Какие металлы проводят электрический ток, а какие – нет

В электроэнергетике используются такие понятия, как проводник, полупроводник и диэлектрик. Материалы могут входить в одну из этих групп, в зависимости от того, насколько хорошо они проводят электричество. Это деление относится ко всем материалам, однако ни один металл не может быть диэлектриком. То есть все они проводят электричество. Но вот лучше или хуже – нужно измерить и изучить. 

Почему металлы проводят ток

Вспомним школьную скамью и уроки химии и физики. На внешней оболочке атома могут быть свободные электроны. В идеале их должно быть 8. Поэтому когда атомы находятся рядом, они или отдают свои электроны, если их мало, или забирают у соседа недостающие. 

В таблице Менделеева у каждого элемента есть группа – от 1 до 8. Когда вещество принадлежит к одной из групп, это отражает то, сколько валентных электронов, то есть располагающихся на внешней оболочке, есть у материала. 

Металлы в своем большинстве находятся в 1-4 группах. То есть у них мало электронов снаружи. И им проще их отдать, чем притянуть недостающие. 

Ток – это перемещение таких вот свободных электронов по проводнику. То есть, чем легче атом расстается с валентными электронами, тем лучше его электропроводность. Соответственно, все металлы отлично справляются с этой задачей. 

К тому же, у металлов особенная кристаллическая решетка. Она состоит из прочных связей ионов и атомов. А электроны находятся в свободном состоянии, как бы мигрируют между связями. При воздействии электрического тока они приобретают направление движения. 

А у неметаллов или атомная, или молекулярная кристаллическая решетка. И их внешние валентные электроны задействуются в образовании связей. Так как они уже заняты, то не могут менять свое направление под воздействием электрического тока. Поэтому даже если у неметалла есть свободные электроны на внешней оболочке атома, они надежно закреплены в кристаллической решетке.  

Какие характеристики есть у металлов-проводников

Каждый металл и сплав по-разному проводит электрический ток. Мы разобрались, что среди металлов не может быть диэлектрика. Однако есть материалы, которые лучше или хуже справляются с электропроводностью. 

Чтобы выбрать металл с подходящими характеристиками, нужно посмотреть на: 

• Удельное электрическое сопротивление. Это способность металла препятствовать прохождению тока. Этот показатель меняется в зависимости от температуры. Чаще всего в металлах и сплавах сопротивление растет вместе с повышением температуры. Это объясняется тем, что атомы начинают более интенсивное колебание, что препятствует свободному и быстрому прохождению электронов по кристаллической решетке. Сопротивление измеряется в Ом*м.
• Удельная электрическая проводимость. Это обратный сопротивлению показатель, он характеризует то, насколько хорошо металл проводит электричество. Электропроводность измеряется в См/м. См – это сименс, не путать с сантиметрами. 

Эти свойства активно используют в электротехнике. Кроме металлов, электричество могут проводить некоторые кислоты, растворы щелочей, в том числе обычная соленая вода. Однако именно металлы используются в качестве наиболее устойчивого проводника. 

Какой металл лучше всего проводит электрический ток

В первую очередь стоит отметить, что хорошей электропроводностью обладают чистые металлы и сплавы. То есть те, в которых меньше всего примесей. Легирующие добавки могут улучшить прочностные свойства металлов, однако они плохо влияют на электрическую проводимость. Поэтому если нужен хороший проводник, специалисты используют чистые металлы. Но какие? 

Самыми лучшими проводниками считаются: 

