3金屬的導電性能

第二章金屬的性能

§2-1概述電線電纜用金屬材料主要性能有：

導電性；

熱性能；

機械性能；

耐蝕性；5.工藝性能等。

并在設計、生產(chǎn)、使用過程中符合國家標準和國際標準。

§2-2導電性一、導電性

導電性——是指金屬材料傳導電流的性能。當金屬材料截面大小及其它條件相同時，如具有：

金屬的導電性↑；電流通過時所產(chǎn)生的熱量↓；輸電過程中的電能損失↓，則此金屬材料就是一種導電性能非常好的良導體。金屬為什么具有導電性,可以用金屬的電子理論(經(jīng)典自由電子論)和能帶理論來解釋。1.金屬的電子理論①E=0

不加電場圖傳導電子的運動晶格-e(質量為m的電荷)正離子C晶格的特點：

晶格結點上的正離子

在本身的位置上做熱

振動；b.質量為m的電荷(自由

電子)的運動方向是隨

機的，即雜亂無章的

布朗運動(熱振動)。c.自由電子遷移速度v=0

故無自由電子流動現(xiàn)象。②E≠0在外電場的作用下晶格的特點：E晶格+—b)加電場

圖自由電子的定向移動C-e(質量為m的電荷)正離子

晶格置于電場中(正負兩個極板)

受電場的作用;b.

正離子在本身的

位置上做激烈的

熱振動；看后面動態(tài)圖b)加電場

圖自由電子的定向移動c.質量為m的自由電子在電場力f=-eE的作用

下沿外力方向以運動速度v的形式加速運動;d.自由電子在運

動的過程中將

發(fā)生碰撞：★在理想(純凈)晶

格中：

自由電子與正

離子(激烈振動)

發(fā)生的碰撞；E晶格+—C正離子-e(質量為m的電荷)b)加電場

圖自由電子的定向移動E+—在理想(純凈)晶格中：自由電子與激烈振動的正離子發(fā)生的碰撞，在一個方面阻礙自由電子移動，阻力較小?？春竺鎰討B(tài)圖★晶格中有雜質和晶格缺陷：

自由電子與缺陷、雜質發(fā)生的碰撞，在三個方面阻礙著自由電子的移動，阻力較大。

b)加電場

圖自由電子的定向移動E+—空位-e(質量為m的電荷)雜質③電流的產(chǎn)生

在電場E的作用下，自由電子被吸引到正極引起移動，產(chǎn)生電流。b)加電場

圖自由電子的定向移動E+—④電阻的產(chǎn)生當外電場恒定時：加速度dv/dt不變,t↑,v↑,I↑↑，(理想狀態(tài))

但這是不可能的，為什么b.原因：(用量子論解釋)：★電子具有波的性質,所以自由電子在晶格中的運動是以波動的形式進行的，稱為電子波；★電子波在晶格中傳播時，不斷要與晶格結點上作熱振動的正離子、雜質和晶格缺陷發(fā)生碰撞，發(fā)生電子波的散射，阻止了自由電子的無限加速運動；★自由電子在運動中產(chǎn)生了阻力，這種阻力稱為電阻。⑤金屬的電阻率(ρ)和導電率(γ)

1AγLρ=—=R—式中：A—導體的截面積，mm2；L—導體的長度，m；R—導體的電阻，Ω。電阻率(ρ)

電阻率是衡量材料電性能的重要參數(shù),它與導體材料有關，在一定的溫度下，對同一種材料電阻率是一個常數(shù)，不同材料有著不同電阻率。b.電導率(γ)

γ=Neμ式中：μ—電子的遷移度；N—電子數(shù)目；e—電荷；討論：

根據(jù)公式可以看出：

導體電阻與電阻率成正比

對于橫截面積和長度都相同的不同材料：

電阻↑，電阻率↑，材料的導電性↓；電阻↓，電阻率↓，材料的導電性↑；

選用導電性能好的金屬材料傳輸電流，用來達到降低輸電過程中電能損失的目的。所以金屬材料中的金、銅、銀、鋁等的導電性好廣泛應用于電線電纜行業(yè)，做導電線芯。這些金屬材料的特點：

1AγLρ=—=R—金、銅、銀、鋁這些金屬材料的特點：

a.核外價電子數(shù)很少，在外力的作用下很容易

成為自由電子；b.它們的晶體結構都屬于面心立方晶格，在外

電場的作用下，自由電子在晶格中很容易定

向遷移，形成電流；c.它們的電阻率低,導電率高,即導電性能好。

在電線電纜技術中，為衡量比較金屬電阻的大小，往往采用電導率的相對值表示。國際電工委員會IEC規(guī)定：銅在溫度20℃時，比重為8.89、長度為1米、截面積為1mm2、導體電阻為0.017241Ω、電阻溫度系數(shù)為0.00393

