Что такое электрическая проводимость

Говоря о свойстве того или иного тела препятствовать прохождению через него электрического тока, мы обычно используем термин «электрическое сопротивление». В электронике он удобен, есть даже специальные микроэлектронные компоненты, резисторы, обладающие тем или иным номинальным сопротивлением.

Но существует также понятие «электрическая проводимость» или «электропроводность», характеризующее способность тела проводить электрический ток.

Тогда как сопротивление обратно пропорционально току, проводимость прямо пропорциональна току, то есть проводимость — это обратная величина по отношению к электрическому сопротивлению.

Сопротивление измеряется в омах, а проводимость — в сименсах. Но фактически речь всегда идет об одном и том же свойстве материала — о его способности проводить электрический ток.

Электронная проводимость подразумевает то, что носителями заряда, образующими ток в веществе, являются электроны. Прежде всего электронной проводимостью обладают металлы, хотя почти все материалы в большей или меньшей степени способны к ней.

Чем выше температура материала — тем меньше его электронная проводимость, поскольку с ростом температуры тепловое движение все больше мешает упорядоченному движению электронов и значит препятствует направленному току.

Электронная проводимость тем больше, чем короче проводник, чем больше площадь его поперечного сечения, чем значительнее в нем концентрация свободных электронов (чем меньше удельное сопротивление).

Электрическая проводимость — это физическая величина, характеризующая способность материала проводить электрический ток. Обозначается буквой сигма и измеряется в Сименсах на метр (См/м). Чем выше значение проводимости, тем легче электрический ток проходит через вещество.

Электропроводность — это практическое свойство материала, показывающее его способность пропускать электрический ток, то есть проявлять электрическую проводимость. В быту этот термин часто употребляют в более широком смысле, подразумевая общую способность вещества или среды проводить ток, вне зависимости от точной физической величины.

Различие в использовании:

• Электрическая проводимость используется как строгое физическое определение в науке и измерениях.

• Электропроводность — более обобщённый термин, встречающийся в технической и популярной литературе, учебниках, инструкциях.

Оба термина важны для описания поведения электрических цепей, качества материалов, выбора проводников и изоляторов в электротехнике и электронике.

Практически в электротехнике наиболее важно передавать электрическую энергию с минимальными потерями. По этой причине металлы играют в ней крайне важную роль. Особенно те из них, которые обладают максимальной электропроводностью, то есть наименьшим удельным электрическим сопротивлением: серебро, медь, золото, алюминий. Концентрация свободных электронов в металлах выше чем в диэлектриках и полупроводниках.

В качестве проводников электрической энергии, из металлов экономически выгоднее всего использовать алюминий и медь, поскольку медь существенно дешевле серебра, но при этом удельное электрическое сопротивление меди лишь чуть-чуть больше чем у серебра, соответственно проводимость меди совсем немного меньше серебра. Другие металлы не имеют столь высокой значимости для промышленного производства проводников. 

В промышленных и бытовых условиях медь и алюминий используются для изготовления кабелей, проводов, шин, обмоток трансформаторов и других электротехнических изделий. Алюминий ценится за лёгкость и невысокую стоимость, что позволяет прокладывать линии электропередачи на большие расстояния без существенных затрат на материал. Однако у алюминия есть недостатки — более высокая подверженность окислению и менее надёжные контактные соединения по сравнению с медью.

Медь часто выбирают для внутренней электропроводки зданий, создания ответственных электрических соединений, а также в электронике, где важна высокая надёжность и стабильность контакта. Золото применяют в основном для покрытия контактов в микросхемах, реле и разъёмах, преимущественно благодаря его антикоррозионным свойствам, несмотря на сравнительно высокую стоимость.

В производстве современных проводников также учитывают механические свойства, устойчивость к старению, лёгкость обработки и экологическую безопасность материалов, что влияет на выбор металла для конкретных задач. Именно оптимальный баланс электропроводности, стоимости и эксплуатационных характеристик определяет лидерство меди и алюминия среди материалов для передачи электрической энергии.

