background image

POMIAR KONDUKTYWNOŚCI ELEKTRYCZNEJ  

MATERIAŁÓW PRZEWODOWYCH 

 

1. CEL ĆWICZENIA 
 

Poznanie własności przewodnictwa materiałów elektrotechnicznych oraz sposobu 

pomiaru konduktywności materiałów przewodzących. 
 
2. WPROWADZENIE 
 

Przewodnictwo elektryczne jest wynikiem skierowanego ruchu ładunków elektrycznych 

w ośrodku pod działaniem pola elektrycznego. 

Nośnikiem prądu w gazach są jony i elektrony powstające ze zjonizowania atomów lub 

cząstek gazu. 

W cieczach i dielektrykach nośnikami prądu są jony, w przewodnikach stałych 

natomiast elektrony przewodnictwa (walencyjne), a w półprzewodnikach elektrony oraz 
dziury. Konduktywność materiałów przewodzących rośnie ze wzrostem liczby nośników, 
zmniejsza się natomiast ze wzrostem temperatury na skutek drgań cieplnych atomów w sieci 
krystalicznej oraz defektów sieci spowodowanych zanieczyszczeniami i obróbką plastyczną 
na zimno. 

Energetyczny model pasmowy ciała stałego definiuje pojęcia: idealnego przewodnika, 

idealnego dielektryka oraz półprzewodnika 

 
 

Pasmo przewodnictwa 

Pasmo podstawowe 

eV 

Pasmo przewodnictwa 

Pasmo podstawowe 

eV 

∆W

Z

Pasmo przewodnictwa 

Pasmo podstawowe 

eV 

∆W

Z

 

≅ 10 eV 

 

 

Rys. 1 Uproszczony model energetyczny ciał stałych. 

a – przewodników, b – półprzewodników, 

c – dielektryków (materiałów izolacyjnych) 

 

Do interpretacji zjawiska przewodnictwa wystarczy posłużyć się trzema związanymi z 

modelem pasmowym pojęciami: pasmem podstawowym (nazywanym także pasmem 
walencyjnym), pasmem wzbronionym i pasmem przewodnictwa (rys. 1). Przerwa 
energetyczna określona szerokością pasma wzbronionego 

∆W

z

 ma decydujący wpływ na 

wartość konduktywności. Z punktu widzenia pasmowej teorii przewodnictwa różnice we 
własnościach elektrycznych metali i dielektryków wynikają z różnego położenia pasm 
energetycznych względem siebie oraz z różnego ich wypełnienia elektronami. 

Koniecznym warunkiem przewodnictwa elektrycznego jest obecność wolnych 

poziomów energetycznych, na które może się przenieść elektron po nabyciu dodatkowej 
energii od zewnętrznego pola elektrycznego. Warunek ten może być spełniony w dwóch 
sytuacjach: gdy pasmo walencyjne jest tylko częściowo obsadzone przez elektrony (staje się 
wtedy tzw. pasmem przewodnictwa) oraz gdy występuje zazębienie się dwu sąsiednich pasm 
(zapełnionego walencyjnego i sąsiadującego z nim, pustego). 

background image

Teoria pasmowa tłumaczy dlaczego przewodnictwo elektryczne metali nie zależy od ich 

wartościowości. Przewodnictwo nie zależy od liczby wolnych elektronów, ale od liczby 
elektronów, dla których w górnym paśmie przewodnictwa występuje dostateczna liczba 
wolnych stanów energetycznych. 

Przy braku pola elektrycznego, elektrony przewodnictwa poruszają się z pewną 

prędkością w sposób chaotyczny. Z chwilą poddania metalu działaniu pola elektrycznego 
elektrony te są przyspieszane w kierunku przeciwnym do zwrotu wektora natężenia pola. Nie 
uzyskują one jednak coraz to większych energii, ponieważ są rozpraszane na skutek zderzeń z 
jonami, które drgają wokół swoich położeń równowagi w węzłach sieci krystalicznej i dlatego 
prędkość ich zmienia się tylko nieznacznie pod wpływem pola elektrycznego. Charakteryzuje 
to współczynnik ruchliwości elektronu i jest on wprost proporcjonalny do średniej drogi 
swobodnej elektronu. Elektrony w paśmie przewodnictwa podlegają także rozproszeniu na 
skutek obecności w strukturze materiału atomów innych pierwiastków. Domieszki odgrywają 
tym większą rolę, im większa jest różnica między masą atomową danego metalu, a masą 
atomową pierwiastka stanowiącego zanieczyszczenia (domieszki). 

