Почему металлы являются хорошими проводниками электрического тока: разбираемся в деталях

Металлы широко используются в качестве проводников электричества благодаря их уникальным свойствам. Но что именно делает их такими эффективными проводниками тока? Давайте разберемся!

Строение металлической структуры и роль электронов

В основе высокой электропроводности металлов лежит их кристаллическая решетка и особенности электронной структуры. Металл состоит из упорядоченной решетки положительно заряженных атомных ядер, между которыми движется облако отрицательно заряженных электронов. Эти электроны слабо связаны с ядрами и могут сравнительно легко перемещаться по всему объему металла. Такие подвижные электроны называются свободными или делокализованными.

Свободные электроны в металлах отвечают за способность проводить электричество. Когда к металлу приложено электрическое поле, эти электроны начинают направленное движение, создавая электрический ток.

Благодаря большому количеству свободных электронов в металлической решетке, даже небольшая разность потенциалов вызывает их упорядоченное движение по всей структуре металла. Это и есть электрический ток. Так металлы становятся эффективными проводниками.

Металлическая решетка и межатомные связи

Структура любого металла представляет собой кристаллическую решетку, в которой атомы занимают строго определенные позиции. Атомы соединяются между собой с помощью металлической или ковалентной связи.

Металлическая связь - это связь между атомами самого металла
Ковалентная связь - это связь между атомами металла и других элементов, входящих в состав сплава

Благодаря этим межатомным связям формируется жесткая, но в то же время подвижная структура, позволяющая свободным электронам легко перемещаться по решетке.

Влияние дефектов решетки на электропроводность

Идеальная кристаллическая решетка в чистом виде встречается редко. Как правило, структура реальных металлов содержит различные дефекты:

вакансии (незанятые узлы решетки)
межузельные атомы
дислокации (смещения плоскостей решетки)

Такие дефекты увеличивают свободный объем в кристаллической решетке и облегчают движение электронов. Поэтому наличие структурных дефектов в определенных пределах повышает электропроводность металлов.

Разновидности кристаллических решеток металлов

Существует несколько типов кристаллических решеток:

простая кубическая
объемно-центрированная кубическая (ОЦК)
гранецентрированная кубическая (ГЦК)
гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

Каждая решетка имеет свои особенности расположения атомов. Например, в простой кубической решетке все атомы находятся на одинаковых расстояниях друг от друга. А в ГЦК и ГПУ решетках атомы располагаются более плотно.

Разные типы кристаллических решеток определяют различные физические свойства металлов, включая электропроводность. Например, металлы с ГЦК решеткой (Cu, Al, Ni) обычно обладают высокой пластичностью и хорошей обрабатываемостью.

Электронная структура и свободные электроны

Основное отличие металлов от неметаллов кроется в их электронной структуре. У металлов внешний энергетический уровень заполнен лишь частично и имеет свободные орбитали. Эти свободные орбитали могут вмещать дополнительные электроны, которые слабо связаны с ядрами атомов. Такие ослабленно связанные электроны и определяют высокую электропроводность.

Число свободных электронов на атом для разных металлов колеблется от 1 до 11. Чем больше свободных электронов, тем выше подвижность и электропроводность металла.

Движение электронов и перенос заряда в металлах

Как уже говорилось, свободные электроны определяют способность металлов проводить электрический ток. При наложении электрического поля эти электроны приходят в упорядоченное движение и переносят электрический заряд по металлу.

Скорость движения облака свободных электронов составляет порядка 3 мм в секунду. Несмотря на это довольно медленное перемещение, сами электроны в этом облаке движутся гораздо быстрее, создавая в итоге высокую электропроводность.

Скорость упорядоченного движения заряженных частиц под действием электрического поля называется дрейфовой скоростью. От величины дрейфовой скорости зависит сила электрического тока в металле. Рассмотрим это подробнее.

Дрейфовая скорость электронов по закону Ома

Согласно закону Ома, сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению материала:

I = U / R

Где:

I - сила тока, А
U - напряжение, B
R - сопротивление, Ом

Металлы имеют низкое удельное сопротивление, а значит при прочих равных высокий электрический ток. На дрейфовую скорость электронов в металле влияют такие факторы:¹¹

Плотность свободных электронов	Чем выше плотность, тем выше скорость
Подвижность электронов	Характеризует способность к ускоренному движению
Напряженность электрического поля	Чем выше напряженность, тем выше скорость

Благодаря высокой плотности и подвижности электронов, металлы демонстрируют высокие значения дрейфовой скорости и, соответственно, электропроводности.

Тепловое движение атомов и роль температуры

До сих пор мы рассматривали металлы при комнатной или более низкой температуре. Но как ведут себя металлы при нагревании и что происходит с их электропроводностью?