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

Помимо электролитов, ионной проводимостью обладают также плазмы — особое состояние вещества, встречающееся, например, в разрядах или газоразрядных лампах. Там движение ионов и электронов под действием электрического поля приводит к переносу заряда на большие расстояния. В отличие от металлов, где ток обусловлен только электронами, в электролитах и плазмах участвуют оба вида носителей — положительные и негативные ионы.

При недостатке электронов в кристаллической решетке материала, может иметь место дырочная проводимость. Электроны переносят заряд, но они выступают как-бы освобожденными местами при перемещении дырок — пустых мест в кристаллической решетке материала. Свободные электроны здесь не перемещаются подобно газовому облаку в металлах.

Дырочная проводимость характерна прежде всего для полупроводниковых материалов (например, кремния и германия) и возникает, когда энергия, полученная от теплового движения или внешних воздействий, выбивает электрон из валентной зоны. На его месте образуется так называемая "дырка" — отсутствие электрона, которое, перемещаясь по кристаллической решетке, эффективно переносит положительный заряд. Дырки движутся в сторону электрического поля, противоположно движению электронов, что позволяет создавать полупроводниковые приборы с необходимыми электрическими свойствами.

Дырочная проводимость проявляется в полупроводниках наравне с электронной проводимостью. Полупроводники в различных комбинациях позволяют управлять величиной проводимости, что демонстрируется в различных микроэлектронных приборах: диодах, транзисторах, тиристорах и т.д.

Таким образом, существует несколько типов электропроводности: электронная — за счет движения свободных электронов (металлы, часть полупроводников), ионная — за счет движения ионов (электролиты, плазмы), и дырочная — благодаря перемещению "отверстий" в структуре вещества (полупроводники). В ряде материалов возможно сочетание этих видов проводимости.

Прежде всего в качестве проводников в электротехнике еще в 19 веке начали использовать металлы, вместе с ними — диэлектрики, изоляторы (с наименьшей электропроводностью), такие как слюда, резина, фарфор.

В электронике получили широкое распространение полупроводники, занявшие почетное промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Большинство современных полупроводников получают на основе кремния, германия, углерода. Другие вещества используются гораздо реже.

В настоящее время область применения полупроводников значительно расширилась — они лежат в основе всех микросхем, транзисторов, диодов, солнечных батарей и множества сенсорных элементов современных электронных устройств. Полупроводники позволяют создавать компактные, энергоэффективные и высокоскоростные устройства управления и обработки сигналов.

Для изменения (модуляции) электрических свойств полупроводников широко применяются примеси — легирующие добавки, которые повышают либо понижают концентрацию свободных носителей заряда. Таким образом формируются полупроводники n-типа (с избытком электронов) и p-типа (с преобладанием дырочной проводимости). На стыке этих областей возникает p-n-переход, лежащий в основе работы большинства электронных компонентов.

Также стоит отметить появление новых классов материалов, таких как сверхпроводники (обладают нулевым электрическим сопротивлением при низких температурах), органические полупроводники, композитные материалы и различные виды наноматериалов (графен, углеродные нанотрубки). Они открывают дополнительные возможности для развития электроники, энергосбережения и передачи энергии.

Значения типовой электрической проводимости для различных материалов

Все значения указаны при температуре 20°C; для проводников — чем больше число, тем лучше проводит ток.

Для диэлектриков и полупроводников значения могут меняться в зависимости от условий и примесей.

Таблица удобна для наглядного сравнения и использования в учебных материалах или практических расчетах.

Интересные факты

1. Серебро — рекордсмен по проводимости:
   Серебро обладает самой высокой электропроводностью среди всех металлов, даже выше, чем у меди. Однако из-за высокой стоимости его редко используют в электропроводке — преимущественно только в ответственных контактах и специальной аппаратуре.

