронов. которые при малейшем воздействии электромагнитных сил образуют направленный поток.

Поэтому не зря именно металлы являются лучшими проводниками электрического тока, и именно такие молекулярные взаимодействия отличают самый электропроводный металл.

На особенностях структуры кристаллической решетки металлов основано еще одно их специфическое свойство — высокая теплопроводность.

Топ лучших проводников — металлов

4 металла, имеющие практическое значение для их применения в качестве электропроводников распределяются в следующем порядке относительно величины удельной проводимости, измеряемой в См/м:

1. Серебро — 62 500 000.
2. Медь – 59 500 000.
3. Золото – 45 500 000.
4. Алюминий — 38 000 000.

Видно, что самый электропроводный металл – серебро. Но подобно золоту, оно используется для организации электрической сети лишь в особых специфических случаях. Причина – высокая стоимость.

Зато медь и алюминий – самый распространенный вариант для электроприборов и кабельной продукции благодаря низкому сопротивлению электрическому току и ценовой доступности. Другие металлы применяются в качестве проводников редко.

Факторы, влияющие на проводимость металлов

Даже самый электропроводный металл снижает свою проводимость, если в нём присутствуют другие добавки и примеси. У сплавов иная, чем у «чистых» металлов, структура кристаллической решетки. Она отличается нарушением в симметрии, трещинами и другими дефектами. Снижается проводимость и при повышении температуры окружающей среды.

Повышенное сопротивление, присущее сплавам, находит применение в нагревательных элементах. Неслучайно для изготовления рабочих элементов электропечей, обогревателей применяют нихром, фехраль и другие сплавы.

Самый электропроводный металл — это драгоценное серебро, больше используемое ювелирами, для чеканки монет и т. д. Но и в технике и приборостроении его особые химические и физические свойства находят широкое применение. Например, кроме использования в узлах и агрегатах с пониженным сопротивлением, серебряное напыление предохраняет контактные группы от окисления. Уникальные свойства серебра и сплавов на его основе часто делают его применение оправданным, несмотря на высокую стоимость.

Источник: http://fb.ru/article/222201/samyiy-elektroprovodnyiy-metall-v-mire

Проводники и диэлектрики

> Теория > Проводники и диэлектрики

Понятия проводников и диэлектриков получили широкое распространение в связи с использованием электроэнергии. Их суть заключается в различном поведении в электрическом поле и в отношении переноса электрических зарядов. Если не рассматривать идеальные случаи, то граница между проводниками и диэлектриками несколько размыта. При определенных условиях вещество, являющееся проводником, может проявить свойства диэлектрика и наоборот.

Проводники и изоляторы

Проводники

К проводникам относятся вещества, которые способны оказывать наименьшее сопротивление протекающему току. Поскольку электрический ток, например, передаваемый по проводам, представляет собой движение заряженных частиц под действием электрического поля, то проводимость обеспечивается наличием достаточного их количества. Носителями могут выступать:

Если принять верхнюю границу удельного сопротивления проводников 10-5 Ом·м, то к ним относятся металлы, растворы солей, ионизированный газ (плазма).

Разряд плазмы в тиратроне

Большинство металлов являются хорошими проводниками. Наилучшим проводником является серебро.

Проводники электрического тока, у которых носителями заряда являются электроны, а это, в основном, твердые вещества, в том числе и металлы, относятся к проводникам первого рода. Те вещества, у которых проводимость обеспечивается при помощи ионов (растворы, плазма), относятся к проводникам второго рода.

Такой элемент, как углерод, имея разную структуру, проявляет двоякие свойства. Так, в виде графита или угля он является хорошим проводником, а алмаз – практически идеальным изолятором.

Проводимость большинства веществ сильно зависит от посторонних примесей. Самый простой пример – вода. В зависимости от степени очистки, удельное сопротивление воды может изменяться в десятки и сотни раз. Проводимость воды вызвана наличием ионов при электролитической диссоциации растворенных примесей. Очищенная вода (дистиллят) обладает свойствами диэлектрика.

Свойство воды изменять сопротивление в различных условиях следует учитывать при монтаже заземлителей, поскольку проводящие свойства грунта во многом зависят от наличия в нем влаги и солей.

Наоборот, те устройства, которые заземлились в неблагоприятных условиях: в засуху или мороз, при обычной погоде многократно повышают безопасность.

Заземление

Диэлектрики

В отличие от проводников, диэлектрики не проводят электроток, то есть являются изоляторами. Принято относить к диэлектрикам материалы, у которых удельное электрическое сопротивление составляет 108 Ом·м и выше.