Prędkość unoszenia elektronów swobodnych 

ϑ

u

  będąca wypadkową działania pola 

zewnętrznego i czynników rozpraszających ruch elektronów opisuje zależność (1) 

 

 

u

E

u

=

ϑ

 (1) 

gdzie: 

 – wektor natężenia pola elektrycznego E [V/m] 

 

u – ruchliwość swobodnych nośników ładunku elektrycznego u [m

⋅m/V⋅s] 

 

Konduktywność materiałów przewodowych opisuje zależność (2) 

 

 

=

=

m

i

i

i

i

u

q

n

1

γ

 (2) 

 
gdzie: n

i

 – koncentracja nośników ładunku elektrycznego [1/m

3

 

q

i

 – wielkość ładunku [C] 

 

m – liczba rodzajów nośników ładunku. 

 

Przy wzroście temperatury metalu rosną drgania cieplne jonów w węzłach sieci i tym 

bardziej staje się prawdopodobne rozpraszanie elektronu, a średnia droga swobodna i 
ruchliwość elektronu maleją. Tak więc ze wzrostem temperatury przewodność elektryczna 
metali maleje. 

Zmiana rezystywności metalu na jednostkę temperatury jest proporcjonalna do wartości 

rezystywności 

ρ: 

 

 

ρ

α

ρ

=

dT

d

, (3) 

gdzie 

α – współczynnik proporcjonalności zwany jako współczynnik temperaturowy 

rezystywności. 

Rozwiązanie tego równania można przedstawić w postaci szeregu: 
 

 



+

+

+

=

K

2

2

20

2

1

T

T

α

α

ρ

ρ

 (4) 

gdzie 

ρ

20

 – rezystywność odniesiona do temperatury pokojowej 20

°C (293 K) 

background image

T = T – 293. 
W zakresie temperatur odpowiadających warunkom eksploatacji przewodników, tj. od  

-30

°C do +200°C, wystarcza uwzględnienie dwóch pierwszych wyrazów szeregu, a 

mianowicie 

 

 

(

)

(

)

[

]

20

1

1

20

20

20

+

=

+

=

t

T

α

ρ

α

ρ

ρ

 (5) 

gdzie t – temperatura w 

°C,  

 

α

20

 – temperaturowy współczynnik rezystywności odniesiony do 20

°C. 

Wartości temperaturowego współczynnika rezystywności dla niektórych chemicznie 

czystych metali podano w tablicy 1 

 

Tablica 1 Własności elektryczne niektórych chemicznie czystych metali 

 

Metal 

γ MS/m 

ρ µΩ⋅m 

α 1/K 

srebro Ag 

61,8 

0,0162 

0,0040 

miedź Cu 

59,77 

0,01675 

0,0041 

złoto Au 

44,0 

0,023 

0,0038 

aluminium Al.  38,2 

0,0262 

0,0040 

wolfram W 18,2 

0,055 

0,0046 

cynk Zn 

16,9 

0,059 

0,0040 

kobalt Co 

16,1 

0,062 

0,0060 

nikiel Ni 

13,7 

0,073 

0,0065 

żelazo Fe 

10,3 

0,096 

0,0059 

platyna Pt 

9,53 

0,105 

0,0039 

cyna Sn 

8,8 

0,114 

0,0044 

 
W zakresie temperatur bardzo wysokich lub bardzo niskich rezystywność przewodników 
metalowych wykazuje zmiany skokowe. W przypadku temperatur bardzo wysokich jest to 
związane ze zmianą stanu skupienia ze stałego na ciekły. W przypadku temperatur bardzo 
niskich, zbliżonych do zera bezwzględnego występuje zjawisko nadprzewodnictwa, 
polegające na zaniku rezystywności niektórych przewodników. 

Rezystywność  dąży do zera gdy temperatura bezwzględna T dąży do zera, ponieważ 

zanikają wówczas drgania cieplne atomów w sieci krystalicznej. Temperatura przy której 
następuje skokowa zmiana rezystywności nazwano temperaturą krytyczną przejścia 
nadprzewodnictwa. Jak dotychczas nie uzyskano stanu nadprzewodnictwa w tak dobrych 
przewodnikach jak miedź i srebro. 
 
3. PROGRAM ĆWICZENIA 
 

Pomiary rezystancji materiałów przewodzących można przeprowadzić kilkoma 

metodami. Najbardziej rozpowszechnioną, a jednocześnie dokładną metodą jest pomiar 
mostkiem Thomsona. Laboratoryjne mostki Thomsona mają zakresy pomiarowe od 10

-7

 do 

Ω. Praktycznie stosowane w warunkach roboczych są techniczne mostki Thomsona o 

zakresach pomiarowych 10

-4 

÷ 1 Ω. Pomiaru rezystancji można także dokonać metodą 

porównawczą napięciową. Zakres pomiarowy oraz dokładność tej metody można poszerzyć 
stosując odpowiednie przyrządy pomiarowe. Przy zastosowaniu laboratoryjnych 
kompensatorów prądu stałego zakres pomiarowy wynosi od 10

-4

 do 10

13

 

Ω. 