2. Сверхпроводники способны проводить ток без потерь:
   Некоторые материалы при охлаждении до очень низких температур полностью теряют электрическое сопротивление. Эти вещества называются сверхпроводниками. Сверхпроводники применяют в мощных магнитах (ядерная медицина, ускорители частиц), а также ведутся разработки «потерь» электроэнергии при передаче на большие расстояния.

3. Полупроводниковая революция:
   Всего один грамм чистого кремния — основного полупроводника — лежит в основе десятков тысяч современных процессоров, микросхем, датчиков и солнечных батарей, обеспечивающих работу всей современной электроники — от смартфонов до космических станций!

Подводим итоги

Электрическая проводимость (или электропроводность) — это способность вещества или среды проводить электрический ток под воздействием электрического поля. Она характеризует, насколько легко заряженные частицы (например, электроны или ионы) могут перемещаться в данном материале, создавая электрический ток.

Электропроводность является физической величиной, обратной электрическому сопротивлению. В Международной системе единиц (СИ) она измеряется в сименсах (См), где 1 См = 1 Ом^-1.

Удельная электропроводность — это мера способности конкретного вещества проводить ток, которая определяется как коэффициент пропорциональности между плотностью тока и напряжённостью электрического поля в соответствии с законом Ома. Она измеряется в сименсах на метр (См/м) или обратных омах на метр (Ом^-1·м^-1).

Электропроводность зависит от природы вещества, его химического состава, агрегатного состояния, температуры и других физических условий. Например, в металлах основными носителями тока являются свободные электроны, а в электролитах — ионы.

Примеры ошибок и типичных заблуждений новичков в теме электрической проводимости

Ошибка №1: Проводимость и сопротивление — это одно и то же

• Заблуждение: Многие считают, что проводимость и сопротивление — это одно понятие.

• Комментарий: На самом деле это обратные характеристики. Высокая проводимость означает низкое сопротивление, и наоборот.

Ошибка №2: Все металлы одинаково хорошо проводят электричество

• Заблуждение: Начинающие ошибочно думают, что все металлы — отличные проводники.

• Комментарий: Проводимость различных металлов существенно отличается. Например, медь проводит лучше, чем сталь, а серебро — лучший проводник среди металлов.

Ошибка №3: Длина проводника не влияет на проводимость

• Заблуждение: Встречается мнение, что проводимость — только свойство материала, а геометрия роли не играет.

• Комментарий: На самом деле проводимость зависит от длины и площади поперечного сечения проводника.

Ошибка №4: Диэлектрики вообще не проводят ток

• Заблуждение: Считается, что через диэлектрики никогда не пойдёт ток.

• Комментарий: Даже у хороших изоляторов есть небольшая проводимость, особенно при высоком напряжении или температуре.

Ошибка №5: Электропроводность — это только движение электронов

• Заблуждение: Большинство новичков уверены, что ток течёт только за счёт электрона.

• Комментарий: В некоторых веществах ток переносят и ионы (электролиты) или дырки (полупроводники).

Ошибка №6: Не учитывают влияние температуры на проводимость

• Заблуждение: Температура не влияет на материалы.

• Комментарий: Для большинства металлов проводимость уменьшается с ростом температуры, а для полупроводников наоборот — увеличивается.

Ошибка №7: Не проводят различие между удельной и объемной проводимостью

• Заблуждение: Считают, что это одно и то же.

• Комментарий: Удельная проводимость — характеристика самого материала, а объемная учитывает геометрию проводника.

Ошибка №8: Используют некачественные или неподходящие материалы для монтажа

• Заблуждение: Выбор любого «металла» для монтажа в быту.

• Комментарий: Неподходящий проводник может сильно греться, окисляться, вызывать аварии.

Ошибка №9: Считают, что старые алюминиевые проводки хуже медных только по проводимости

• Заблуждение: Думают, что единственная разница — сопротивление.

• Комментарий: У алюминия не только выше сопротивление, но и хуже контакты, больше склонность к окислению.

Смотрите также: Почему различные материалы имеют разные удельные сопротивления

Андрей Повный