Проводимость и сопротивление - две взаимосвязанные характеристики материалов, определяющие их способность пропускать электрический ток. Давайте разберемся, что же такое электрическая проводимость, виды проводимости, от чего она зависит.
1. Определение электрической проводимости
Электрическая проводимость - это физическая величина, количественно характеризующая способность вещества проводить электрический ток под действием электрического поля. Иными словами, это мера того, насколько легко через данный материал будет протекать электрический ток при заданной разности потенциалов.
Как видно из определения, электрическая проводимость тесно связана с понятием электрического сопротивления - чем выше сопротивление вещества току, тем ниже его проводимость и наоборот. Математически эта связь выражается простой формулой:
Проводимость обратно пропорциональна сопротивлению.
В системе СИ электрическая проводимость измеряется в сименсах (См), а электрическое сопротивление - в омах (Ом).
2. Физический смысл электрической проводимости
Чтобы понять физический смысл электрической проводимости, нужно разобраться, что такое электрический ток и от чего он зависит.
Любой электрический ток представляет собой упорядоченное направленное движение заряженных частиц. Это могут быть как электроны, так и ионы. Заряженные частицы, способные к направленному движению под действием электрического поля, называются носителями заряда .
Из этого можно сделать вывод, что электрическая проводимость напрямую зависит от количества свободных носителей заряда в веществе и их способности к направленному движению (подвижности). Чем их больше и чем выше их подвижность - тем выше электропроводность.
3. Виды электрической проводимости
В зависимости от природы носителей заряда, выделяют несколько видов электропроводности:
- Электронная проводимость - носители заряда электроны. Характерна для металлов.
- Ионная проводимость - носители заряда ионы. Присуща жидкостям и газам, где есть свободные ионы.
- Дырочная проводимость - носители заряда "дырки" в кристаллической решетке полупроводников.
Рассмотрим подробнее каждый из этих видов.
Электронная проводимость
В металлах имеется большое количество свободных электронов, не связанных с атомами. Эти электроны легко перемещаются по решетке под действием электрического поля, образуя электрический ток. Поэтому металлы обладают электронной проводимостью.
С ростом температуры увеличивается тепловое движение атомов решетки, что препятствует упорядоченному движению электронов. Поэтому электронная проводимость металлов уменьшается с повышением температуры.
Ионная проводимость
В газах, жидкостях и расплавах солей имеются свободные ионы, способные переносить электрический заряд. Наличие таких ионов и их подвижность определяют ионную электропроводность этих веществ.
В отличие от металлов, ионная проводимость возрастает при повышении температуры. Это связано с тем, что:
- При нагревании увеличивается доля диссоциированных молекул, то есть растет концентрация свободных ионов
- Снижается вязкость среды, что облегчает направленное движение ионов
Таким образом, при повышении температуры как концентрация носителей заряда, так и их подвижность возрастают, что в сумме дает рост ионной проводимости.
Дырочная проводимость характерна для полупроводников. Отличительной особенностью полупроводников является наличие запрещенной зоны между валентной зоной, заполненной электронами и зоной проводимости. Электроны из валентной зоны могут переходить в зону проводимости, оставляя незаполненные состояния - "дырки".
Под действием электрического поля как свободные электроны зоны проводимости, так и дырки валентной зоны могут перемещаться, обеспечивая электропроводность полупроводника.
В отличие от металлов, проводимость полупроводников сильно зависит от температуры - с ее ростом резко возрастает концентрация как электронов проводимости, так и дырок. Поэтому полупроводники при нагревании становятся более проводящими.
4. Чем определяется величина электропроводности
Из вышесказанного можно сделать вывод, что величина электропроводности зависит от следующих факторов:
- Природы материала и его внутренней структуры
- Химического состава вещества
- Типа носителей заряда
- Концентрации носителей заряда
- Подвижности носителей заряда
- Температуры
- Внешних условий (давление, влажность и т.п.)
Для количественной оценки используется понятие удельной электропроводности - величины, показывающей электропроводность данного материала в расчете на единицу объема. В однородном изотропном веществе она выражается простой формулой:
σ = nqμ
где:
- σ - удельная электропроводность, См/м
- n - концентрация носителей заряда, м-3
- q - заряд носителя, Кл
- μ - подвижность носителей заряда, м2/В·с
Для случая, когда проводимость обусловлена несколькими типами носителей с различными параметрами, формула обобщается:
σ = ∑iniqiμi
Таким образом, зная параметры носителей заряда, можно теоретически рассчитать электропроводность материала. На практике такие расчеты не всегда тривиальны, но позволяют получить полезную информацию о природе носителей заряда и процессах электропроводности.
5. Как рассчитать электрическую проводимость
Для практических расчетов электропроводности используются приведенные выше формулы. Рассмотрим их применение на численном примере.
Пусть имеется полупроводниковый материал с электронной проводимостью. Параметры носителей заряда:
- Концентрация электронов n = 1016 м-3
- Заряд электрона q = -1,6·10-19 Кл
- Подвижность электронов μ = 0,05 м2/В·с
Требуется найти удельную электропроводность σ этого полупроводника. Подставляя значения в формулу, получаем:
σ = nqμ = 1016 ·(-1,6·10-19)·0,05 = -800 (Ом·м)-1
Отрицательный знак указывает на то, что носители заряда - электроны. Таким образом, зная основные параметры носителей заряда, можно рассчитать электропроводность вещества.
6. Температурная зависимость проводимости
Температура оказывает существенное влияние на все характеристики вещества, в том числе и на электропроводность. Рассмотрим, как меняется проводимость различных материалов с изменением температуры.
Металлы
Для металлов характерно уменьшение электропроводности при нагревании. При повышении температуры интенсифицируется тепловое движение ионов кристаллической решетки, что препятствует упорядоченному движению электронов, снижая их подвижность.
Полупроводники
В полупроводниках ситуация прямо противоположная - проводимость резко возрастает при нагревании. Это связано с увеличением концентрации носителей заряда за счет теплового возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости.
Электролиты
Для растворов и расплавов электролитов также характерен рост проводимости с повышением температуры. Это объясняется как увеличением числа носителей заряда (ионов), так и снижением вязкости, облегчающим их движение.
Таким образом, характер температурной зависимости электропроводности позволяет судить о природе носителей заряда в веществе.
7. Практическое применение знаний об электропроводности
Понимание механизмов и закономерностей электропроводности различных материалов имеет важное практическое значение. Рассмотрим некоторые примеры.
Выбор материалов в электротехнике
При создании различных электрических приборов и устройств необходимо учитывать электропроводность используемых материалов. Например, для изготовления обмоток электродвигателей используется медь с высокой проводимостью, чтобы минимизировать потери энергии.
Измерение параметров веществ
Измеряя зависимость электропроводности от температуры, концентрации и других факторов, можно определить различные характеристики веществ. Этот метод широко используется в физической химии и материаловедении.
8. Как объяснить электрическую проводимость
Для того, чтобы объяснить природу электропроводности какого-либо вещества, необходимо:
- Определить тип носителей заряда (электроны, ионы, дырки)
- Найти концентрацию носителей заряда и их заряд
- Измерить зависимость проводимости от температуры и других факторов
- Рассчитать подвижность носителей заряда
- Сопоставить полученные данные с имеющимися теоретическими представлениями о природе носителей заряда в данном материале
Выполнение этих пунктов позволяет получить количественное описание механизма электропроводности и понять, какие носители заряда и физические процессы за нее отвечают.
