Электропроводность

Также термин электропроводность (электропроводность среды, вещества) используется для обозначения удельной электропроводности (см. ниже).

Содержание

Электропроводность (проводимость, проводимость) – это способность тела (среды) проводить электрический ток, свойство тела или среды, определяющее образование в нем электрического тока при воздействии электрического поля. Это также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению.

В Международной системе единиц (СИ) единицей электропроводности является сима (русская: См; международная: S), определяемая как 1 См = 1 Ом-1, т.е. как электропроводность участка электрической цепи с сопротивлением 1 Ом.

Электропроводность означает способность проводить преимущественно постоянный ток (под воздействием постоянного поля), в отличие от способности диэлектриков реагировать на переменное электрическое поле колебаниями связанных зарядов (переменная поляризация), которые создают переменный ток. Ток проводимости практически не зависит от частоты приложенного поля (до определенных пределов, в низкочастотном диапазоне).

Связанные термины

Ссылки на литературу

Связанные условия (продолжение)

Магнитосопротивление (эффект магнитосопротивления) – это изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Этот эффект был впервые обнаружен в 1856 году Уильямом Томсоном. В общем случае мы можем говорить о любом изменении тока через образец при одном и том же приложенном напряжении и изменении магнитного поля. Все вещества обладают магнитосопротивлением в большей или меньшей степени. Для сверхпроводников, способных проводить электрический ток без сопротивления, существует критическое магнитное поле, которое создает помехи.

109-1010 Гц) в однородном мультидолиниевом полупроводнике при приложении к нему сильного электрического поля. Впервые этот эффект был замечен Джоном Ганном в 1963 году в арсениде галлия, затем явление осцилляции тока было обнаружено в фосфиде индия, фосфиде галлия и некоторых других полупроводниковых соединениях.

Беззазорные полупроводники – это вещества, ширина полосовой щели которых равна нулю (см. зонную теорию). В беззазорных полупроводниках дно полосы проводимости и потолок валентной полосы имеют одинаковую энергию. Беззазорные полупроводники отличаются от обычных полупроводников отсутствием энергетического порога для электронно-дырочных пар, а от металлов – гораздо меньшей плотностью электронных состояний.

В гармоническом приближении колебания атомов решетки вокруг равновесного положения представляются как совокупность квазичастиц, называемых фононами. Все они обладают спином и поэтому являются бозонами. Знание фононного спектра (зависимости энергии фонона от волнового вектора) позволяет определить коэффициенты теплопроводности, скорость звука, теплоемкость фононов, спектры Рамана и другие параметры кристалла.

Когда заряды свободно перемещаются внутри проводника, они встречают на своем пути различные микрочастицы, с которыми они сталкиваются и отдают часть энергии. Известно, что проводники нагреваются. Это происходит именно потому, что энергия электронов, преодолевая сопротивление, рассеивается в виде тепловой эмиссии.

Проведение электричества через материалы

Для того чтобы говорить об электропроводности, необходимо вспомнить природу электрического тока как такового. Например, когда вещество помещается в электрическое поле, вокруг него перемещаются заряды. Это движение и вызывает действие электрического поля. Именно поток электронов и является электрическим током. Ток, как мы знаем из школьных уроков физики, измеряется в амперах и обозначается латинской буквой I. 1 A представляет собой электрический ток, который переносит заряд в 1 Кулон за одну секунду.

Электрический ток имеет несколько видов, а именно:

Постоянный ток, который не изменяется относительно индекса и траектории в любой момент времени;
Переменный ток, который меняет свою экспоненту и траекторию с течением времени (вырабатывается генераторами и трансформаторами);
пульсирующий ток, который претерпевает изменения в величине, но не меняет своего направления.

Показатель электропроводности напрямую связан с содержанием в материале свободно движущихся зарядов, не связанных с кристаллической решеткой, молекулами или атомами.

В зависимости от степени электропроводности материалы делятся на следующие типы:

проводники;
диэлектрики;
полупроводники.

