Conductivitate electrică ( conductivitate electrică, conductivitate ) - capacitatea unui corp (mediu) de a conduce curentul electric , o proprietate a unui corp sau mediu care determină apariția unui curent electric în ele sub influența unui câmp electric . De asemenea o mărime fizică care caracterizează această capacitate și este opusul rezistenței electrice [1] .
În Sistemul Internațional de Unități (SI), unitatea de măsură a conductivității electrice este Siemens (desemnare rusă: Sm ; internațional: S ), definită ca 1 Sm = 1 Ohm −1 , adică ca conductivitate electrică a unei secțiuni a unui circuit electric cu o rezistență de 1 Ohm [2] .
De asemenea, termenul de conductivitate electrică (conductivitatea electrică a unui mediu, substanță) este folosit pentru a se referi la conductivitate electrică specifică (vezi mai jos) .
Prin conductivitate electrică se înțelege capacitatea de a conduce în primul rând curentul continuu (sub influența unui câmp constant), în contrast cu capacitatea dielectricilor de a răspunde la un câmp electric alternativ prin fluctuații ale sarcinilor legate ( polarizare alternativă ) care creează un curent alternativ. . Curentul de conducție este practic independent de frecvența câmpului aplicat (până la anumite limite, în regiunea de joasă frecvență).
Conductivitatea electrică a unui mediu (substanță) este legată de capacitatea particulelor încărcate (electroni, ioni) conținute în acest mediu de a se mișca suficient de liber în el. Mărimea conductivității electrice și mecanismul acesteia depind de natura (structura) unei substanțe date, de compoziția sa chimică, de starea de agregare, precum și de condițiile fizice, în primul rând, cum ar fi temperatura .
Conductivitatea electrică specifică (conductivitatea specifică) este o măsură a capacității unei substanțe de a conduce curentul electric . Conform legii lui Ohm, într-o substanță izotropă liniară , conductivitatea specifică este coeficientul de proporționalitate dintre densitatea curentului emergent și mărimea câmpului electric din mediu:
unde este conductivitatea specifică, este vectorul de densitate de curent , este vectorul intensității câmpului electric .Într-un mediu neomogen, σ poate depinde (și în general depinde) de coordonate, adică nu coincide în diferite puncte ale conductorului.
Conductivitatea specifică a mediilor anizotrope (spre deosebire de izotrope) este, în general, nu un scalar, ci un tensor (tensor simetric de rang 2), iar înmulțirea cu acesta se reduce la multiplicarea matriceală :
în acest caz, densitatea curentului și vectorii intensității câmpului nu sunt în general coliniari .
Pentru orice mediu liniar, se poate alege local (și dacă mediul este omogen, atunci global) așa-numitul bază proprie - un sistem ortogonal de coordonate carteziene, în care matricea devine diagonală, adică ia forma în care doar trei din cele nouă componente sunt nenule: , și . În acest caz, notând ca , în loc de formula anterioară, obținem o formulă mai simplă:
Mărimile se numesc valorile principale ale tensorului de conductivitate. În cazul general, relația de mai sus este valabilă doar într-un sistem de coordonate [3] .
Reciproca de conductivitate se numește rezistivitate .
În general, relația liniară scrisă mai sus (atât scalară, cât și tensorală) este adevărată în cel mai bun caz [4] aproximativ, iar această aproximare este bună numai pentru valori relativ mici ale lui E. Cu toate acestea, chiar și la astfel de valori ale lui E , atunci când abaterile de la liniaritate sunt vizibile, conductivitatea electrică își poate păstra rolul de coeficient în termenul de expansiune liniară, în timp ce alți termeni, mai mari, de expansiune vor oferi corecții care oferă o precizie bună. .
De asemenea, în cazul unei dependențe neliniare a lui J de E (adică în cazul general), se poate introduce în mod explicit o conductivitate electrică diferențială în funcție de E :
(pentru medii anizotrope: ).Conductivitatea electrică a tuturor substanțelor este asociată cu prezența purtătorilor de curent (purtători de sarcină) în ele - particule mobile încărcate (electroni, ioni) sau cvasiparticule (de exemplu, găuri într-un semiconductor) care se pot deplasa pe o distanță lungă într-o anumită substanță. , putem spune pur și simplu ce înseamnă că o astfel de particulă sau cvasi-particulă ar trebui să poată parcurge într-o anumită substanță o distanță infinit de mare, cel puțin macroscopică, deși în unele cazuri particulare, purtătorii se pot schimba, fiind născuți și distruși ( în general vorbind, uneori, poate, chiar și după o distanță foarte scurtă), și poartă curent, înlocuindu-se unul pe altul [5] .
