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.
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:
- Серебро — 62 500 000.
- Медь – 59 500 000.
- Золото – 45 500 000.
- 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.
Высокая электропроводность — металл
К металлам относятся вещества, обладающие хорошей электрической проводимостью с удельным сопротивлением р 10 — 7 — — 10 — 8 ом-м, высокой теплопроводностью, вязкостью, ковкостью. Высокая электропроводность металлов объясняется тем, что валентные электроны принадлежат не отдельным атомам, а всей кристаллической решетке в целом. Эти электроны называют свободными. [31]
Приведенные положения позволяют объяснить характерные свойства металлов. Высокая электропроводность металлов объясняется присутствием в них свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов перемещаются от отрицательного полюса к положительному. С повышением температуры усиливаются колебания ионов ( атомов), что затрудняет прямолинейное движение электронов, в результате чего электросопротивление возрастает. При низких температурах колебательное движение ионов ( атомов) сильно уменьшается и электропроводность резко возрастает. Около абсолютного нуля сопротивление многих металлов практически отсутствует. Высокая теплопроводность металлов обусловливается как большой подвижностью свободных электронов, так и колебательным движением ионов ( атомов), вследствие чего происходит быстрое выравнивание температуры в массе металла. [32]
Приведенные положения позволяют объяснить характерные свойства металлов. Высокая электропроводность металлов объясняется присутствием в них свободных электронов, которые перемещаются в потенциальном поле решетки. С повышением темпера гуры усиливаются колебания ионов ( атомов), образуются вакансии и нарушается правильная периодичность потенциального поля, что затрудняет движение электронов, в результате чего электросопротивление возрастает. При низких температурах колебательное движение ионов ( атомов) сильно уменьшается и электропроводность возрастает. У некоторых металлов в результате образования пар электронов, движущихся упорядоченно при очень низких температурах ( 20К), электропроводность обращается в бесконечное и, — явление сверхпроводимости. Высокая теплопроводность металлов обусловливается большой подвижностью свободных электронов и в меньшей степени колебательным движением ионов. [33]
В отличие от ионных и ковалентных соединений металлы отличаются высокой электропроводностью и теплопроводностью. Высокая электропроводность металлов указывает на то, что электроны свободно могут передвигаться во всем его объеме. Иными словами металл можно рассматривать как кристалл, в узлах решетки которого расположены ионы, связанные электронами, находящимися в общем пользовании, т.е. в металлах имеет место сильно нелокализованная химическая связь. Совокупность электронов, обеспечивающих эту связь, называют электронным газом. [34]
Все металлы обладают высокой электропроводностью. Причина высокой электропроводности металлов заключается в слабой связи электронного газа с положительно заряженными ионами. Достаточно приложить небольшую разность электрических потенциалов к концам металлического тела, чтобы вызвать перемещение электронного газа — электрический ток. [36]
Положительно заряженные атомы валентная связи), окружены как бы электронным газом, который может свободно передвигаться. Этим объясняется высокая электропроводность металлов . [37]
Свободные электроны перемещаются по объему металла, как бы не замечая ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки. Этим и объясняется высокая электропроводность металлов . [38]
За счет обобществления электронов атомы становятся положительно заряженными ионами, которые обтекаются электронным газом, что и обусловливает связи между атомами ( ионами) в кристаллической решетке. Наличие электронного газа объясняет, в частности, высокую электропроводность металлов . [39]
Металлическая связь возникает при образовании из внешних ( относительно слабо связанных с ядром) электронов отрицательно заряженного электронного газа, в результате чего положительно заряженные ионы создают плотную, но пластичную кристаллическую решетку. Электроны, свободно перемещаясь между атомами, обеспечивают высокую электропроводность металлов . [40]
Металлическая связь осуществляется путем образования из внешних, относительно слабо связанных с ядром электронов отрицательно заряженного электронного газа, организующего положительно заряженные ионы в — плотную, но довольна пластичную кристаллическую решетку. Электроны легко перемещаются от атома к атому, обусловливая высокую электропроводность металла . Большинство металлов имеет одну из трех кристаллических решеток: гексагональную плотноупакованную, гранецентрированную кубическую или объ-емноцентрированную кубическую. Прочность металлической связи увеличивается с повышением концентрации электронного газа. [41]
Наличие свободных электронов во всех металлических структурах обусловливает существование некоторых общих свойств металлов. Так, со свободой перемещения электронов связаны хорошая теплопроводность и высокая электропроводность металлов . [42]
Таким образом, в металлах имеются положительно заряженные ионы, электроны и небольшое количество нейтральных атомов. Этот особый тип химической связи и обусловливает наличие определенных физических свойств. Высокая электропроводность металлов объясняется наличием свободных электронов. В электрическом поле беспорядочное движение электронов становится направленным: они перемещаются от отрицательного полюса к положительному. [43]
У металлов над полностью заполненными энергетическими зонами расположена зона, заполненная электронами частично. У Na частично заполненная зона образуется в результате расщепления наполовину заполненного уровня 3s, а в Mg — в результате расщепления заполненного уровня 3s и пустого уровня Зр. Высокая электропроводность металлов объясняется наличием частично заполненной зоны. Носителями тока являются здесь электроны в этой зоне, поскольку в ней имеется много свободных энергетических состояний. [44]
Металлическая связь характеризуется взаимодействием положительных ионов кристаллической решетки металла и свободных электронов, не связанных с определенными ионами и свободно перемещающихся в пределах кристаллической решетки. Электроны не связаны с определенными ионами и свободно перемещаются в металле. Этим определяется высокая электропроводность металлов . Неметаллы, такие, как кислород, сера, галогены, принимающие электроны от металла, являются окислителями. Легкость отдачи электронов их атомами определяет химическую активность металлов. По химической активности металлы различаются между собой. [45]
Какие физические свойства обусловлены общим для всех металлов типом кристаллической решётки? Назовите области применения металлов, основанные на указанных вами физических свойствах.
Электропроводность. Серебро и золото обладают самой хорошей электропроводностью, они применяются в производстве электроники. Медь и алюминий применяются для проводов ЛЭП.
Теплопроводность. Медь и алюминий обладают самой хорошей теплопроводностью, их используются для производства радиаторов и теплообменников.
Металлический блеск. Хром применяют для производства зеркал и декоративных покрытий.
Пластичность. Самый пластичный металл золото, его применяют в ювелирном деле, для декоративных покрытий (сусальное золото). Из железа изготавливают листы, трубы, вытягивают проволоку и т. д.