Высокая степень проводимости интерпретируется в электронной теории. Так электроны перемещаются между атомами по всему проводнику благодаря их слабой валентной связи с ядрами. Другими словами, свободно движущиеся заряженные частицы внутри металла закрывают пустые пространства между атомами и характеризуются хаотичным движением. Однако, если поместить металлический проводник в электрическое поле, электроны упорядочат свое движение, двигаясь к полюсу с положительным зарядом. Это и создает электрический ток. Скорость распространения электрического поля в пространстве близка к скорости света. Это скорость, с которой электрический ток движется внутри проводника. Важно отметить, что это не скорость самих электронов (их скорость весьма мала и составляет максимум несколько мм/с), а скорость распространения электричества в веществе.

Когда заряды свободно перемещаются в проводнике, они встречают на своем пути различные микрочастицы, с которыми они сталкиваются и получают определенную энергию. Известно, что проводники нагреваются. Это происходит потому, что при преодолении сопротивления энергия электронов рассеивается в виде теплового выделения.

Такие зарядовые “аварии” создают препятствие для движения электронов, которое в физике называется сопротивлением. Малое сопротивление не будет сильно нагревать проводник, в то время как большое сопротивление будет достигать высоких температур. Последнее явление используется как в нагревательных приборах, так и в традиционных лампах накаливания. Сопротивление измеряется в омах. Он обозначается латинской буквой R.

Электропроводность – Явление, описывающее способность металла или электролита проводить электричество. Это обратная величина электрического сопротивления.
Он измеряется в сименсах (см) и обозначается буквой G.

Поскольку атомы образуют препятствие для протекания тока, коэффициент удельного сопротивления вещества изменяется. Для обозначения этого был введен термин удельное сопротивление (Ом-м), который как раз и информирует о проводимости вещества.

Современные проводящие материалы имеют форму тонких лент или проводов определенного сечения и определенной длины. Проводимость и удельное сопротивление измеряются в следующих единицах: См-м/мм.кв/м и Ом-м.кв/м, соответственно.

Таким образом, удельное электрическое сопротивление и электропроводность – это характеристики проводимости материала с площадью поперечного сечения 1 мм² и длиной 1 м. Температура для характеристики – 20 градусов Цельсия.

Хорошими проводниками электричества среди металлов являются драгоценные металлы – золото и серебро, а также медь, хром и алюминий. Стальные и железные проводники имеют более слабые характеристики. Стоит отметить, что металлы в чистом виде обладают лучшей электропроводностью, чем металлические сплавы. Вольфрам, нихром и твердые проводники при необходимости используются для получения высокого удельного сопротивления.

Зная значения удельного сопротивления или проводимости, очень легко рассчитать сопротивление и проводимость данного проводника. При расчетах необходимо учитывать длину и площадь поперечного сечения рассматриваемого проводника.

Важно знать, что электропроводность, а также сопротивление любого материала напрямую зависят от температуры. Это происходит потому, что при изменении температуры меняются частоты и амплитуды колебаний атомов. Таким образом, при повышении температуры параллельно увеличивается сопротивление потоку движущихся зарядов. При снижении температуры сопротивление уменьшается, а электропроводность увеличивается.

В некоторых материалах зависимость между температурой и сопротивлением очень ярко выражена, в других – слабее.

Если в кристаллической решетке материала недостаточно электронов, может возникнуть дырочная проводимость. Электроны имеют заряд, но действуют как своего рода пустое пространство, поскольку вокруг них перемещаются дырки – пустые места в кристаллической решетке материала. Свободные электроны не перемещаются в металлах подобно газовому облаку.

Что такое электропроводность

Говоря о свойстве тела препятствовать прохождению через него электрического тока, мы обычно используем термин “электрическое сопротивление”. В электронике это удобно; существуют даже специальные микроэлектронные компоненты, резисторы, которые имеют некое номинальное сопротивление.

Но существует также понятие “электропроводность” или “электропроводность”, которое описывает способность тела проводить электрический ток.

Сопротивление, с другой стороны, обратно пропорционально току, Проводимость прямо пропорциональна силе тока, т.е. проводимость является обратной величиной электрического сопротивления.

Сопротивление измеряется в омах, а проводимость – в симианах. В действительности, однако, мы всегда говорим об одном и том же свойстве материала – его способности проводить электричество.