Układ pomiarowy do badania rezystancji materiałów przewodzących składa się z 

laboratoryjnego mostka Thomsona o klasie dokładności 0,1. W skład układu pomiarowego 

background image

wchodzą dodatkowo: źródło napięcia stałego, amperomierz, wyłącznik główny, rezystor 
wzorcowy, rezystor regulacyjny (pozwalający na regulację wartości prądu) oraz obiekt 
badany. 

W układzie mostka znajdują się: 
–  podwójny rezystor R

a

, który w układzie mostka Thomsona pozwala na dekadowe 

dobranie oporników od 2 

× 10 Ω do 2 × 10000 Ω; 

– pięć przełączników podwójnych R

p

, posiadających po 10 pozycji, wskazujących 

wartości oporników dwóch ramion zmiennych mostka Thomsona (10 

× 10000 Ω,  

10 

× 1000 Ω, 10 × 100 Ω, 10 × 10 Ω, 10 × 1 Ω, 10 × 0,1 Ω); 

–  przycisk B – włączający w obwód baterię zasilającą podłączoną do zacisków 

± B 

(używany tylko w układzie mostka Wheatstone’a); 

–  przycisk G0,1 – włączający w obwód galwanometr podłączony do zacisków 

± G (w 

obwodzie galwanometru znajduje się opornik szeregowy 50 k

Ω, zmniejszający 

dziesięciokrotnie czułość galwanometru); przy pierwszym naciśnięciu następuje 
włączenie galwanometru do obwodu, przy powtórnym naciśnięciu wyłączenie 
galwanometru; 

–  przycisk G – włączający na czas trwania naciśnięcia galwanometr do obwodu; przez 

naciśnięcie tego przycisku galwanometr uzyskuje pełną czułość; 

– zaciski służące do podłączenia wg schematu (rys. 2): B – baterii zasilającej (w 

układzie mostka Wheatstone’a), G – galwanometru, X

1

 – oporności mierzonej (w 

układzie mostka Wheatstone’a), X

2

 – przewodów napięciowych oporności mierzonej 

(w układzie mostka Thomsona), R

n

 – przewodów napięciowych opornika 

wzorcowego (w układzie mostka Thomsona). 

 

A

G

Wh

Th

R

1

R

2

10

10

2

10

3

10

4

R

N

X

2

G

B

+

+

+

+

R

p

x 1000

x 100

x 10

x 0,1

x 1

B

G

G

0,1

X

1

+

R

N

R

x

 

 

Rys. 2. Układ do pomiaru rezystancji mostkiem Thomsona 

R

x

 – rezystor badany, R

1

=R

2

=R

a

 – oporniki stałych ramion mostka Thomsona, 

R

p

 – oporniki dekadowe, R

N

 – opornik wzorcowy 

background image

Obiektami badań  są próbki miedziane oraz aluminiowe w postaci odcinków o 

zróżnicowanych kształtach i przekrojach o długości pomiarowej od 100 do 500 mm. 
Umieszczane są one w specjalnej ławie pomiarowej (rys. 3) wyposażonej w parę zacisków 
prądowych oraz parę zacisków napięciowych, przy czym te ostatnie wydzielają na danej 
próbce odcinek o ściśle określonej długości. Ława pomiarowa przystosowana jest do badania 
próbek o długości od 100 do 500 mm, gdyż istnie możliwość przesuwania zacisków 
napięciowych w takim zakresie długości. 

 

500

500

500

1

2

1

2

 

 

Rys. 3. Ława pomiarowa 

1 – zaciski napięciowe, 2 – zaciski prądowe 

background image

 

3.1. Pomiary 

 

1. Przed 

przystąpieniem do pomiarów należy określić: 

– temperaturę otoczenia, która powinna być zawarta w przedziale 15 

÷ 20°C; 

– wilgotność względną (około 80 %); 
– wstępnie orientacyjną wartość rezystancji R

x

, obliczoną zgodnie z wzorem (6): 

 

 

s

l

R

γ

=

, (6) 

gdzie:  R –  rezystancja badanej próbki [

Ω], 

l –  długość pomiarowa próbki [m], 
s –  pole powierzchni przekroju próbki [mm

2

], 

γ –  konduktywność miedzi lub aluminium [MS/m] (dla miedzi 55 MS/m, dla 

aluminium 33 MS/m); 

– wartość rezystorów R

1

 = R

2

 = R

a

 w zależności od zastosowanego rezystora 

wzorcowego i oszacowanej wartości rezystancji R

x

. Doboru rezystora R

a

 dokonuje 

się na podstawie tablicy 2. 

