3金屬的導(dǎo)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(dǎo)電性；

熱性能；

機(jī)械性能；

耐蝕性；5.工藝性能等。

并在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用過(guò)程中符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

§2-2導(dǎo)電性一、導(dǎo)電性

導(dǎo)電性——是指金屬材料傳導(dǎo)電流的性能。當(dāng)金屬材料截面大小及其它條件相同時(shí)，如具有：

金屬的導(dǎo)電性↑；電流通過(guò)時(shí)所產(chǎn)生的熱量↓；輸電過(guò)程中的電能損失↓，則此金屬材料就是一種導(dǎo)電性能非常好的良導(dǎo)體。金屬為什么具有導(dǎo)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(lái)解釋。1.金屬的電子理論①E=0

不加電場(chǎng)圖傳導(dǎo)電子的運(yùn)動(dòng)晶格-e(質(zhì)量為m的電荷)正離子C晶格的特點(diǎn)：

晶格結(jié)點(diǎn)上的正離子

在本身的位置上做熱

振動(dòng)；b.質(zhì)量為m的電荷(自由

電子)的運(yùn)動(dòng)方向是隨

機(jī)的，即雜亂無(wú)章的

布朗運(yùn)動(dòng)(熱振動(dòng))。c.自由電子遷移速度v=0

故無(wú)自由電子流動(dòng)現(xiàn)象。②E≠0在外電場(chǎng)的作用下晶格的特點(diǎn)：E晶格+—b)加電場(chǎng)

圖自由電子的定向移動(dòng)C-e(質(zhì)量為m的電荷)正離子

晶格置于電場(chǎng)中(正負(fù)兩個(gè)極板)

受電場(chǎng)的作用;b.

正離子在本身的

位置上做激烈的

熱振動(dòng)；看后面動(dòng)態(tài)圖b)加電場(chǎng)

圖自由電子的定向移動(dòng)c.質(zhì)量為m的自由電子在電場(chǎng)力f=-eE的作用

下沿外力方向以運(yùn)動(dòng)速度v的形式加速運(yùn)動(dòng);d.自由電子在運(yùn)

動(dòng)的過(guò)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(dòng))

發(fā)生的碰撞；E晶格+—C正離子-e(質(zhì)量為m的電荷)b)加電場(chǎng)

圖自由電子的定向移動(dòng)E+—在理想(純凈)晶格中：自由電子與激烈振動(dòng)的正離子發(fā)生的碰撞，在一個(gè)方面阻礙自由電子移動(dòng)，阻力較小。看后面動(dòng)態(tài)圖★晶格中有雜質(zhì)和晶格缺陷：

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

b)加電場(chǎng)

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

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

圖自由電子的定向移動(dòng)E+—④電阻的產(chǎn)生當(dāng)外電場(chǎng)恒定時(shí)：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(zhì),所以自由電子在晶格中的運(yùn)動(dòng)是以波動(dòng)的形式進(jìn)行的，稱為電子波；★電子波在晶格中傳播時(shí)，不斷要與晶格結(jié)點(diǎn)上作熱振動(dòng)的正離子、雜質(zhì)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(wú)限加速運(yùn)動(dòng)；★自由電子在運(yùn)動(dòng)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(dǎo)電率(γ)

1AγLρ=—=R—式中：A—導(dǎo)體的截面積，mm2；L—導(dǎo)體的長(zhǎng)度，m；R—導(dǎo)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(dǎo)體材料有關(guān)，在一定的溫度下，對(duì)同一種材料電阻率是一個(gè)常數(shù)，不同材料有著不同電阻率。b.電導(dǎo)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(dǎo)體電阻與電阻率成正比

對(duì)于橫截面積和長(zhǎng)度都相同的不同材料：

電阻↑，電阻率↑，材料的導(dǎo)電性↓；電阻↓，電阻率↓，材料的導(dǎo)電性↑；

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

1AγLρ=—=R—金、銅、銀、鋁這些金屬材料的特點(diǎn)：

a.核外價(jià)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(jié)構(gòu)都屬于面心立方晶格，在外

電場(chǎng)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(dǎo)電率高,即導(dǎo)電性能好。

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

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

當(dāng)自由電子運(yùn)動(dòng)時(shí)要產(chǎn)生熱量(能量-熱能)；

與正離子、雜質(zhì)等碰撞時(shí)也會(huì)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(shuō)金屬材料具有一定的溫度。b.電流和電阻與溫度的關(guān)系：當(dāng)金屬溫度趨向絕對(duì)零度(0K)時(shí)，位于晶格