Электронная проводимость предполагает, что носителями заряда, создающими ток в веществе, являются электроны. Металлы первыми начали проводить электричество, хотя почти все материалы проводят электричество в большей или меньшей степени.

Чем выше температура материала, тем ниже его электронная проводимость, поскольку с ростом температуры тепловое движение все больше затрудняет упорядоченное движение электронов и, таким образом, препятствует образованию направленных токов.

Чем короче проводник, чем больше площадь его поперечного сечения и чем больше концентрация свободных электронов в нем (чем меньше удельное сопротивление), тем выше электронная проводимость.

В практической электротехнике наиболее важным является передача электрической энергии с минимальными потерями. По этой причине металлы играют очень важную роль. Особенно те, которые обладают самой высокой электропроводностью или самым низким удельным сопротивлением: серебро, медь, золото и алюминий. Концентрация свободных электронов в металлах выше, чем в диэлектриках и полупроводниках.

Среди металлов алюминий и медь являются наиболее экономичными для использования в качестве проводников электричества, поскольку медь намного дешевле серебра, но имеет немного большее удельное сопротивление, чем серебро, так что проводимость меди лишь немного ниже, чем у серебра. Другие металлы не так важны в промышленном производстве проводников.

Газообразные и жидкие среды, в которых присутствуют свободные ионы, обладают ионной проводимостью. Ионы, как и электроны, являются носителями заряда и могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему среды. Такой средой может быть электролит. Чем выше температура электролита, тем выше его ионная проводимость, так как с увеличением теплового движения энергия ионов увеличивается, а вязкость среды уменьшается.

Если в кристаллической решетке материала недостаточно электронов, может возникнуть дырочная проводимость. Электроны имеют заряд, но они действуют как свободные пространства, когда движутся дырки – пустые места в кристаллической решетке материала. Свободные электроны здесь не движутся, как в газовом облаке в металлах.

Дырочная проводимость происходит в полупроводниках на том же уровне, что и электронная проводимость. Полупроводники в различных комбинациях позволяют управлять величиной проводимости, что демонстрируется в различных микроэлектронных устройствах: диодах, транзисторах, тиристорах и т.д.

Сначала в 19 веке в электротехнике в качестве проводников начали использовать металлы, затем диэлектрики, изоляторы (с самой низкой электропроводностью), такие как слюда, резина и фарфор.

Полупроводники, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, широко используются в электронике. Большинство современных полупроводников основаны на кремнии, германии и углероде. Другие вещества используются гораздо реже.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ссылкой на нее в социальных сетях. Это поможет нашему сайту значительно вырасти!

— Проводимость скважины. Такая проводимость обусловлена отсутствием электронов в кристаллической решетке материала. Фактически, и здесь электроны несут заряд, но они движутся вдоль решетки, занимая последовательные вакансии в решетке, в отличие от физического движения электронов в металлах. Этот принцип используется в полупроводниках, наряду с электронной проводимостью.

Электропроводность. Определение, единицы измерения.

Электропроводность описывает способность тела проводить электрический ток. Проводимость. То же самое, что и сопротивление.. В формуле оно обратно пропорционально электрическому сопротивлению, и на самом деле они используются для обозначения одних и тех же свойств материала. Проводимость измеряется в сименсах.: [Cm]=[1/Ом].

— Электронная проводимостьгде носителями заряда являются электроны. Такая проводимость характерна в первую очередь для металлов, но в большей или меньшей степени встречается практически в любом материале. Электронная проводимость уменьшается с повышением температуры.

— Ионная проводимость. Возникает в газообразных и жидких средах, где есть свободные ионы, которые также несут заряды, перемещаясь в объеме среды под воздействием электромагнитного поля или другого внешнего воздействия. Он используется в электролитах. При повышении температуры ионная проводимость увеличивается, поскольку образуется больше ионов высокой энергии, а вязкость среды уменьшается.

— Проводимость отверстия. Такая проводимость обусловлена отсутствием электронов в кристаллической решетке материала. На самом деле, заряд несут опять же электроны, но они как бы движутся по решетке, занимая в ней последовательные вакансии, в отличие от физического движения электронов в металлах. Этот принцип используется в полупроводниках, наряду с электронной проводимостью.

