Conductivitatea si rezistivitatea electrica a materialelor

Conductivitatea si rezistivitatea electrica a materialelor

Conductivitatea electrica si rezistivitatea electrica sunt marimi fizice caracteristice materialelor utilizate in electrotehnica. Trebuie mentionat faptul ca inclusiv materialele izolante folosite in tehnica nu au o conductivitate electrica nula, ele nu sunt izolatoare perfecte.

Materialele se impart, dupa valorile rezistivitatii in:

- materiale conductoare, cu rezistivitatea

- materiale semiconductoare, cu rezistivitatea

- materiale izolante, la care rezistivitatea

Dintre materialele conductoare metalice folosite in tehnica, argintul are rezistivitatea cea mai mica dar, fiind un material pretios, utilizarea lui este limitata. Materialul conductor de baza folosit pentru conductoarele electrice este cuprul, avand o rezistivitatea cu putin mai mare decat a argintului. De aceea cuprul este un metal deficitar, el este frecvent inlocuit cu aluminiul (cabluri electrice, linii aeriene, colivii ale unor masini asincrone etc.) La aceeasi rezistenta electrica si lungime a conductorului de aluminiu, sectiunea acestuia este de 1,6 ori mai mare decat a conductorului de cupru. In aceleasi conditii, greutatea conductoarelor de aluminiu este aproximativ jumatate din greutatea conductoarelor de cupru, in plus tona de cupru este de cca. 1,7 ori mai scumpa decat tona de aluminiu (Al: 1601 USD/tona, Cu: 2698 USD/tona - cotatii spot Londra, 1 mai 1996), ceea ce releva avantaje economice importante.

Aliajele de mare rezistivitate (tabelul 1) au o serie de aplicatii specifice in tehnica. Cele care au un coeficient de temperatura scazut, cum sunt manganina si constantanul se folosesc la constructia rezistentelor etalon si de precizie. Celelalte sunt utilizate la constructia aparatelor electrotehnice (rezistente pentru incalzire, reostate )

In tabelul 2 sunt date, pentru orientare, valorile rezistivitatilor, concentratiilor de electroni n_n si goluri n_p si mobilitatilor m_n si m_p pentru Cu (material conductor) si Ge (material semiconductor).

Tabelul 2

Se observa ca la materialele semiconductoare mobilitatea are valori mult mai mari decat la metale.

Dependenta de temperatura Experienta arata ca, in general, rezistivitatea materialelor conductoare depinde de temperatura In domenii de variatie limitate (nu prea mari) si la temperatura obisnuita se poate scrie:

(60)

Coeficientul a depinde de materialul conductor si se numeste coeficient de temperatura al rezistivitatii si se masoara in SI in 1/⁰C. In literatura, in mod obisnuit, se dau valorile rezistivitatilor pentru o temperatura a mediului ambiant de 20^oC.

La materialele conductoare metalice coeficientul de temperatura a este pozitiv avand ordinul de marime adica o variatie a rezistivitatii de cca 4% pentru o variatie a temperaturii de 10⁰C. La materialele semiconductoare coeficientul de temperatura a poate fi si negativ.

Supraconductibilitatea La temperaturi foarte joase, mai mici de 10⁰ K, rezistivitatea unor metale sau aliaje scade brusc la 0. Acest fenomen a fost descoperit in 1911 de catre Kamerling Onnes si poarta numele de supraconductibilitate. Temperatura la care valoarea rezistivitatii devine nula se numeste temperatura critica T_c, fiind o caracteristica a materialului conductor.

In fig. 20 se prezinta variatia rezistivitatii cu temperatura pentru argint (fig. 20,a) si staniu (fig. 20,b). In timp ce la Ag rezistivitatea scade liniar cu scaderea temperaturii, la Sn rezistivitatea scade brusc la zero la o temperatura T_c = 3,72⁰ K. Staniul este un metal supraconductor pe cand argintul nu este. Se cunosc o serie de materiale supraconductoare metalice sau aliaje, acestea prezentand un interes teoretic si aplicativ deosebit.

In tabelul 3 sunt date temperaturile critice pentru cateva materiale supraconductoare. Temperatura critica a materialelor supraconductoare depinde de valoarea campului magnetic exterior.       In stare de supraconductibilitate apar proprietati si comportari interesante, dintre care mentionam:

- un curent odata stabilit intr-un material supraconductor se mentine timp indelungat daca temperatura T < T_c;

- in interiorul unui material supraconductor nu se poate stabili un camp magnetic (efect Meissner);

- efectul de supraconductibilitate exista numai sub o anumita valoare a campului magnetic numita camp magnetic critic H_c.