Диэлектрики характеризуются большим количеством параметров, которые имеют различную степень важности, в зависимости от области применения. До начала развития электроники диэлектрики использовались, в подавляющем большинстве, в качестве изоляционных материалов. В данной области основным параметром диэлектриков являлось их удельное сопротивление, пробивное напряжение (электрическая прочность).

Остальные параметры относятся к физико-химическим свойствам:

• Плотность;
• Прочность;
• Температура плавления;
• Гигроскопичность.

Последний параметр важен тем, что наличие влаги в составе материала резко снижает удельное сопротивление и в определенных условиях может перенести хороший диэлектрик в область проводников (сухая древесина – влажная древесина).

Диэлектрические перчатки

Диэлектрики, работающие в цепях с высокочастотным током, классифицируются по:

• Диэлектрической проницаемости;
• Тангенсу угла потерь.

Данные характеристики являются основополагающими при изготовлении конденсаторов.

Ряд уникальных свойств присутствует только у диэлектриков и позволяет конструировать на их основе радиоэлектронные компоненты специального назначения. Это такие свойства, как:

• Пьезоэлектричество;
• Сегнетомагнетизм;
• Сегнетоэлектричество;
• Пироэлектричество;
• Электретность.

Пьезоэлектрический излучатель

Основное назначение диэлектриков, как изоляционных материалов – предохранение утечек тока и предотвращение несчастных случаев и аварий. Данные мероприятия зачастую дублируют, устанавливая заземляющие проводники, которые отводят нежелательный потенциал на корпусе аппаратуры на заземление.

Полупроводники

Данный класс веществ занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Полупроводники характеризуются сильной зависимостью проводимости от концентрации примесей, причем, в отличие от проводников, проводимость может иметь иную природу. Все зависит от того, каким образом атомы примесей встраиваются в кристаллическую решетку исходного вещества.

Если в металлах и жидкостях ток вызван движением свободных электронов или ионов, то в полупроводниках для высвобождения свободных электронов требуется некоторая энергия, поэтому при повышении температуры проводимость полупроводников увеличивается, а при понижении они начинают приобретать свойства диэлектриков.

Увеличение сопротивления объясняется отсутствием свободных носителей заряда при низких температурах. Еще одна особенность – наличие «дырочной проводимости». Дырка – это виртуальный положительный заряд, вызванный отсутствием электрона в оболочке атома. Электрон с соседней оболочки может занять это место, и тогда получится, что положительный заряд сместится на его место.

К полупроводниковым материалам неприменима формула сопротивления проводников.

К наиболее известным полупроводниковым материалам относятся кремний, германий, галлий, индий, селен. В настоящее время в основном только кремний и германий используются в чистом виде, а во многих областях электроники находят применение сложные полупроводники, которые представляют собой химические соединения: арсенид галлия, сульфид цинка и другие.

Монокристалл германия

Сверхпроводимость

Некоторые вещества, охлажденные до температуры вблизи абсолютного нуля, скачкообразно теряют свое сопротивление току, которое не просто уменьшается, а исчезает полностью. При этом длина проводника может иметь абсолютно любое значение, ограниченное только объемом охлаждающего сосуда.

Открытие данного явления положило начало изучению сверхпроводимости и путям его практического использования.

Основным препятствием широкому распространению сверхпроводящих материалов являются большие затраты на создание и поддержку низких температур в диапазоне единиц градусов Кельвина (температура жидкого гелия).

Высокотемпературные сверхпроводники нашли распространение при изготовлении мощных электромагнитов ускорителей частиц. Изготовление источников электромагнитного поля из традиционной меди затрудняется ввиду огромных токов, которые вызывают нагрев обмоток.

Сверхпроводящий материал, не имея сопротивления, не подвержен тепловому действию тока и может коммутировать любую мощность.

Для сверхпроводников характерен эффект Мейснера, который заключается в том, что линии внешнего магнитного поля выталкиваются за пределы сверхпроводника, и внутри его магнитное поле отсутствует.

Сверхпроводящий кабель

Как уже говорилось, проводники и диэлектрики не всегда имеют четкую границу между собой, поэтому для различных сфер применения оговариваются  пределы проводимости для отдельных веществ и материалов с учетом условий применения. Следует учитывать, что многие диэлектрики, оказывающие большое сопротивление постоянному току, могут работать совсем иначе, когда к ним приложено переменное напряжение.

Электрическое поле – это?

Источник: https://elquanta.ru/teoriya/provodniki-i-diehlektriki.html

Электрический ток

Электрический ток — направленное движение заряженных частиц в электрическом поле. Заряженными частицами могут являться электроны или ионы (заряженные атомы). Атом, потерявший один или несколько электронов, приобретает положительный заряд. — Анион (положительный ион).Атом, присоединивший один или несколько электронов, приобретает отрицательный заряд. — Катион (отрицательный ион).