Самыми первыми материалами, используемыми в электротехнике, были металлы и изоляторы (изоляторы с изначально низкой электропроводностью). Сегодня полупроводники широко используются в электронике. Они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и характеризуются тем, что величина электропроводности в полупроводниках может контролироваться различными воздействиями. Большинство современных проводников изготовлены из кремния, германия и углерода. Кроме того, для производства ПХБ могут использоваться и другие вещества, но они применяются гораздо реже.

В электротехнике важно передавать ток с минимальными потерями. В этом отношении важную роль играют металлы с высокой электропроводностью и, следовательно, низким электрическим сопротивлением. Серебро является лучшим в этом отношении (62500000См/м), за ним следуют медь (58100000См/м), золото (45500000См/м) и алюминий (370000См/м). Согласно экономической целесообразности, наиболее часто используемыми металлами являются алюминий и медь, причем медь лишь немного уступает серебру по электропроводности. Все остальные металлы не имеют промышленного значения в производстве проводников.

Закон Ома для участка цепи (рис. 3) определяет величину электрического тока I в проводнике как отношение напряжения на концах проводника U и его сопротивления R

Сопротивление, проводимость и закон Ома

Сопротивление часто обозначается как R или r и измеряется в омах в Международной системе единиц (СИ).

В зависимости от среды, в которой находятся проводник и носители заряда, физическая природа сопротивления может меняться. В металле, например, электроны, движущиеся под действием поля, рассеиваются на неоднородностях ионной решетки, теряют свой импульс, и энергия их движения преобразуется во внутреннюю энергию кристаллической решетки (то есть становится меньше).

Сопротивление проводника, при прочих равных условиях, зависит от его геометрии и электрического сопротивления, присущего материалу, из которого он изготовлен.

Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от свойств материала проводника, его длины и сечения и определяется по следующей формуле

где ρ – удельное сопротивление материала проводника, Ом-м, l – длина проводника, м, и S – площадь поперечного сечения, мм².

Удельное сопротивление ρ – это скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади поперечного сечения (рис. 1). Для расчетов это значение выбирается из таблицы.

Рисунок 1: Удельное сопротивление проводника, ρ

Удельное сопротивление проводника R зависит от внешнего фактора, температуры Tно эта зависимость различна для разных групп веществ. Например, когда температура металлов снижается, их сопротивление уменьшается (т.е. их способность проводить электричество увеличивается). Если температура металла достигает низкого значения, он переходит в состояние так называемой легкой проводимости, а его сопротивление R стремится к 0. Поведение полупроводников под влиянием температуры противоположно – с понижением температуры T сопротивление R увеличивается, и, наоборот, уменьшается с повышением температуры (рис. 2).

Рис. 2 Температурная зависимость сопротивления R для металлов и полупроводников

закон Ома

В 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный закон в электронике, который позже был назван в его честь. Закон Ома определяет количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, описывая его способность выдерживать электрический ток.

Существует несколько интерпретаций закона Ома.

Закон Ома для участка цепи (рис. 3) определяет величину электрического тока I в проводнике как отношение напряжений на концах проводника U и его сопротивления R

Рисунок 3: Закон Ома для участка цепи

Интерпретация закона Ома для данного участка цепи следующая: если приложить напряжение Ω к концам проводника с сопротивлением R = 1 Ом. U = 1 В, то значение тока I в проводнике будет равна 1 A

Используя простой пример, приведенный выше, давайте проанализируем физическую интерпретацию закона Ома, используя аналогию электричества и воды. В качестве аналогии с проводником электричества возьмем воронку, в которой имеется сужение из-за наличия в проводнике сопротивления R (рис. 4). Пусть вода поступает в воронку из какого-нибудь источника, просачиваясь через узкое горлышко. Усильте поток воды на выходе из отверстия воронки, оказывая давление на воду, например, силой поршня. В аналогии с электричеством поршень был бы аналогом напряжения – чем больше давление поршня на воду (т.е. чем больше значение напряжения), тем больше будет поток воды на выходе из воронки (тем больше значение тока).

