Что лучше всего проводит электричество

Найден металл, который пропускает электрический ток без производства тепла.

Наличие такого свойства у металла противоречит закону Видемана-Франца.

Недавно исследователи из США сообщили об открытии металла, который проводит электричество и при этом практически не проводит тепло – невероятно полезное свойство, которое совершенно не соответствует сложившемуся представлению о том, как работают проводники.

Существование такого свойства у металла противоречит закону Видемана-Франца, который гласит, что хорошие проводники электричества также будут пропорционально хорошими проводниками тепла. Например, по этой причине моторы или различные электрические бытовые приборы нагреваются при их регулярном использовании и их необходимо охлаждать.

Исследователи показали, что такой закон совершенно не применим к двуокиси ванадия (VO₂) – вещество, которое уже хорошо известно учёным благодаря странной способности "переключаться" между состояниями прозрачного диэлектрика и электропроводящего металла при температуре 67 градусов по Цельсию.

"Совершенно неожиданная находка, — говорит ведущий автор исследования материаловед Цзюньцяо У (Junqiao Wu) из Калифорнийского университета в Беркли. – Она демонстрирует серьёзное нарушение в хрестоматийном законе, который считался неопровержимым для обыкновенных проводников. Открытие имеет фундаментальное значение для понимания основ электронного поведения новых проводников".

Примечательно, что исследование учёных не только поможет узнать больше о неожиданных свойствах проводников, но оно также может пригодиться и в быту. Например, такой металл однажды можно было бы использовать для преобразования отработанного тепла из двигателей или электронных приборов обратно в электричество, или создавать улучшенные оконные покрытия, которые смогут сохранять прохладу в зданиях.

Специалисты уже знают о некоторых других материалах, которые проводят электричество лучше, чем тепло. Но они демонстрируют такие свойства только при температурах в сотни градусов ниже нуля по Цельсию (что довольно непрактично для любого реального применения). В то же время двуокись ванадия является проводником только при температурах выше комнатной. Следовательно, ему можно найти больше применений на практике.

Отмечается, что учёные, изучая это странное свойство вещества, наблюдали за тем, как движутся электроны внутри кристаллической решётки двуокиси ванадия, а также определяли, сколько при этом вырабатывается тепла. Выяснилось, что теплопроводность VO2 была в десять раз меньше, чем значение, предсказанное законом Видемана-Франца.

Причина этому, как представляется, может крыться в том, что "электроны оксида ванадия двигались в унисон друг с другом, как жидкость, а не как отдельные частицы в обыкновенных металлах", считает У.

"Для электронов тепло – это случайное движение. Обыкновенные металлы эффективно переносят тепло, поскольку существует множество различных возможных микроскопических конфигураций, между которыми отдельные электроны могут переключаться, — поясняет учёный. – Напротив, согласованное движение электронов в двуокиси ванадия пагубным образом сказывается на передаче тепла из-за меньшего количества конфигураций, между которыми электроны смогли бы "перепрыгивать".

Исследователи также смешивали диоксид ванадия с другими металлами, чтобы таким образом "настроить" объём тока и тепла, которое вещество проводило. Такие возможности очень пригодились бы для будущих применений, добавляют учёные.

Например, когда специалисты добавляли металл вольфрам к двуокиси ванадия, они снижали температуру, при которой материал становился металлическим, а также делали его лучшим проводником тепла.

Но в любом случае учёным предстоит провести ещё много исследований прежде, чем интересный материал найдёт применение в обычной жизни. Первые результаты научной работы и описание необычных свойств двуокиси ванадия опубликованы в научном издании Science.

Добавим, что ранее оказалось, что графен проводит электричество в 10 раз лучше, чем предсказывала теория.

Самые лучшие проводники электричества — металлы. Хорошей электропроводностью металлы опять-таки обя­заны свободным электронам.

Когда мы присоединяем лампочку, плитку или какой – нибудь другой электрический прибор к источнику тока, в проводах, в нити лампочки, в спирали плитки мгно­венно возникают большие изменения: электроны теряют прежнюю полную свободу движения и устремляются к положительному полюсу источника тока. Такой на­правленный поток электронов и есть электрический ток в металлах.

Поток электронов движется по металлу не беспрепят­ственно — он встречает на своём пути ионы. Движение от­дельных электронов тормозится. Электроны передают часть своей энергии ионам, благодаря чему скорость ко­лебательного движения ионов увеличивается. Это приво­дит к тому, что проводник нагревается.