 

Tablica 2 Wartość oporników stałych ramion mostka 

R

R

N

 = 0,1 

Ω 

R

N

 = 0,01 

Ω 

R

N

 = 0,001 

Ω 

0,00001 

÷ 0,0001 

 

 

 

0,0001 

÷0,001 

 

 

R

a

 = 10000 

0,001 

÷ 0,01 

 

R

a

 = 10000 

R

a

 = 1000 

0,01 

÷ 0,1 

R

a

 = 10000 

R

a

 = 1000 

R

a

 = 100 

0,1 

÷ 1 

R

a

 = 1000 

R

a

 = 100 

R

a

 = 10 

÷ 10 

R

a

 = 100 

R

a

 = 10 

 

 
2. Zamknąć główny wyłącznik w obwodzie pomiarowym i nastawić odpowiednią wartość 

prądu. 

3. Nacisnąć przycisk G0,1. Jeżeli galwanometr wychyla się w kierunku „-” zmniejszyć 

wartość oporników dekadowych R

p

. Przy wychyleniu się galwanometru w kierunku „+” 

należy zwiększyć wartość tych oporności. Zmniejszanie i zwiększanie oporności należy 
przeprowadzać najpierw na dekadach 

×1000, później ×100, dalej ×10, ×1 i ×0,1. 

4. Z 

chwilą osiągnięcia położenia zerowego galwanometru, należy zwiększyć czułość 

galwanometru przez wciśnięcie (i przytrzymanie) przycisku G. 

5. Ponownie 

doprowadzić galwanometr do położenia zerowego. 

6. Po 

zakończonym pomiarze zwolnić przycisk G, a następnie wyłączyć galwanometr 

przez ponowne wciśnięcie przycisku G0,1. 
Wartość oporności mierzonej R

x

, oblicza się wg wzoru (7): 

 

 

a

p

N

x

R

R

R

R

=

. (7) 

 

Pomiar rezystancji badanych próbek należy wykonać dla dwu kierunków prądu i jako 

rezultat pomiarów przyjąć wartość średnią. 

Wyniki pomiarów należy ująć w tablicy 3 

background image

Tablica 3 Wyniki pomiarów rezystancji próbek 

R

R

p+

 

R

p–

 

R

psr

 

R

a

 

R

N

 

R

x(t) 

t R

x(20) 

γ

20 

Lp. 

Oznaczenie 

próbki 

Ω 

Ω 

Ω 

Ω 

Ω 

Ω 

°C 

Ω 

MS/m

 
 
 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2. Opracowanie wyników pomiarowych 
 

Wyniki pomiarów zestawione w tablicy 3 i uzupełnione dodatkowymi obliczeniami są 

podstawą do obliczenia ostatecznego wyniku pomiaru tj. konduktywności metalu mierzonej 
próbki w warunkach normalnych w temperaturze 20

°C. 

Średnią wartość rezystancji R

p

 oblicza się z zależności (8) 

 

 

2

+

+

=

p

p

psr

R

R

R

, (8) 

 

gdzie: R

p+

 – wartość rezystancji R

p

 dla biegunowości +, 

 

R

p–

 – wartość rezystancji R

p

 dla biegunowości –. 

Wyznaczoną zgodnie ze wzorem (7) rezystancję R

x

 dla temperatury 

t należy przeliczyć 

na temperaturę 20

°C zgodnie ze wzorem: 

 

)

20

(

1

20

α

+

=

t

R

R

x

x

, (9) 

gdzie 

α – cieplny współczynnik rezystywności (tablica 1). 

Ostatecznym wynikiem pomiaru będzie wartość konduktywności 

γ

20

 badanego 

przewodnika w temperaturze 20

°C obliczona ze wzoru (10): 

 

 

s

R

l

20

20

=

γ

, (10) 

a następnie przedstawiona jako wartość średnia konduktywności wszystkich badanych próbek 
tego samego materiału: 
 

 

m

m

b

a

sr

20

20

20

20

γ

+

+

γ

+

γ

=

γ

K

 (11) 

 
4. LITERATURA 
 
[1] Celiński Z.: Materiałoznawstwo elektrotechniczne. Oficyna Wydawnicza Politechniki 

Warszawskiej, Warszawa 2005 r. 

[2] Kolbiński K., Słowikowski J.: Materiałoznawstwo elektrotechniczne. WNT, Warszawa 

1988 r. 

[3] Daszyński J., Hagel R.: Miernictwo elektryczne. WSP Warszawa 1985 r. 
[4] Instrukcja obsługi laboratoryjnego mostka Thomson-Wheatsone’a MWT-77a