С повышением температуры атомы в кристаллической решетке начинают интенсивнее колебаться и сталкиваться друг с другом. Это мешает упорядоченному движению электронов и замедляет перенос заряда по металлу. В результате электропроводность металлов при нагревании снижается.¹²

Исключением являются сверхпроводники - материалы, которые при охлаждении до сверхнизких температур демонстрируют аномально высокую электропроводность. Однако свойства сверхпроводников выходят за рамки данной статьи.

Как металлы теряют электропроводность при нагреве

Как уже было сказано, при нагревании металлы обычно теряют способность эффективно проводить электрический ток. Это связано с двумя основными процессами:

Учащение столкновений электронов с атомами из-за усиления теплового движения последних
Частичная потеря электронами свой свободы и локализация на атомных орбиталях

Из-за этих двух факторов кинетика направленного движения электронов в электрическом поле существенно меняется, что влечет за собой падение электропроводности.¹³

Случаи повышения проводимости с ростом температуры

Хотя обычно металлы теряют электропроводность при нагревании, бывают и обратные случаи. Это происходит по двум причинам:

Случаи повышения проводимости с ростом температуры

Термическое возбуждение электронов на более высокие энергетические уровни, что повышает их подвижность
Увеличение концентрации носителей заряда за счет перехода части локализованных электронов в свободное состояние

Однако такой эффект повышения проводимости с ростом температуры наблюдается лишь в узком диапазоне и не является универсальным свойством.

Сравнение металлов с другими материалами

Почему металлы являются хорошими проводниками электрического тока в отличие, например, от полупроводников или диэлектриков? Все дело в особенностях их электронной структуры.

В металлах много свободных электронов с высокой подвижностью, которые и обеспечивают электропроводность. Полупроводники при определенных условиях тоже могут проводить ток, но их проводимость намного ниже. А диэлектрики вообще являются изоляторами.

Критерии выбора оптимального проводника

При использовании металлов в качестве проводников электрического тока стоит учитывать такие критерии:

Удельное сопротивление
Допустимый ток
Температурный режим
Механические нагрузки
Стоимость материала и изготовления

Исходя из этих требований, можно подобрать оптимальный для конкретного случая тип металлического проводника.

Влияние примесей на проводимость

Почему металлы являются хорошими проводниками электрического тока? В этом играет роль не только чистота металла, но и наличие определенных примесей.

Некоторые примеси создают дополнительные носители заряда или повышают подвижность свободных электронов. Это улучшает электропроводность. Однако избыточные примеси, наоборот, могут ее ухудшать.

Применение сплавов и композитных материалов

Помимо чистых металлов, в качестве проводников используют различные сплавы и композиты на основе меди, алюминия, вольфрама.

Сплавы и композиты позволяют улучшить механические, теплофизические или другие свойства материалов при сохранении высокой электропроводности. Поэтому они широко применяются в современной электротехнике.

Применение сплавов и композитных материалов

Преимущества медных сплавов

Наиболее распространенные сплавы для проводников - это сплавы меди с различными легирующими элементами. Они обладают повышенной механической прочностью по сравнению с чистой медью при сохранении высокой электропроводности.

Применение алюминиевых сплавов

Благодаря малому удельному весу алюминиевые сплавы используются там, где требуется снизить массу конструкций. Например, для изготовления проводов в авиации и космонавтике.

Композитные провода на основе углерода

Перспективным направлением являются композитные проводники с использованием углеродных наноструктур. Они сочетают рекордно низкое сопротивление с высокой механической прочностью.

Проводники для сверхвысоких температур

Для работы при температурах свыше 1000°C используются специальные жаропрочные сплавы на основе вольфрама, молибдена, ниобия и их композиты.

Сверхпроводящие материалы

Отдельно стоит сказать про сверхпроводники, которые при охлаждении до криогенных температур полностью теряют электрическое сопротивление. Их активно изучают и внедряют в технике.

Металлы обладают уникальной электронной структурой, которая делает их отличными проводниками электричества. В отличие от неметаллов, у металлов имеется большое количество свободных электронов в валентной электронной оболочке. Эти делокализованные электроны могут свободно двигаться по всей кристаллической решетке металла при приложении электрического поля.

Благодаря наличию подвижных носителей заряда в виде электронов, металлы демонстрируют высокую электропроводность. Чем больше свободных электронов в металле и чем меньше рассеяние этих электронов, тем лучше этот металл проводит электрический ток.

Понимание механизмов, объясняющих электропроводность металлов, крайне важно для создания новых материалов с заданными свойствами. Дальнейшие исследования в этой области помогут улучшить характеристики проводников и полупроводников для высокотехнологичных отраслей промышленности.

Наталья Бардо 28 декабря, 2023