Proprietatile electrice ale metalelor si aliajelor - conductibilitatea electrica

Proprietatile electrice ale metalelor si aliajelor

Proprietatile electrice, alaturi de cele termice, definesc starea metalica prin variatia cu temperatura a rezistivitatii electrice, fenomene care au la baza gazul de electroni liberi specific metalelor.

1 Conductibilitatea electrica

Este o proprietate de baza specifica starii metalice si se defineste prin relatia care arata ca intensitatea curentului electric I transportat printr-un metal este proportionala cu diferenta de potential E aplicata la bornele conductorului:

I = sE

Factorul de proportionalitate s din relatia de mai sus reprezinta conductibilitatea electrica, care depinde de configuratia electronica a atomilor data de expresia:

s =n·e·μ

unde:

n - numarul de electroni din unitatea de volum al metalului;

e - sarcina electronului;

μ - mobilitatea electronilor retelei metalice;

Rezistivitatea electrica ρ este proprietatea inversa a conductibilitatii, data de raportul:

La temperaturi inalte, mai mari decat temperatura Dobye(q_D), rezistivitatea variaza liniar cu temperatura, aspect confirmat experimental:

, unde

ρ₀ - rezistivitatea independenta de temperatura

La temperaturi joase la care T<<q_D exista o relatie de variatie a rezistivitatii cu puterea a cincea a temperaturii absolute:

Rezistivitatea metalelor si aliajelor este influentata direct de starea in care se afla acestea: gradul de aliere, gradul de prelucrare metalurgica, etc. In general rezistivitatea electrica creste la alierea metalelor pure precum si in cazul deformarii plastice la rece, deoarece se mareste numarul de defecte punctuale din reteaua cristalina, care reduc mobilitatea electronilor liberi (cu circa 5-6%).

Metalele si aliajele sunt materiale caracterizate prin valori ridicate ale conductibilitatii electrice si termice. Astfel, din punct de vedere al conductibilitatii electrice materialele se impart in:

metalice,avand conductibilitatea electrica cuprinsa intre 10⁶ - 10³ W cm^-1;

semimetalice, cu conductibilitatea intre 10³ - 10^-10 W cm^-1;

izolatori, cu valori de conductibilitate intre W cm^-1.

Diferentele de conductibilitate electrica foarte mari dintre metale, izolatori si semiconductori sunt determinate de modul diferit de ocupare a benzilor energetice cu electroni.

Asa cum s-a mai aratat, caracteristic pentru definirea starii metalice a materialelor este coeficientul de temperatura al rezistivitatii electrice a definit prin raportul:

, unde:

ρ_i - rezistivitatea ideala pentru metalul pur; T - temperatura, ˚K

Acest raport are valori pozitive pentru metale (exprimate in grad^-1) si creste proportional cu temperatura. De exemplu pentru cupru, rezistivitatea functie de temperatura are urmatoarele valori:

ρ_4,2˚K = 1,01·10^-9 μΩ·cm

ρ_273˚K = 1,545·10^-6 μΩ·cm

In tabelul de mai jos sunt prezentate valorile rezistivitatii electrice pentru unele biomateriale in comparatie cu unele materiale biologice.

Tabelul 4.9 Rezistivitatile electrice ale unor materiale

2 Efecte termoelectrice in metale

Efectele termoelectrice reprezinta fenomene de transport care apar ca urmare a interdependentei dintre fenomenele termice si electrice. Considerand un circuit (fig. 4.19.) format din doua materiale diferite cu puncte de contact la temperaturile T₁ si T₂, care indeplinesc conditia T₁ T₂, apare o tensiune electromotoare U_AB a carei marime depinde de temperaturile punctelor de jonctiune si de natura materialelor care formeaza circuitul. Acest fenomen se numeste efect Seebeck, iar tensiunea care se produce, forta termoelectrica. Efectul si-a gasit o larga utilizare in confectionarea termocuplelor de contact si a termoelementelor care transforma energia termica in energie electrica.

Tensiunea termoelectrica produsa la o diferenta de temperatura dT intre elementele contactelor este:

dU_AB = α_AB dT

α_AB - coeficientul de proportiona-litate, care depinde de natura materialului, numit forta electrica diferentiala.

Daca temperatura variaza de la T₁ la T₂, tensiunea termoelectrica este:

Efectul termoelectric Seebeck este determinat de diferenta de potential de contact, care ia nastere la jonctiunea a doua metale diferite, ca urmare a diferentelor dintre potentialele lor chimice.

3 Efecte galvanomagnetice

Aceste efecte apar cand asupra unui metal sau semiconductor actioneaza simultan campuri magnetice si electrice si sunt o consecinta a interactiunii dintre fenomenele electrice si magnetice. Dintre aceste fenomene mai importante sunt efectul Hall, efectul Ettingshausen si efectul magnetorestrictiv.

Efectul Hall consta in aparitia in corpul supus actiunii unui camp electric E si a unui camp magnetic H, a unei diferente de potential V_H intr-o directie perpendiculara directiilor campului magnetic H si curentului electric J. Tensiunea Hall determinata experimental este de forma:

unde:

R_H - constanta Hall;

I - curentul total = JS,

S - sectiunea probei,

d - grosimea probei.

Efectul Ettingshausen apare simultan cu efectul Hall intr-o directie transversala campurilor electrice si magnetice la o diferenta de temperatura DT, dat de relatia:

unde P - coeficient Ettingshausen

Efectul magnetorestrictiv consta in modificarea rezistivitatii electrice a metalelor sub actiunile unui camp magnetic H.

4 Efecte termomagnetice

Aceste efecte apar in metale si semiconductori cand asupra lor actioneaza un gradient de temperatura DT si un camp magnetic H; ele sunt o consecinta a interactiunii dintre fenomenele termice si magnetice si pot fi longitudinale sau transversale. Efectele termomagnetice constau in aparitia unei diferente de potential sau a unei diferente de temperatura cand metalul este strabatut de un flux termic in prezenta unui camp magnetic.

Variatia fortei termoelectrice care apare datorita diferentei de potential ce strabate longitudinal metalul, paralel cu fluxul termic, in prezenta campului magnetic este (efect Seeback magnetic):

unde:

Δα - variatia fortei termoelectrice;

α_H - forta termoelectrica in prezenta campului magnetic H;

α - forta termoelectrica determinata de fluxul termic.

Modificarea conductibilitatii termice, in prezenta unui camp magnetic, sub influenta fluxului termic ce strabate metalul, este data de relatia:

unde:

λ - coeficientul de conductibilitate termica a metalelor;

λ_H - conductibilitatea determinata de campul magnetic.