Электропроводность

Электропроводность – способность вещества проводить электрический ток.
Электропроводность возникает в электрическом поле.
Электропроводность свойственна всем веществам, но для того, чтобы она была значительной, необходимо, чтобы в веществе были свободные заряды.
Электропроводностью также называют удельную электропроводность – количественную меру этой способности.
Удельная электропроводность обратно пропорциональна удельному сопротивлению.
Удельная электропроводность обычно обозначается греческой буквой ? и измеряется в системе СИ в Сименса на метр, в СГС размерность электропроводности – обратная секунда (с -1). Она устанавливает связь между плотностью тока и напряженностью электрического поля



В общем случае удельная электропроводность является тензором второго ранга, но в для многих веществ этот тензор сводится к скаляра.
Понятие удельной электропроводности можно применять тогда, когда выполняется закон Ома. Во многих неоднородных системах закон Ома несправедлив, и даже при очень малых приложенных полях, зависимость тока от напряжения нелинейная.
Электропроводность обусловлена преимущественным движением заряженных частиц, носителей заряда в направлении электрического поля. Носителями заряда могут быть электроны, дырки или ионы. Для обеспечения проводимости носители заряда должны быть свободными.
В электрическом поле на носитель заряда действует сила , Где q – заряд, а – Напряженность электрического поля. Под действием этой силы носитель заряда ускоряется и набирает энергию. Однако это ускорение не безгранично. Помешать ему становятся столкновения с другими носителями заряда, ионами или нейтральными атомами. Во время таких столкновений энергия электрона рассеивается и превращается в тепло. Прохождения тока через вещество всегда сопровождается выделением тепла. Величина электропроводности зависит, таким образом, не только от концентрации свободных носителей заряда и напряженности поля, но и от частоты столкновений носителей заряда, которая описывается так называемой длиной свободного пробега.
С квантовомеханической точки зрения определяющими факторами для проводимости также являются акты рассеяния – столкновение носителей заряда с различными дефектами структуры. Одним из выводов зонной теории утверждает, что свободные квазичастицы – электроны и дырки, движущихся через идеальный кристалл, как сквозь вакуум, не чувствуя присутствия ионов в узлах кристаллической решетки. Рассеяния носителей заряда происходит на дефектах кристаллической решетки: атомах примеси, атомах кристалла, смещенных со своего положения благодаря тепловым колебаниям, т. Важную роль в определении проводимости играет принцип запрета Паули, запрещающий носителям заряда переходить в состояния, заняты другими носителями заряда того же рода.
Проводимость различных сред лежит в очень широких пределах – от бесконечно малой до бесконечно большой. Бесконечно малую проводимость имеет вакуум, в котором отсутствуют заряженные частицы, бесконечно большую – сверхпроводники. В зависимости от величины проводимости материалы делят на проводники и изоляторы. Промежуточную позицию между этими двумя группами занимают полупроводники.
Проводимость различных сред
В вакууме отсутствуют электрические заряды, поэтому его проводимость бесконечно мала. Однако, если инжектировать электроны в вакуум, то он становится хорошим проводником. Это явление используется в вакуумных лампах. Электроны в них инжектируются в вакуум из нагретого катода благодаря явлению термоэлектронной эмиссии. Проводимость вакуума ограничена образованием области пространственного заряда – отрицательно заряженной электронного облака между катодом и анодом, которая оказывает преграды вылета электронов с катода.
Как и в вакууме, в газах обычно нет свободных носителей заряда. Их можно инжектировать из катода. Однако при своем движении к аноду инжектировано в газ электроны испытывают столкновений с атомами газа и рассеиваются. С одной стороны это уменьшает проводимость, но с другой стороны, электроны, разогнанные электрическим полем до высоких скоростей, могут ионизировать атомы газа, выбивая из них электроны и создавая положительные ионы. Новые электроны и ионы движутся к аноду или катоду, соответственно, увеличивая электрический ток. В зависимости от приложенного напряжения и химического состава газа эти явления приводят к возникновению ряда различных типов газовых разрядов, расслоение промежутке между анодом и катодом на зоны с разными свойствами, т.
Большинство жидкостей не имеют свободных носителей заряда и являются диэлектриками. Исключение составляют электролиты, например вода или растворы солей в воде. В электролитах часть нейтральных молекул диссоциирует, образуя отрицательно и положительно заряженные ионы. Электропроводность электролитов обусловлена движением этих ионов к аноду и катоду, соответственно. На аноде и катоде ионы восстанавливаются или окисляются, вступают в химические реакции. Все это приводит к возникновению различных гальванических эффектов.
В металлах есть свободные носители зарядов – электроны. Зонная структура металлов характеризуется наполовину заполненной валентной зоной. Однако лишь электроны с энергиями близкими к уровню химического потенциала могут ускоряться электрическим полем. На пути ускорения электронов с меньшей энергией становится принцип запрета Паули. Таким образом, в проводимость вносят вклад только электроны с энергиями, лежащими в промежутке (K