Ионы в качестве подвижных заряженных частиц рассматриваются в жидкостях и газах. В металлах носителями заряда являются свободные электроны, как отрицательно заряженные частицы.

В полупроводниках рассматривают движение (перемещение) отрицательно заряженных электронов от одного атома к другому и, как результат, перемещение между атомами образовавшихся положительно заряженных вакантных мест — дырок.

За направление электрического тока условно принято направление движения положительных зарядов. Это правило было установлено задолго до изучения электрона и сохраняется до сих пор. Так же и напряжённость электрического поля определена для положительного пробного заряда.

На рисунке показано, что вектор силы F— = -qE, действующей на отрицательный заряд -q, направлен в сторону противоположную вектору напряжённости поля, как произведение вектора E на отрицательную величину. Следовательно, отрицательно заряженные электроны, которые являются носителями зарядов в металлических проводниках, в реальности имеют направление движения, противоположное вектору напряжённости поля и общепринятому направлению электрического тока.

Количество заряда Q = 1 Кулон, перемещённое через поперечное сечение проводника за время t = 1 секунда, определится величиной тока I = 1 Ампер из соотношения:

I = Q/t.

Отношение величины тока I = 1 Aмпер в проводнике к площади его поперечного сечения S = 1 m 2 определит плотность тока j = 1 A/m2:

j = I/S

Работа A = 1 Джоуль, затраченная на транспортировку заряда Q = 1 Кулон из точки 1 в точку 2 определит значение электрического напряжения U = 1 Вольт, как разность потенциалов φ1 и φ2 между этими точками из расчёта:

U = A/Q = φ1 — φ2

Электрический ток может быть постоянным или переменным.

Постоянный ток — электрический ток, направление и величина которого не меняются во времени.

Переменный ток — электрический ток, величина и направление которого меняются с течением времени.

Ещё в 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный закон электричества, определяющий количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими их способность противостоять электрическому току.

Эти свойства впоследствии стали называть электрическим сопротивлением, обозначать буквой R и измерять в Омах в честь первооткрывателя.

Закон Ома в современной интерпретации классическим соотношением U/R определяет величину электрического тока в проводнике исходя из напряжения U на концах этого проводника и его сопротивления R:

I = U/R

Электрический ток в проводниках

В проводниках имеются свободные носители зарядов, которые под действием силы электрического поля приходят в движение и создают электрический ток. В металлических проводниках носителями зарядов являются свободные электроны.

С повышением температуры хаотичное тепловое движение атомов препятствует направленному движению электронов и сопротивление проводника увеличивается.

При охлаждении и стремлении температуры к абсолютному нулю, когда прекращается тепловое движение, сопротивление металла стремится к нулю.

Электрический ток в жидкостях (электролитах) существует как направленное движение заряженных атомов (ионов), которые образуются в процессе электролитической диссоциации.Ионы перемещаются в сторону электродов, противоположных им по знаку и нейтрализуются, оседая на них. — Электролиз. Анионы — положительные ионы.

При нагревании сопротивление электролита уменьшается из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы.

Электрический ток в газах — плазма. Электрический заряд переносится положительными или отрицательными ионами и свободными электронами, которые образуются под действием излучения.

Существует электрический ток в вакууме, как поток электронов от катода к аноду. Используется в электронно-лучевых приборах — лампах.

Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по своему удельному сопротивлению. Знаковым отличием полупроводников от металлов можно считать зависимость их удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов уменьшается, а у полупроводников, наоборот, возрастает.

При стремлении температуры к абсолютному нулю металлы стремятся стать сверхпроводниками, а полупроводники — изоляторами.Дело в том, что при абсолютном нуле электроны в полупроводниках будут заняты созданием ковалентной связи между атомами кристаллической решётки и, в идеале, свободные электроны будут отсутствовать.

При повышении температуры, часть валентных электронов может получать энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей и в кристалле появятся свободные электроны, а в местах разрыва образуются вакансии, которые получили название дырок. Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары и дырка переместится на новое место в кристалле.

При встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами полупроводника и происходит обратный процесс – рекомбинация. Электронно-дырочные пары могут появляться и рекомбинировать при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.В отсутствие электрического поля электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

В электрическое поле в упорядоченном движении участвуют не только образовавшиеся свободные электроны, но и дырки, которые рассматриваются как положительно заряженные частицы. Ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов.

К числу полупроводников относятся такие химические элементы, как германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.Самым распространенным в природе полупроводником является кремний.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Источник: http://tel-spb.ru/current/