導(dǎo)電材料1第一節(jié)概述一般情況下，電阻率在10-7～10-4歐姆米的材料稱為導(dǎo)電材料。導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機(jī)理主要是自由電子導(dǎo)電。酸、堿及鹽類的溶液和熔融狀態(tài)的鹽，在電壓作用下也能導(dǎo)電，它們主要是離子電導(dǎo)，而且導(dǎo)電時(shí)常伴有化學(xué)變化――電解物的產(chǎn)生，電工行業(yè)很少用它們做導(dǎo)電材料。本章主要介紹自由電子導(dǎo)電的材料。金屬導(dǎo)電材料分為兩類，一類是高電導(dǎo)率金屬材料，主要用于傳輸電能，如電纜的芯線和電機(jī)的線圈等；另一類是高電阻率金屬材料，主要用于發(fā)熱和制作電阻元件，如電燈、電熱器和變阻器等。2第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理一、經(jīng)典電子理論固態(tài)金屬導(dǎo)體是離子結(jié)晶體，自由電子在金屬陽離子之間不停地五規(guī)則運(yùn)動(dòng)，各向同性，如圖2－1。施加外電場(chǎng)后，電子除本身的熱運(yùn)動(dòng)外，沿電場(chǎng)反方向做定向運(yùn)動(dòng)，定向運(yùn)動(dòng)平均速度為：3第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理由上式推出電流密度為:每個(gè)電子的平均動(dòng)能為:式中：k－玻爾茲曼常數(shù)，1.38

10-23J/Km－電子質(zhì)量

T－電子熱力學(xué)溫度

c－電子的熱運(yùn)動(dòng)速度4第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理根據(jù)經(jīng)典電子理論可以解釋金屬導(dǎo)電的很多問題，但還有許多問題不能解決。當(dāng)溫度T＝0時(shí)，電子的平均動(dòng)能也為零，這是錯(cuò)誤的，因?yàn)榧词乖赥＝0K時(shí)，電子還是在運(yùn)功的，動(dòng)能不能為零。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近代出現(xiàn)量子力學(xué)觀點(diǎn)能解釋上述問題，但在量子力學(xué)中所用數(shù)學(xué)非常復(fù)雜，在這里不作具體介紹，只簡單介紹一下它的基本要點(diǎn)。5第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理二、近代量子量子理論近代量子力學(xué)的理淪認(rèn)為電子在金屬內(nèi)的運(yùn)動(dòng)可用波動(dòng)力學(xué)來解釋。在外電場(chǎng)作用下，這種電子波沿著金屬的結(jié)晶格子傳播時(shí)，碰到晶格骨架的障礙，將它本身的一部分能量交給了骨架——金屬，引起晶格骨架振動(dòng)，因而導(dǎo)體在通過電流時(shí)要發(fā)熱。當(dāng)溫度升高，金屬離子晶格振動(dòng)加劇，使其原來排列整升的晶格的規(guī)律性遭到破壞，由于振動(dòng)而使離子間距離時(shí)大時(shí)小。因而電子波在其中傳播時(shí)受到的阻力加強(qiáng)，導(dǎo)致電阻增加。6第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理如果金屬中含有雜質(zhì)，會(huì)使金屬晶格發(fā)生畸變而破壞原來的規(guī)律性，這樣也使電阻增加，故合金的電阻總比純金屬的大。當(dāng)溫度降低時(shí)，晶格振動(dòng)減弱，電子波運(yùn)動(dòng)所受阻力減小，因此電阻也下降。當(dāng)溫度相當(dāng)?shù)蜁r(shí)(＜10K)，因晶格振動(dòng)很弱，由它所引起的阻力已很小，這時(shí)的電阻主要由晶格缺陷所決定，故合金和有晶格缺陷的金屬，即使在0K時(shí)也仍有一定電阻。而對(duì)一些晶格規(guī)則排列的純金屬，從理論上來說，在溫度0K時(shí)應(yīng)沒有電阻了。還有一些金屬、合金或化合物，在低溫2～9K某一值附電阻會(huì)忽然消失，這稱之為超導(dǎo)電現(xiàn)象，這種材料稱為超導(dǎo)電材料。7第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理三、導(dǎo)電材料的主要特性參數(shù)1.電阻率（電導(dǎo)率）在交流情況下，由于導(dǎo)體中產(chǎn)：生交變磁場(chǎng)，電流不是均勻地分布在導(dǎo)體的整個(gè)截面上。越近導(dǎo)體炭面電流就越大，這稱為趨膚效應(yīng)(集膚效應(yīng))。其結(jié)果相當(dāng)于減少了傳導(dǎo)電流的截面，因此交流電阻大于直流電阻。電流透入圓導(dǎo)線表面的深度Z可由下式求出：8第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電金屬的交流電阻和直流電阻之比為：9第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理影響金屬電阻率的因素