Ионы разных металлов оказывают движению электро­нов неодинаковое сопротивление. Если сопротивление мало, металл нагревается током слабо, если же сопроти­вление велико, металл может раскалиться. Медные про­вода, подводящие ток к электрической плитке, почти не нагреваются, так как электрическое сопротивление меди ничтожно. А нихромовая спираль плитки раскаляется до­красна. Ещё сильнее нагревается вольфрамовая нить элек­трической лампочки.

Наиболее высокой электропроводностью отличаются серебро и медь, затем следуют золото, хром, алюминий, марганец, вольфрам и т. д. Плохо проводят ток железо, ртуть и титан. Если электропроводность серебра принять за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия— 55, железа и ртути — 2, а титана — лишь 0,3.

Серебро — металл дорогой и в электротехнике исполь­зуется мало, но медь применяется для изготовления прово­дов, кабелей, шин и других электротехнических изделий в громадных количествах. Электропроводность алюминия в 1,7 раза меньше, чем у меди, и поэтому алюминий приме­няется в электротехнике реже, чем медь.

Серебро, медь, золото, хром, алюминий, . свинец, ртуть. Мы видели, что в таком же приблизительно по­рядке стоят металлы и в ряду с постепенно убывающей теплопроводностью (см. стр. 33).

Наилучшие проводники электрического тока, как пра­вило, являются и наилучшими проводниками тепла. Между теплопроводностью и электропроводностью ме­таллов существует определённая связь, и чем выше электропроводность металла, тем обычно выше и его теплопроводность.

Чистые металлы всегда проводят электрический ток лучше, чем их сплавы. Это объясняется следующим обра­зом. Атомы элементов, составляющих примеси, вклини­ваются в кристаллическую решётку металла и нарушают её правильность. В результате решётка становится более серьёзной преградой для электронного потока.

Если в меди присутствуют ничтожные количества при­месей — десятые и даже сотые доли процента — электро­проводность её уже сильно понижается. Поэтому в элек­тротехнике используют преимущественно очень чистую медь, содержащую только 0,05% примесей. И наоборот, в тех случаях, когда необходим материал с высоким со­противлением— для реостатов[49]), для различных нагре­вательных приборов, применяются сплавы — нихром, ни­келин, константан и другие.

Электропроводность металла зависит также и от харак­тера его обработки. После прокатки, волочения и обработ­ки резанием электропроводность металла понижается. Это связано с искажением кристаллической решётки при обработке, с образованием в ней дефектов, которые тор­мозят движение свободных электронов.

Очень интересна зависимость электропроводности ме­таллов от температуры. Мы уже знаем, что при нагре­вании размах и скорость колебаний ионов в кристалли­ческой решётке металла увеличиваются. В связи с этим должно возрастать и сопротивление ионов электронному потоку. И действительно, чем выше температура, тем выше сопротивление проводника току. При температурах плавления сопротивление большинства металлов увеличи­вается в полтора-два раза.

При охлаждении происходит-обратное явление: бес­порядочное колебательное движение ионов в узлах ре­шётки уменьшается, сопротивление потоку электронов по­нижается и электропроводность увеличивается.

Исследуя свойства металлов при глубоком (очень сильном) охлаждении, учёные обнаружили замечательное явление: вблизи абсолютного нуля, то-есть при темпера­турах около минус 273,16°, металлы полностью утрачи­вают электрическое сопротивление. Они становятся «иде­альными проводниками»: в замкнутом металлическом кольце ток не ослабевает долгое время, хотя кольцо уже не соединено с источником тока! Это явление названо сверхпроводимостью. Оно наблюдается у алю­миния, цинка, олова, свинца и некоторых других метал­лов. Эти металлы становятся сверхпроводниками при тем­пературах ниже минус 263°.

Как объяснить сверхпроводимость? Почему одни ме­таллы достигают состояния идеальной проводимости, а другие нет? На эти вопросы пока ещё нет ответа. Явле­ние сверхпроводимости имеет громадное значение для тео­рии строения металлов, и в настоящее время его изучают советские учёные. Работы академика Л. Д. Ландау и члена-корреспондента Академии наук СССР А. И. Шаль – никова в этой области удостоены Сталинских премий.

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:

1. Серебро – 62 500 000.
2. Медь – 59 500 000.
3. Золото – 45 500 000.
4. 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.