Deoarece densitatea de curent este determinată pentru un tip de purtători prin formula:
unde este taxa unui transportator, este concentrația de purtători, este viteza lor medie,sau pentru mai mult de un tip de purtători, numerotate printr -un indice care variază de la 1 la numărul de tipuri de purtători, fiecare dintre ele putând avea propria sa sarcină (posibil diferită ca mărime și semn), propria sa concentrație, propria sa viteză medie (sumare). în această formulă este implicată peste toate tipurile de purtători disponibili), atunci, având în vedere că viteza medie (constantă) a fiecărui tip de particule atunci când se deplasează într-o anumită substanță (mediu) este proporțională cu câmpul electric aplicat (în cazul în care mișcarea este cauzată de acest câmp, pe care îl luăm în considerare aici):
unde este coeficientul de proporționalitate, numit mobilitate și în funcție de tipul de purtător de curent în acest mediu particular [6] .Rezultă că următoarea expresie este valabilă pentru conductibilitatea electrică:
sau:
- pentru mai mult de un tip de media.Greacă se citește „sigma”
Chiar înainte de descoperirea electronilor, s-a constatat că fluxul de curent în metale, spre deosebire de curentul din electroliții lichizi, nu se datorează transferului de materie metalică. Un experiment realizat de fizicianul german Carl Viktor Eduard Eduard în 1901 a constat în faptul că, prin contactele diferitelor metale, doi cilindri de cupru și unul de aluminiu cu capete lustruite cu grijă, așezate unul peste celălalt, în cursul anului un trecea curent continuu. Apoi a fost studiată compoziția materialului de lângă contacte. S-a dovedit că nu există niciun transfer al substanței metalice peste interfață, iar substanța de pe părțile opuse ale interfeței are aceeași compoziție ca înainte de trecerea curentului. Astfel, s-a demonstrat că transferul de curent electric este efectuat nu de atomi și molecule de metale, ci de alte particule. Cu toate acestea, aceste experimente nu au răspuns la întrebarea despre natura purtătorilor de sarcină în metale [7] .
Legea Wiedemann-Franz , care este valabilă pentru metale la temperaturi ridicate, stabilește o relație neechivocă între conductivitatea electrică și coeficientul de conductivitate termică K :
unde k este constanta Boltzmann , e este sarcina elementară .Această conexiune se bazează pe faptul că atât conductivitatea electrică, cât și cea termică a metalelor se datorează mișcării electronilor de conducție liberă.
Viteza de mișcare a ionilor depinde de puterea câmpului electric, de temperatură, de vâscozitatea soluției, de raza și sarcina ionului și de interacțiunea interionică.
În soluțiile de electroliți puternici, natura dependenței de concentrație a conductibilității electrice este observată datorită acțiunii a două efecte reciproc opuse. Pe de o parte, pe măsură ce diluția crește, numărul de ioni pe unitatea de volum al soluției scade. Pe de altă parte, viteza lor crește din cauza slăbirii frânării de către ionii de semn opus.
Pentru soluțiile de electroliți slabi se observă natura dependenței de concentrație a conductibilității electrice, care poate fi explicată prin faptul că o creștere a diluției duce, pe de o parte, la o scădere a concentrației moleculelor de electroliți. În același timp, numărul de ioni crește datorită creșterii gradului de ionizare.
Spre deosebire de metale (conductori de primul fel), conductivitatea electrică a soluțiilor atât de electroliți slabi, cât și puternici (conductori de al 2-lea fel) crește odată cu creșterea temperaturii. Acest fapt poate fi explicat printr-o creștere a mobilității ca urmare a scăderii vâscozității soluției și a slăbirii interacțiunii interionice.
Efect electroforetic - apariția decelerării purtătorilor datorită faptului că ionii de semn opus sub acțiunea unui câmp electric se mișcă în direcția opusă direcției de mișcare a ionului considerat.
Efectul de relaxare este decelerarea purtătorilor datorită faptului că ionii în mișcare sunt localizați asimetric față de atmosferele lor ionice. Acumularea de sarcini de semn opus în spațiul din spatele ionului duce la încetinirea mișcării acestuia.
La tensiuni mari ale câmpului electric, viteza de mișcare a ionilor este atât de mare încât atmosfera ionică nu are timp să se formeze. Ca urmare, inhibarea electroforetică și a relaxării nu apare.
Conductivitatea specifică este dată la +20 ° C [8] :
Substanţă | cm /m | Substanţă | cm /m | Substanţă | cm /m | Substanţă | cm /m | Substanţă | cm /m |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
argint | 62 500 000 | molibden | 18 500 000 | staniu | 8 330 000 | Mercur | 1.040.000 | marmură | 10 -8 |
cupru | 59.500.000 [9] | tungsten | 18 200 000 | otel turnat | 7 690 000 | nicrom | 893 000 | sticlă | 10 −11 |
aur | 45 500 000 | zinc | 16 900 000 | conduce | 4.810.000 | grafit | 125 000 | porţelan | 10 −14 |
aluminiu | 38.000.000 [9] | nichel | 11 500 000 | nichel-argint | 3.030.000 | apa de mare | 3 | sticlă de cuarț | 10 −16 |
magneziu | 22.700.000 | fier pur | 10.000.000 | constantan | 2.000.000 | pământul este ud | 10 −2 | chihlimbar | 10 −18 |
iridiu | 21 100 000 | platină | 9 350 000 | manganina | 2.330.000 | apa distilata. | 10 −4 |
conductoare | Materiale|
---|---|