1）溫度（溫度系數(shù)αR）當(dāng)溫度變化不太大時(shí)，電阻與溫度的關(guān)系呈線性。一般取20℃的電阻率做為計(jì)算值。10第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理

2）合余元素及雜質(zhì)對(duì)電阻的影響合金元素和雜質(zhì)畸變晶格，導(dǎo)致電阻的增加。

ρ0是接近0K時(shí)的剩余電阻率，它與所含合金元素和雜質(zhì)有關(guān)，ρ(T)是隨溫度變化的電阻率。11第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理

3）冷變形對(duì)電阻的影響打擊、彎曲、軋制、拉絲等冷加工時(shí)，也會(huì)使晶格發(fā)生畸變，造成電子散射而使電阻增加。但一股冷變形引起的電阻增加不會(huì)超過4%4）熱處理對(duì)電阻的影響當(dāng)導(dǎo)體進(jìn)行冷加工之后，強(qiáng)度和硬度增加了，但是電導(dǎo)率和塑性降低了。為了恢復(fù)冷加工前性能，通常可以通過熱處理，即將金屬加熱至一定溫度，然后慢慢冷卻，使之再結(jié)晶而導(dǎo)致晶格恢有規(guī)律的排列，因此導(dǎo)電率又可提高，這種熱處理稱之為退火或韌煉，在電線電纜工業(yè)中使用用較多的銅錠、鋁錠，均要通過軋制、拉絲等加工后拉成所需直徑的細(xì)絲，往往直徑達(dá)到了要求而電阻率卻大大提高了，所以生產(chǎn)過程中經(jīng)過幾道拉過后就要退一次火，往往要反復(fù)進(jìn)行幾次的拉絲與退火過程，而最終才能使線徑和電導(dǎo)率均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。12第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理2.熱導(dǎo)率導(dǎo)電材料的熱導(dǎo)率，對(duì)于電機(jī)、電纜及一些電工設(shè)備的熱性能計(jì)算非常重要。如電纜線芯的熱導(dǎo)率大，則溫升低，同樣截面的金屬線芯，熱導(dǎo)率大可以傳輸更大的電流。一般電導(dǎo)率高的材料熱導(dǎo)率也高。根據(jù)電于理淪，認(rèn)為金屬的熱導(dǎo)也是出電子傳導(dǎo)引起的，熱運(yùn)動(dòng)使電子在溫區(qū)獲得的能量帶給低溫區(qū)的離子，使低溫區(qū)的溫度升高，故高電導(dǎo)金屬一般也是高熱金屬。13第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理

3）接觸電位差和熱電勢(shì)當(dāng)兩種不同的金屬互相接觸時(shí)在接觸處產(chǎn)生電位差。這是由于在不同的金屬內(nèi)，其自由電子密度不相同所致。當(dāng)兩種金屬接觸時(shí)，電子會(huì)由密度高的金屬擴(kuò)散到密度低的金屬中去。這樣，電子減少的金屬帶正電，而另一種金屬因電子的增多而帶負(fù)電。產(chǎn)生的電位差，即稱接觸電位差。兩種金屬的接觸電位差一般在0.1～幾伏之間。14第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理

4)抗拉強(qiáng)度和伸長率在某些情況下導(dǎo)電材