• Серебро. Оно самое лучшее для проведения тока, однако относится к драгоценным цветным металлам, поэтому сейчас используется для создания проводов или контактов редко. Хотя в старых телевизорах или другой технике встретить посеребренные контакты можно достаточно легко. Удельная электропроводимость – 6,3 * 10^7 См/м. Сопротивление – 1,59 * 10^-8 Ом*м. 
• Медь. Среди остальных цветных металлов медь лидирует по электропроводности, она составляет 5,96 * 10^7 См/м, то есть совсем немногим меньше, чем у серебра. К тому же, медь долговечная, может испытывать воздействие как постоянного, так и переменного тока, повышенные температуры и длительный износ, но оставаться надежной. Это объясняет активное использование меди в качестве проводника. Из нее делают проволоку и катанку для кабелей, аноды для покрытия изделий тонким слоем электропроводной меди и многое другое. Сейчас медные провода – наиболее качественные и долговечные, но и более дорогие на рынке. 
• Золото. Следующий по очереди металл, который хорошо проводит электричество. Один минус – это дороговизна. Вспомним о том, что хорошие проводники – это чистый металл, а золото в чистом виде очень дорогое и чрезмерно пластичне, даже мягкое. Чтобы оценить стоимость золота в чистом виде, представим ювелирное украшение. Скорее всего оно сделано из 585 пробы, то есть в нем чуть больше половины золота, а остальное – примеси. Такое не годится в проводники. 
• Алюминий. Он имеет хорошие показатели удельной проводимости, но уступает меди из-за низкой температуры плавления. Подверженность высоким температурам приводит к снижению износостойкости и предельного напряжения. Поэтому алюминиевая проволока в основе кабелей применяется для менее важных электрических узлов, но однако используется в бытовой технике и при проведении электрической разводки. Электропроводность алюминия – 3,5 * 10^7 См/м, то есть в 2 раза ниже, чем у меди. 

Все остальные металлы значительно реже применяются в качестве проводников, потому что их показатели значительно уступают четверке лидеров. Однако стоит отметить металлы, которые стоят «в серединке»: 

• Вольфрам и нихром. Они имеют высокое электрическое сопротивление, поэтому не применяются при изготовлении кабелей. Напротив, из них делают электроды и нити накаливания, так как при прохождении через них электрического тока металлы сильно нагреваются. Однако вольфрам  – это самый тугоплавкий и твердый металл, поэтому его также используют для ряда деталей в электротехнических изделиях. 
• Цинк и никель. Эти металлы имеют близкий показатель электропроводности – 1,69 * 10^7 См/м и 1,43 * 10^7 См/м, соответственно. Цинк применяют для создания покрытия – оцинкованная сталь имеет более высокую электропроводность, чем неоцинкованная. Никель тоже в электротехнике в чистом виде применяется не часто, обычно в виде покрытий, а также в сочетании с хромом. Например, для экономии некоторые производители делают пластиковые контакты с никелевым покрытием. Также из никеля создают промежуточные защитные слои, чтобы два металла не вступали в реакцию. Например такая прослойка необходима между золотом и медью. 
• Железо. В сравнении с медью у железа очень низкая электропроводность – 1 * 10^7 См/м. Однако у металла есть большое преимущество – крайне низкая цена. Это делает возможным применение железа и в электротехнике. В этой отрасли железо применяется в сплавах, то есть используют преимущественно чугун и сталь. Из стали создают разного рода клеммные колодки, соединители, метизы для электроники и контуры заземления. Однако хороших стальных контактов без дополнительного покрытия медью или иными металлами с высокой электропроводностью не найти. 

Какие металлы хуже всего проводят электрический ток

Помним о том, что любой металл проводит электрический ток. Это основа самого определения металла. Однако у некоторых из них достаточно высокое удельное электрическое сопротивление. К ним относится ртуть, висмут, марганец, а также плутоний и германий. Их нельзя назвать диэлектриками, однако их электропроводность самая низкая среди металлов. 

Олово и платина – тоже не самые хорошие проводники. Особенно при комнатной температуре. К аутсайдерам также можно причислить галлий, цезий, бизмут. Однако эти металлы также находят свое применение в производстве. Например, из ртути делают термометры, ртутные выпрямители и коммутаторы.

Как используют электрическую проводимость металлов в промышленности

На способности металлов проводить электрический ток основано множество отраслей промышленности и науки. Сложно представить себе такие блага цивилизации, как освещение, электрификацию, телефон и бытовую технику, если бы не было известно свойств металлов проводить электричество. Металлы применяют в качестве проводников для: 

• производства кабелей; 
• создания моторов, генераторов, трансформаторов, индукционных нагревателей; 
• изготовления печатных плат; 
• производства пружин, контактных групп, разъемов. 

Металлы используют для производства энергии, а также превращения тепла в ток. Транспортировка, генерация и аккумуляция электроэнергии – все это доступно благодаря электропроводности металлов.