結(jié)點(diǎn)上的正離子接近靜止?fàn)顟B(tài)，自由電子將

通行無(wú)阻，金屬的電阻接近于零；當(dāng)金屬溫度升高時(shí)，正離子的熱振動(dòng)加劇,自由電子與其碰撞的機(jī)率增大,造成電子波散射,產(chǎn)生的電阻增加，使金屬的導(dǎo)電能力降低。即：溫度↑電阻↑導(dǎo)電性↓c.電阻與溫度的線性關(guān)系表達(dá)式：當(dāng)金屬溫度不是很高(接近熔點(diǎn))或很低(接近0K)

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

純金屬的導(dǎo)電能力一般很高，當(dāng)在基礎(chǔ)金屬中加入一些合金元素制成合金時(shí)，導(dǎo)致晶格畸變,電子運(yùn)動(dòng)引起電子波的散射，使電子在運(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu))對(duì)電阻的影響：E+—

加電場(chǎng)

圖純金屬的晶格

①固溶體型

a.合金元素進(jìn)入

到晶格的結(jié)點(diǎn)

上或間隙中;b.合金元素與基

礎(chǔ)金屬的原子

半徑差值

差值↑

晶格畸變↑

電阻↑E+—-e(質(zhì)量為m的電荷)合金元素

加電場(chǎng)

圖固溶體型晶格②中間相型組成合金的各元素生成獨(dú)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(dǎo)電機(jī)理屬半導(dǎo)體型。E+—

加電場(chǎng)

圖機(jī)械混合型的晶格基礎(chǔ)金屬合金混合體3.雜質(zhì)

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

影響最大的雜質(zhì)是鋁、鐵、磷、砷、鎳和鉍等：

含量↑電阻↑；砷含量0.35%時(shí)，電阻率增大50%；

鐵和磷含量↑導(dǎo)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(jī)械變形稱(或冷加工)①?gòu)椥宰冃坞娮栌绊戄^小②塑性變形空位置換原子位錯(cuò)晶面彎曲晶格畸變↑電子波散射電阻↑強(qiáng)度和硬度↑內(nèi)應(yīng)力↑晶格中出現(xiàn)純金屬

冷變形度小于10%時(shí)，電阻略有增大；

冷變形度超過(guò)10%時(shí)，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(lái)改變金屬

材料的組織結(jié)構(gòu)的方法稱。①金屬材料冷變形后

電阻↑內(nèi)應(yīng)力↑

硬度↑塑性↓導(dǎo)電性↓稱冷加工硬化，簡(jiǎn)稱“冷作硬化”②金屬材料在一定的溫度作用(退火)下，內(nèi)應(yīng)力消除晶格畸變減輕硬度↓塑性↑

電阻↓導(dǎo)電性↑恢復(fù)到冷變形前的水平，且退火溫度和時(shí)間對(duì)電阻的影響很大。③鋁合金的時(shí)效熱處理(低溫回火)對(duì)電阻的影響

當(dāng)時(shí)效初期時(shí)，從過(guò)飽和固溶體中析出細(xì)小彌散的質(zhì)點(diǎn)，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)直徑約為5~10?接近傳導(dǎo)電子波的波長(zhǎng)時(shí)，電子波的散射增強(qiáng)，電阻增大；

析出的質(zhì)點(diǎn)逐漸聚集長(zhǎng)大，電子波散射減弱,電阻相應(yīng)下降,可低于原來(lái)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(guó)著名的超導(dǎo)物理學(xué)家趙忠賢院士對(duì)超導(dǎo)體有一段論述：什么是超導(dǎo)？超導(dǎo)就是一種材料在一定的溫度以下，電子可以無(wú)阻地流動(dòng)，這就叫超導(dǎo)。一、超導(dǎo)電現(xiàn)象科學(xué)家在試驗(yàn)中將汞(水銀)冷卻到大約-269℃

(4.2K)附近，通過(guò)電流，測(cè)定電壓時(shí)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(dǎo)現(xiàn)象或超導(dǎo)電現(xiàn)象。

§2-3超導(dǎo)電性概述二、超導(dǎo)體的主要特征1.零電阻率(零電阻)持續(xù)電流實(shí)驗(yàn)科學(xué)家將超導(dǎo)體做成一個(gè)圓環(huán)放在一個(gè)磁場(chǎng)中，并冷卻到臨界溫度以下，若將磁場(chǎng)突然去掉，由于電磁感應(yīng)作用，在圓環(huán)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流，經(jīng)幾年后發(fā)現(xiàn)這個(gè)電流沒(méi)有絲毫減少，證明圓環(huán)內(nèi)沒(méi)有電阻存在，電流可以無(wú)損耗地環(huán)流下去。即超導(dǎo)體具有零電阻的特征。

