Что такое удельная проводимость
Содержание
Электрическая проводимость различных веществ определяет их способность пропускать электрический ток. Она связана с наличием свободных зарядов, способных передвигаться внутри материала. Электропроводимость описывает общую способность вещества сопротивляться протеканию тока.
Различие между удельной проводимостью и электропроводимостью
Удельная проводимость веществ и электрическая проводимость проводников — это разные физические величины. Электрическая проводимость — это свойство проводника или электрического компонента, например, резистора, катушки, транзистора и тому подобное. Удельной проводимостью обладают вещества, из которых изготавливаются проводники или электрические компоненты. Например, удельная электропроводность меди является всегда одинаковой и не зависит от формы и размера проводника, для изготовления которого она использовалась. Но при этом значение электропроводности медного провода зависит от диаметра, длины, формы и прочих параметров физического тела.
Удельная электропроводность — это величина, обратная удельному сопротивлению. Ее можно выразить как отношение плотности тока и напряженности электрополя.
Если рассматривать проводник в форме куба, стороны которого равняются 1 м, то удельная проводимость будет соответствовать электропроводности, измеренной между двумя противоположными гранями данного куба.
Электрическая и удельная проводимость различных веществ связаны следующим уравнением:
Данная формула справедлива как для проводника цилиндрической формы, так и призматической.
В чем измеряется
В системе СИ единицей измерения удельной проводимости является сименс на метр (См/м). Она так названа в честь немецкого изобретателя и ученого Вернера фон Сименса. Ее обозначение — См.
Диапазон удельной электропроводности довольно широк. Самый низкий показатель имеют вещества с высоким удельным сопротивлением (диэлектрики). Высокая УП свойственна металлам, таким как медь, алюминий, золото, серебро. Средние значения присущи водным растворам различных веществ (электролитам).
Удельная проводимость металлов и прочих веществ определяется количеством носителей зарядов (электронов, ионов), скоростью их перемещения и тем количеством энергии, которое они способны переносить. Ниже представлена таблица с электропроводностью некоторых веществ.
Проводимость и носители заряда
Электрическая проводимость веществ обусловлена способностью носителей заряда, присутствующих в этих веществах, свободно перемещаться в межатомном пространстве. Исходя из этой способности, выделяют разные типы проводимости:
- Проводники характеризируются высокой проводимостью благодаря большому количеству свободных электронов.
- Полупроводники отличаются тем, что их уровень проводимости можно регулировать.
- Диэлектрики обладают крайне низкой электропроводностью, что позволяет им служить хорошими изоляторами тока.
В диэлектриках, пребывающих в равновесном состоянии, свободные электроны отсутствуют. Электрическая проводимость (ниже ЭП) этих материалов может увеличиваться при повышении температуры. Механизм ЭП связан с перемещением ионов между соседними узлами кристаллической решетки.
Полупроводники могут иметь такие виды проводимости, как электронная и дырочная. Электронная проводимость связана с движением электронов, а дырочная, соответственно, дырок.
Подвижность электронов и дырок намного больше, чем ионов, поэтому ЭП полупроводников выше по сравнению с диэлектриками, но она сильно зависит от таких внешних воздействий, как освещение, температура, давление, ионизирующее излучение.
Проводники отличаются высокой концентрацией свободных заряженных частиц. Они присутствуют в этих веществах даже при температуре, равной абсолютному нулю. К проводникам относят металлы и электролиты. Последние обладают ионной проводимостью, а электронная проводимость характерна для металлов.
Еще одна характерная особенность металлов — невысокая поперечная проводимость. Так называют способность материала проводить ток в направлении, перпендикулярном направлению самого тока. Для некоторых полупроводников показатели поперечной проводимости могут быть довольно существенными.
Механизм проводимости металлов
В металлах ток проводимости возникает благодаря тому, что валентные электроны в кристаллических решетках этих материалов слабо связаны с ядром, поэтому могут свободно перемещаться от одного атома к другому. Когда к проводнику прикладывается внешнее напряжение, свободные электроны начинают двигаться однонаправлено, в результате возникает так называемый ток проводимости.
Плотность тока проводимости определяется с помощью формулы:
Так как электропроводность является коэффициентом пропорциональности между плотностью тока и напряженностью электрополя, то можно записать такую формулу:
Данная формула относится к материальным уравнениям. Ее называют законом Ома в дифференциальной форме.
Согласно классической теории металлов, справедливым является следующее уравнение:
Высокой подвижностью электронов объясняется высокая электропроводность металлов. Наилучшие показатели у серебра, меди, золота, алюминия. ЭП стали и вообще железа несколько хуже. Сплавы стали и легирующих веществ также обладают худшими показателями, чем чистые металлы. Низколегированные и углеродистые стали проводят электроток в несколько раз лучше по сравнению с высоколегированными и жаропрочными материалами, содержащими высокий процент хрома и никеля.
Факторы, влияющие на электропроводность
Электропроводность материалов тесно связана с их физическими параметрами. Основные факторы влияния включают:
- Температуру. Обычно электропроводность металлов уменьшается с повышением температуры. Это связано с тем, что при более высоких температурах атомы в веществе начинают колебаться сильнее, что затрудняет свободное движение электронов. У полупроводников, наоборот, ЭП увеличивается при нагреве, что обусловлено образованием большего количеств свободных заряженных частиц.
- Концентрацию свободных электронов. Чем больше свободных электронов, тем выше электропроводность.
- Плотность. Плотные материалы часто обладают более высоким значением, так как в них больше свободного пространства для движения электронов.
- Чистоту химического состава. Чистые ресурсы, особенно металлы, проявляют более высокую электропроводность. Наличие примесей и дефектов существенно снижает эффективность передачи электрического тока.
Связь электропроводности с теплопроводностью
Механизм как электропроводности, так и теплопроводности основывается на движении свободных носителей заряда. Связь между этими двумя физическими величинами устанавливает закон Видемана-Франца. Его формула выглядит так:
У одних веществ зависимость электропроводности от температуры выражена сильнее, а у других — слабее. Например, некоторые сплавы (константан, манганин, фехраль) в определенном интервале температур практически не меняют свое удельное сопротивление, поэтому их используют для изготовления термостабильных резисторов.
Металлы используются для изготовления различных деталей электроустройств, служат присадками в припоях, покрытиями для диэлектриков. Эти проводники применяются также в виде компонентов клеевых составов и красок, обеспечивая им хорошую проводимость тока. Материалы с высокой электропроводностью используются в качестве элементов разнообразного контактного оборудования — реле, рубильников, выключателей.
Удельная проводимость позволяет нам понимать, как материалы взаимодействуют с электричеством. Это необходимо учитывать как при эксплуатации уже существующих электрических систем, так и при создании новых устройств и технологий.
Загрузка...