軟銅(退火)電導率為100%?；蛴?00%IACS表示，IACS即指國際退火工業(yè)純銅標準。純度為99.999%的高純銅的電導率可達到102.32%IACS。二、影響金屬導電性的因素1.溫度a.溫度的產(chǎn)生

當自由電子運動時要產(chǎn)生熱量(能量-熱能)；

與正離子、雜質等碰撞時也會產(chǎn)生熱量；

產(chǎn)生的熱量有一部分可以傳給晶格(微觀)，

并傳到晶體的表面，使金屬材料(宏觀)發(fā)熱;我們說金屬材料具有一定的溫度。b.電流和電阻與溫度的關系：當金屬溫度趨向絕對零度(0K)時，位于晶格

結點上的正離子接近靜止狀態(tài)，自由電子將

通行無阻，金屬的電阻接近于零；當金屬溫度升高時，正離子的熱振動加劇,自由電子與其碰撞的機率增大,造成電子波散射,產(chǎn)生的電阻增加，使金屬的導電能力降低。即：溫度↑電阻↑導電性↓c.電阻與溫度的線性關系表達式：當金屬溫度不是很高(接近熔點)或很低(接近0K)

,電阻(電阻率)與溫度呈下列的線性關系：R=R0[1+α(T-T0)]ρ=ρ0[1+α(T-T0)]R和ρ——溫度為T時的電阻和電阻率；R0和ρ0——溫度為T0時的電阻和電阻率。電阻溫度系數(shù)2.合金元素

純金屬的導電能力一般很高，當在基礎金屬中加入一些合金元素制成合金時，導致晶格畸變,電子運動引起電子波的散射，使電子在運動中增加了阻力，即電阻增大。三種類型的合金(具有不同的離子晶體結構)對電阻的影響：E+—

加電場

圖純金屬的晶格

①固溶體型

a.合金元素進入

到晶格的結點

上或間隙中;b.合金元素與基

礎金屬的原子

半徑差值

差值↑

晶格畸變↑

電阻↑E+—-e(質量為m的電荷)合金元素

加電場

圖固溶體型晶格②中間相型組成合金的各元素生成獨立的晶體混合在一起，晶格不相交雜。電阻↑③化合物型按倍比組成的化合物形成的合金，導電機理屬半導體型。E+—

加電場

圖機械混合型的晶格基礎金屬合金混合體3.雜質

雜質↑晶格畸變↑電子波散射↑電阻↑導電性↓①影響機理與合金元素相同②雜質的種類、含量和在金屬中的分布狀態(tài)對電阻的影響。例如：導體鋁影響最大的雜質是銅、鐵和硅：含量↑電阻↑b.導體銅

影響最大的雜質是鋁、鐵、磷、砷、鎳和鉍等：

含量↑電阻↑；砷含量0.35%時，電阻率增大50%；

鐵和磷含量↑導電性↓↓。4.

冷變形——在室溫條件下，如敲擊、彎扭、拉絲使金屬材料產(chǎn)生機械變形稱(或冷加工)①彈性變形電阻影響較?、谒苄宰冃慰瘴恢脫Q原子位錯晶面彎曲晶格畸變↑電子波散射電阻↑強度和硬度↑內應力↑晶格中出現(xiàn)純金屬

冷變形度小于10%時，電阻略有增大；

冷變形度超過10%時，電阻有明顯增大。b.合金

冷變形使電阻增大。5.

熱處理(退火)——利用加熱的方法來改變金屬

材料的組織結構的方法稱。①金屬材料冷變形后

電阻↑內應力↑

硬度↑塑性↓導電性↓稱冷加工硬化，簡稱“冷作硬化”②金屬材料在一定的溫度作用(退火)下，內應力消除晶格畸變減輕硬度↓塑性↑

電阻↓導電性↑恢復到冷變形前的水平，且退火溫度和時間對電阻的影響很大。③鋁合金的時效熱處理(低溫回火)對電阻的影響

當時效初期時，從過飽和固溶體中析出細小彌散的質點，當質點直徑約為5~10?接近傳導電子波的波長時，電子波的散射增強，電阻增大；

析出的質點逐漸聚集長大，電子波散射減弱,電阻相應下降,可低于原來的固溶體電阻。6.