Рисунок 4: Интерпретация закона Ома для участка цепи с использованием аналогии с водой

Закон Ома можно применять не всегда, а только в ограниченном числе случаев. Например, закон Ома “не работает” при расчете напряжения и тока в полупроводниковых или электровакуумных приборах, содержащих нелинейные компоненты. В этом случае зависимость тока от напряжения может быть определена только путем построения так называемой реакции напряжение-ток (VCR). К категории нелинейных элементов относятся все без исключения полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, стабилизаторы, тиристоры, варикапы и т.д.), а также электронные лампы.

Определение: Свойство проводника, препятствующее прохождению через него электрического тока, называется электрическим сопротивлением или сопротивлением…

Электрическое сопротивление проводника. Электропроводность

Любое тело оказывает определенное сопротивление протеканию электрического тока. Например, когда электроны движутся по проводнику, они сталкиваются с атомами и молекулами вещества, отдавая им часть своей энергии. Чем больше таких столкновений, тем больше сопротивление, оказываемое телом движению электрона, и, следовательно, тем меньше ток в проводнике.

Определение: Свойство проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением, или сопротивлением…

Сопротивление обозначается латинскими буквами R или r.

Единица сопротивления – это ом (сокращенно ом или Ω).

Сопротивление проводника равно одному ому, если к его концам приложено напряжение в один вольт и течет ток в один ампер.

На практике сопротивление часто измеряется в килоомах (сокращенно кОм или kΩ) и мегаомах (сокращенно МОм или MΩ).

1 мегаом = 1 000 кОм = 1 000 000 Ом.

Величина, обратная сопротивлению, называемая проводимостью, часто используется для характеристики электрических свойств проводников.

Определение: Электропроводность (или проводимость) – это способность вещества проводить через себя электрический ток.

Чем больше сопротивление проводника, тем меньше его проводимость, и наоборот. Проводимость обозначается латинской буквой G. Единицей проводимости является проводимость проводника с сопротивлением 1 Ом. Эта единица называется siemens (sim).

Понятия сопротивления и проводимости очень важны в электротехнике. Если вещество имеет низкое сопротивление (высокую проводимость), оно называется проводник электрического токаили проводник. К проводникам относится большинство металлов (серебро, медь, алюминий, железо, никель, свинец и ртуть), а также сплавы металлов, морская вода, растворы солей и кислот и т.д. Серебро и медь особенно хорошо проводят электричество (они обладают наилучшей проводимостью). Проводники используются для соединения отдельных компонентов в электрических цепях.

Однако некоторые материалы не очень хорошо проводят электричество, т.е. имеют очень высокое удельное сопротивление. Эти материалы известны как электрически непроводящийили изоляторы .. К изоляторам относятся фарфор, стекло, вата, смола, резина, эбонит, слюда, воск, парафин и т.д. Изоляторы широко используются в электротехнике. Без них не может быть создана ни одна электрическая цепь.

Обратите внимание, что сопротивление изолятора обычно в несколько миллионов раз больше, чем сопротивление проводника.

Помимо проводников и изоляторов, в природе существуют так называемые полупроводники электричества. Их проводимость выше, чем у изоляторов, но ниже, чем у проводников. К полупроводникам относятся: германий, кремний, селен, теллур, многие оксиды, карбиды, сульфиды, огромное количество сплавов и соединений (арсенид галлия и др.) и т.д.

Характерной особенностью полупроводников является то, что их сопротивление изменяется в широком диапазоне под воздействием света, электрических и магнитных полей, излучения и посторонних примесей.

Некоторые полупроводники используются для изготовления термисторов (резисторов, значение которых быстро меняется при изменении температуры) и фоторезисторов (значение их сопротивления зависит от освещения).

Полупроводники используются для изготовления диодов, транзисторов, тиристоров и интегральных схем.

Возможность использования полупроводников для усиления и генерации колебаний была обнаружена в 1922 году О.В. Лосева, сотрудника Нижегородской радиолаборатории им. В.И. Ленина, который назвал изобретенный им прибор кристаллом.

ПОНРАВИЛАСЬ ЛИ ВАМ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИТЕСЬ СО СВОИМИ ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Читайте далее: