3金属的导电性能

第二章金属的性能

§2-1概述电线电缆用金属材料主要性能有：

导电性；

热性能；

机械性能；

耐蚀性；5.工艺性能等。

并在设计、生产、使用过程中符合国家标准和国际标准。

§2-2导电性一、导电性

导电性——是指金属材料传导电流的性能。当金属材料截面大小及其它条件相同时，如具有：

金属的导电性↑；电流通过时所产生的热量↓；输电过程中的电能损失↓，则此金属材料就是一种导电性能非常好的良导体。金属为什么具有导电性,可以用金属的电子理论(经典自由电子论)和能带理论来解释。1.金属的电子理论①E=0

不加电场图传导电子的运动晶格-e(质量为m的电荷)正离子C晶格的特点：

晶格结点上的正离子

在本身的位置上做热

振动；b.质量为m的电荷(自由

电子)的运动方向是随

机的，即杂乱无章的

布朗运动(热振动)。c.自由电子迁移速度v=0

故无自由电子流动现象。②E≠0在外电场的作用下晶格的特点：E晶格+—b)加电场

图自由电子的定向移动C-e(质量为m的电荷)正离子

晶格置于电场中(正负两个极板)

受电场的作用;b.

正离子在本身的

位置上做激烈的

热振动；看后面动态图b)加电场

图自由电子的定向移动c.质量为m的自由电子在电场力f=-eE的作用

下沿外力方向以运动速度v的形式加速运动;d.自由电子在运

动的过程中将

发生碰撞：★在理想(纯净)晶

格中：

自由电子与正

离子(激烈振动)

发生的碰撞；E晶格+—C正离子-e(质量为m的电荷)b)加电场

图自由电子的定向移动E+—在理想(纯净)晶格中：自由电子与激烈振动的正离子发生的碰撞，在一个方面阻碍自由电子移动，阻力较小。看后面动态图★晶格中有杂质和晶格缺陷：

自由电子与缺陷、杂质发生的碰撞，在三个方面阻碍着自由电子的移动，阻力较大。

b)加电场

图自由电子的定向移动E+—空位-e(质量为m的电荷)杂质③电流的产生

在电场E的作用下，自由电子被吸引到正极引起移动，产生电流。b)加电场

图自由电子的定向移动E+—④电阻的产生当外电场恒定时：加速度dv/dt不变,t↑,v↑,I↑↑，(理想状态)

但这是不可能的，为什么b.原因：(用量子论解释)：★电子具有波的性质,所以自由电子在晶格中的运动是以波动的形式进行的，称为电子波；★电子波在晶格中传播时，不断要与晶格结点上作热振动的正离子、杂质和晶格缺陷发生碰撞，发生电子波的散射，阻止了自由电子的无限加速运动；★自由电子在运动中产生了阻力，这种阻力称为电阻。⑤金属的电阻率(ρ)和导电率(γ)

1AγLρ=—=R—式中：A—导体的截面积，mm2；L—导体的长度，m；R—导体的电阻，Ω。电阻率(ρ)

电阻率是衡量材料电性能的重要参数,它与导体材料有关，在一定的温度下，对同一种材料电阻率是一个常数，不同材料有着不同电阻率。b.电导率(γ)

γ=Neμ式中：μ—电子的迁移度；N—电子数目；e—电荷；讨论：

根据公式可以看出：

导体电阻与电阻率成正比

对于横截面积和长度都相同的不同材料：

电阻↑，电阻率↑，材料的导电性↓；电阻↓，电阻率↓，材料的导电性↑；

选用导电性能好的金属材料传输电流，用来达到降低输电过程中电能损失的目的。所以金属材料中的金、铜、银、铝等的导电性好广泛应用于电线电缆行业，做导电线芯。这些金属材料的特点：

1AγLρ=—=R—金、铜、银、铝这些金属材料的特点：

a.核外价电子数很少，在外力的作用下很容易

成为自由电子；b.它们的晶体结构都属于面心立方晶格，在外

电场的作用下，自由电子在晶格中很容易定

向迁移，形成电流；c.它们的电阻率低,导电率高,即导电性能好。

在电线电缆技术中，为衡量比较金属电阻的大小，往往采用电导率的相对值表示。国际电工委员会IEC规定：铜在温度20℃时，比重为8.89、长度为1米、截面积为1mm2、导体电阻为0.017241Ω、电阻温度系数为0.00393

软铜(退火)电导率为100%。或用100%IACS表示，IACS即指国际退火工业纯铜标准。纯度为99.999%的高纯铜的电导率可达到102.32%IACS。二、影响金属导电性的因素1.温度a.温度的产生

当自由电子运动时要产生热量(能量-热能)；

与正离子、杂质等碰撞时也会产生热量；

产生的热量有一部分可以传给晶格(微观)，

并传到晶体的表面，使金属材料(宏观)发热;我们说金属材料具有一定的温度。b.电流和电阻与温度的关系：当金属温度趋向绝对零度(0K)时，位于晶格

结点上的正离子接近静止状态，自由电子将

通行无阻，金属的电阻接近于零；当金属温度升高时，正离子的热振动加剧,自由电子与其碰撞的机率增大,造成电子波散射,产生的电阻增加，使金属的导电能力降低。即：温度↑电阻↑导电性↓c.电阻与温度的线性关系表达式：当金属温度不是很高(接近熔点)或很低(接近0K)

,电阻(电阻率)与温度呈下列的线性关系：R=R0[1+α(T-T0)]ρ=ρ0[1+α(T-T0)]R和ρ——温度为T时的电阻和电阻率；R0和ρ0——温度为T0时的电阻和电阻率。电阻温度系数2.合金元素

纯金属的导电能力一般很高，当在基础金属中加入一些合金元素制成合金时，导致晶格畸变,电子运动引起电子波的散射，使电子在运动中增加了阻力，即电阻增大。三种类型的合金(具有不同的离子晶体结构)对电阻的影响：E+—

加电场

图纯金属的晶格

①固溶体型

a.合金元素进入

到晶格的结点

上或间隙中;b.合金元素与基

础金属的原子

半径差值

差值↑

晶格畸变↑

电阻↑E+—-e(质量为m的电荷)合金元素

加电场

图固溶体型晶格②中间相型组成合金的各元素生成独立的晶体混合在一起，晶格不相交杂。电阻↑③化合物型按倍比组成的化合物形成的合金，导电机理属半导体型。E+—

加电场

图机械混合型的晶格基础金属合金混合体3.杂质

杂质↑晶格畸变↑电子波散射↑电阻↑导电性↓①影响机理与合金元素相同②杂质的种类、含量和在金属中的分布状态对电阻的影响。例如：导体铝影响最大的杂质是铜、铁和硅：含量↑电阻↑b.导体铜

影响最大的杂质是铝、铁、磷、砷、镍和铋等：

含量↑电阻↑；砷含量0.35%时，电阻率增大50%；

铁和磷含量↑导电性↓↓。4.

冷变形——在室温条件下，如敲击、弯扭、拉丝使金属材料产生机械变形称(或冷加工)①弹性变形电阻影响较小②塑性变形空位置换原子位错晶面弯曲晶格畸变↑电子波散射电阻↑强度和硬度↑内应力↑晶格中出现纯金属

冷变形度小于10%时，电阻略有增大；

冷变形度超过10%时，电阻有明显增大。b.合金

冷变形使电阻增大。5.

热处理(退火)——利用加热的方法来改变金属

材料的组织结构的方法称。①金属材料冷变形后

电阻↑内应力↑

硬度↑塑性↓导电性↓称冷加工硬化，简称“冷作硬化”②金属材料在一定的温度作用(退火)下，内应力消除晶格畸变减轻硬度↓塑性↑

电阻↓导电性↑恢复到冷变形前的水平，且退火温度和时间对电阻的影响很大。③铝合金的时效热处理(低温回火)对电阻的影响

当时效初期时，从过饱和固溶体中析出细小弥散的质点，当质点直径约为5~10Å接近传导电子波的波长时，电子波的散射增强，电阻增大；

析出的质点逐渐聚集长大，电子波散射减弱,电阻相应下降,可低于原来的固溶体电阻。6.

金属的表面状态

金属表面附有水分污染氧化层油渍镀覆包覆其它金属电阻增大电阻少许增大我国著名的超导物理学家赵忠贤院士对超导体有一段论述：什么是超导？超导就是一种材料在一定的温度以下，电子可以无阻地流动，这就叫超导。一、超导电现象科学家在试验中将汞(水银)冷却到大约-269℃

(4.2K)附近，通过电流，测定电压时发现，汞的电阻值急剧下降为0。人们把这种电阻突然消失的零电阻现象称为超导现象或超导电现象。

§2-3超导电性概述二、超导体的主要特征1.零电阻率(零电阻)持续电流实验科学家将超导体做成一个圆环放在一个磁场中，并冷却到临界温度以下，若将磁场突然去掉，由于电磁感应作用，在圆环内产生一个感应电流，经几年后发现这个电流没有丝毫减少，证明圆环内没有电阻存在，电流可以无损耗地环流下去。即超导体具有零电阻的特征。

NSNST＞Tc在超导环上加磁场T＜Tc超导环转变为超导态持续电流2.完全抗磁性超导体还具有另一个基本特征即：完全抗磁性，可以通过超导体的完全抗磁性实验来得到证明。将一长圆柱形超导体表面缠绕一个探测线圈，沿样品的轴线加上磁场，于是磁通量突然增加，在线圈中出现瞬时电流，检流计指针向正方向转过一个角度α，然后慢慢冷却样品，当温度达到临界温度时，检流计的指针突然出现一个反方向的偏转，偏转角与α相等。超导体的完全抗磁性实验示意图检流计探测线圈H(磁场强度)超导体T=Tc在这以后，无论撤去磁场或增加磁场，检流计指针都没有丝毫的偏转，根据电磁感应定律，以上试验说明，在样品进入超导态的瞬间，穿过样品的磁通量突然全部排除出去，于是探测线圈上出现了一个与当初加上磁场时大小相等、方向相反的瞬时电流。试验表明，只要样品处于超导态，它始终保持内部的磁场为零，外部磁力线统统排斥之外，超导体是一个理想的抗磁体，并且超导体内的磁感应强度B为0。这种完全抗磁性的基本特征也称为迈斯纳效应。T=Tc超导体正常态正常态磁场的分布超导态磁场的分布名词解释：超导体——具有超导电性的物质称为；超导态——把超导体以零电阻为特征的物质状态称为；正常态——超导体有电阻时的状态称为；Tc——把处于正常态的超导体转变为零电阻的超导体所对应的温度称为临界温度。Hc——使超导体的超导态受到破坏而转变为正常态所需的磁场强度称为临界磁场强度；Ic——当通过超导体的电流达到一定数值时，所产生

的磁场也可以使超导态受到破坏，这时的电流称为临界电流。

一价金属银、铜、金(良导体)铁磁体及反磁性金属铁、钴、镍不是超导体超导体常温下导电性差的金属铌、铅、钽等某些化合物或合金如：铌三锡、钒三镓、铌三铝以及铌铝合金、铌钛合金等某些金属的氧化物(临界温度比较高)如：铊钡钙铜氧化物和汞钡钙铜氧化物等目前已发现有27种化学元素和数千种合金、化合物具有超导电性。材料临界温度Tc发现年份汞4.15K1911铅7.26K1913铌9.2K1930氮化铌14.7K1955铌三锗23.2K1973镧钡铜氧化物35K1986钇钡铜氧化物90K1987铋锶铜氧化物110K1988铊钡钙铜氧化物120K1989汞钡钙铜氧化物135K1993表几种超导材料的临界温度

低温超导和高温超导有什么不同？

如果从温度范围来分，要求任何一个低温状态下都希望有一个保持温度的环境。在液氦温度附近也就4K或者10K以下，这个我们一般认为它是低温超导，这种超导体它要在极低温的情况下来运行。后来发现的铜氧化合物，它的临界温度是77K以上，甚至可以到133K。到这样相对高的温度情况下，它依然可以保持超导性。相对低温来讲，我们把那个临界温度较高的就叫做高温超导。高温超导材料已进入实用化的研究开发阶段，氧化物复合超导材料的耐用性和稳定性已引起材料科学家的广泛重视。五、超导材料和超导电缆的发展1.目前高温超导体的研究(四个方向)1)更高Tc体系的探索；2)高Tc超导机理研究；3)高Tc超导体物理性能的测定和研究；4)高Tc超导体的制备与成材加工工艺研究。

另一个努力是找到一类材料，这种超导材料通过很大电流的时候，同时在产生很