NSNST＞Tc在超導(dǎo)環(huán)上加磁場(chǎng)T＜Tc超導(dǎo)環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)持續(xù)電流2.完全抗磁性超導(dǎo)體還具有另一個(gè)基本特征即：完全抗磁性，可以通過(guò)超導(dǎo)體的完全抗磁性實(shí)驗(yàn)來(lái)得到證明。將一長(zhǎng)圓柱形超導(dǎo)體表面纏繞一個(gè)探測(cè)線圈，沿樣品的軸線加上磁場(chǎng)，于是磁通量突然增加，在線圈中出現(xiàn)瞬時(shí)電流，檢流計(jì)指針向正方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度α，然后慢慢冷卻樣品，當(dāng)溫度達(dá)到臨界溫度時(shí)，檢流計(jì)的指針突然出現(xiàn)一個(gè)反方向的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角與α相等。超導(dǎo)體的完全抗磁性實(shí)驗(yàn)示意圖檢流計(jì)探測(cè)線圈H(磁場(chǎng)強(qiáng)度)超導(dǎo)體T=Tc在這以后，無(wú)論撤去磁場(chǎng)或增加磁場(chǎng)，檢流計(jì)指針都沒(méi)有絲毫的偏轉(zhuǎn)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，以上試驗(yàn)說(shuō)明，在樣品進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的瞬間，穿過(guò)樣品的磁通量突然全部排除出去，于是探測(cè)線圈上出現(xiàn)了一個(gè)與當(dāng)初加上磁場(chǎng)時(shí)大小相等、方向相反的瞬時(shí)電流。試驗(yàn)表明，只要樣品處于超導(dǎo)態(tài)，它始終保持內(nèi)部的磁場(chǎng)為零，外部磁力線統(tǒng)統(tǒng)排斥之外，超導(dǎo)體是一個(gè)理想的抗磁體，并且超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為0。這種完全抗磁性的基本特征也稱為邁斯納效應(yīng)。T=Tc超導(dǎo)體正常態(tài)正常態(tài)磁場(chǎng)的分布超導(dǎo)態(tài)磁場(chǎng)的分布名詞解釋：超導(dǎo)體——具有超導(dǎo)電性的物質(zhì)稱為；超導(dǎo)態(tài)——把超導(dǎo)體以零電阻為特征的物質(zhì)狀態(tài)稱為；正常態(tài)——超導(dǎo)體有電阻時(shí)的狀態(tài)稱為；Tc——把處于正常態(tài)的超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶娮璧某瑢?dǎo)體所對(duì)應(yīng)的溫度稱為臨界溫度。Hc——使超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)受到破壞而轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度；Ic——當(dāng)通過(guò)超導(dǎo)體的電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，所產(chǎn)生

的磁場(chǎng)也可以使超導(dǎo)態(tài)受到破壞，這時(shí)的電流稱為臨界電流。

一價(jià)金屬銀、銅、金(良導(dǎo)體)鐵磁體及反磁性金屬鐵、鈷、鎳不是超導(dǎo)體超導(dǎo)體常溫下導(dǎo)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(xué)元素和數(shù)千種合金、化合物具有超導(dǎo)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(dǎo)材料的臨界溫度

低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)有什么不同？

如果從溫度范圍來(lái)分，要求任何一個(gè)低溫狀態(tài)下都希望有一個(gè)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(gè)我們一般認(rèn)為它是低溫超導(dǎo)，這種超導(dǎo)體它要在極低溫的情況下來(lái)運(yùn)行。后來(lái)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(duì)高的溫度情況下，它依然可以保持超導(dǎo)性。相對(duì)低溫來(lái)講，我們把那個(gè)臨界溫度較高的就叫做高溫超導(dǎo)。高溫超導(dǎo)材料已進(jìn)入實(shí)用化的研究開(kāi)發(fā)階段，氧化物復(fù)合超導(dǎo)材料的耐用性和穩(wěn)定性已引起材料科學(xué)家的廣泛重視。五、超導(dǎo)材料和超導(dǎo)電纜的發(fā)展1.目前高溫超導(dǎo)體的研究(四個(gè)方向)1)更高Tc體系的探索；2)高Tc超導(dǎo)機(jī)理研究；3)高Tc超導(dǎo)體物理性能的測(cè)定和研究；4)高Tc超導(dǎo)體的制備與成材加工工藝研究。

另一個(gè)努力是找到一類材料，這種超導(dǎo)材料通過(guò)很大電流的時(shí)候，同時(shí)在產(chǎn)生很