金屬的表面狀態(tài)

金屬表面附有水分污染氧化層油漬鍍覆包覆其它金屬電阻增大電阻少許增大我國著名的超導物理學家趙忠賢院士對超導體有一段論述：什么是超導？超導就是一種材料在一定的溫度以下，電子可以無阻地流動，這就叫超導。一、超導電現(xiàn)象科學家在試驗中將汞(水銀)冷卻到大約-269℃

(4.2K)附近，通過電流，測定電壓時發(fā)現(xiàn)，汞的電阻值急劇下降為0。人們把這種電阻突然消失的零電阻現(xiàn)象稱為超導現(xiàn)象或超導電現(xiàn)象。

§2-3超導電性概述二、超導體的主要特征1.零電阻率(零電阻)持續(xù)電流實驗科學家將超導體做成一個圓環(huán)放在一個磁場中，并冷卻到臨界溫度以下，若將磁場突然去掉，由于電磁感應作用，在圓環(huán)內產(chǎn)生一個感應電流，經(jīng)幾年后發(fā)現(xiàn)這個電流沒有絲毫減少，證明圓環(huán)內沒有電阻存在，電流可以無損耗地環(huán)流下去。即超導體具有零電阻的特征。

NSNST＞Tc在超導環(huán)上加磁場T＜Tc超導環(huán)轉變?yōu)槌瑢B(tài)持續(xù)電流2.完全抗磁性超導體還具有另一個基本特征即：完全抗磁性，可以通過超導體的完全抗磁性實驗來得到證明。將一長圓柱形超導體表面纏繞一個探測線圈，沿樣品的軸線加上磁場，于是磁通量突然增加，在線圈中出現(xiàn)瞬時電流，檢流計指針向正方向轉過一個角度α，然后慢慢冷卻樣品，當溫度達到臨界溫度時，檢流計的指針突然出現(xiàn)一個反方向的偏轉，偏轉角與α相等。超導體的完全抗磁性實驗示意圖檢流計探測線圈H(磁場強度)超導體T=Tc在這以后，無論撤去磁場或增加磁場，檢流計指針都沒有絲毫的偏轉，根據(jù)電磁感應定律，以上試驗說明，在樣品進入超導態(tài)的瞬間，穿過樣品的磁通量突然全部排除出去，于是探測線圈上出現(xiàn)了一個與當初加上磁場時大小相等、方向相反的瞬時電流。試驗表明，只要樣品處于超導態(tài)，它始終保持內部的磁場為零，外部磁力線統(tǒng)統(tǒng)排斥之外，超導體是一個理想的抗磁體，并且超導體內的磁感應強度B為0。這種完全抗磁性的基本特征也稱為邁斯納效應。T=Tc超導體正常態(tài)正常態(tài)磁場的分布超導態(tài)磁場的分布名詞解釋：超導體——具有超導電性的物質稱為；超導態(tài)——把超導體以零電阻為特征的物質狀態(tài)稱為；正常態(tài)——超導體有電阻時的狀態(tài)稱為；Tc——把處于正常態(tài)的超導體轉變?yōu)榱汶娮璧某瑢w所對應的溫度稱為臨界溫度。Hc——使超導體的超導態(tài)受到破壞而轉變?yōu)檎B(tài)所需的磁場強度稱為臨界磁場強度；Ic——當通過超導體的電流達到一定數(shù)值時，所產(chǎn)生

的磁場也可以使超導態(tài)受到破壞，這時的電流稱為臨界電流。

一價金屬銀、銅、金(良導體)鐵磁體及反磁性金屬鐵、鈷、鎳不是超導體超導體常溫下導電性差的金屬鈮、鉛、鉭等某些化合物或合金如：鈮三錫、釩三鎵、鈮三鋁以及鈮鋁合金、鈮鈦合金等某些金屬的氧化物(臨界溫度比較高)如：鉈鋇鈣銅氧化物和汞鋇鈣銅氧化物等目前已發(fā)現(xiàn)有27種化學元素和數(shù)千種合金、化合物具有超導電性。材料臨界溫度Tc發(fā)現(xiàn)年份汞4.15K1911鉛7.26K1913鈮9.2K1930氮化鈮14.7K1955鈮三鍺23.2K1973鑭鋇銅氧化物35K1986釔鋇銅氧化物90K1987鉍鍶銅氧化物110K1988鉈鋇鈣銅氧化物120K1989汞鋇鈣銅氧化物135K1993表幾種超導材料的臨界溫度

低溫超導和高溫超導有什么不同？

如果從溫度范圍來分，要求任何一個低溫狀態(tài)下都希望有一個保持溫度的環(huán)境。在液氦溫度附近也就4K或者10K以下，這個我們一般認為它是低溫超導，這種超導體它要在極低溫的情況下來運行。后來發(fā)現(xiàn)的銅氧化合物，它的臨界溫度是77K以上，甚至可以到133K。到這樣相對高的溫度情況下，它依然可以保持超導性。相對低溫來講，我們把那個臨界溫度較高的就叫做高溫超導。高溫超導材料已進入實用化的研究開發(fā)階段，氧化物復合超導材料的耐用性和穩(wěn)定性已引起材料科學家的廣泛重視。五、超導材料和超導電纜的發(fā)展1.目前高溫超導體的研究(四個方向)1)更高Tc體系的探索；2)高Tc超導機理研究；3)高Tc超導體物理性能的測定和研究；4)高Tc超導體的制備與成材加工工藝研究。

另一個努力是找到一類材料，這種超導材料通過很大電流的時候，同時在產(chǎn)生很