ПРОВОДИ́МОСТЬ ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКАЯ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ПРОВОДИ́МОСТЬ ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКАЯ (электропроводность), способность вещества проводить электрич. ток под действием электрич. поля; физич. величина, количественно характеризующая эту способность. П. э. обусловлена присутствием свободных носителей заряда в веществе, направленное движение которых и создаёт электрич. ток.
В однородных изотропных проводниках плотность электрич. тока $\boldsymbol j$ связана с напряжённостью электрич. поля $\boldsymbol E$ Ома законом $\boldsymbol j=σ\boldsymbol E$, где постоянный коэф. пропорциональности $σ$ называется П. э. или удельной проводимостью. Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным электрич. сопротивлением.
В анизотропных проводниках, напр. в монокристаллах, П. э. для разных направлений может быть различной. Это приводит к неколлинеарности векторов $\boldsymbol j$ и $\boldsymbol E$ и тензорной связи между ними: $\boldsymbol j_i=σ_{i𝑘}\boldsymbol E_𝑘$. П. э. в этом случае описывается тензором 2-го ранга $σ_{i𝑘}$. Тензор П. э. удовлетворяет соотношениям Онсагера (см. Онсагера теорема) $σ_{i𝑘}=σ_{𝑘i}$, т. е. является симметричным.
В общем случае зависимость $\boldsymbol j$ от $\boldsymbol E$ нелинейна, т. к. $σ_{i𝑘}$ зависит от $\boldsymbol E$. В этом случае вводят понятие дифференциальной П. э. $σ^{дифф}=dj/dE$. В сильно неравновесных условиях (сильное электрич. поле, интенсивное освещение) дифференциальная П. э. в некоторой области напряжённостей электрич. полей может стать отрицательной (см. Отрицательное дифференциальное сопротивление). Теоретич. анализ показывает, что в некоторых особых неравновесных ситуациях возможна отрицательная полная П. э. (это означает, что $\boldsymbol j$ и $\boldsymbol E$ антипараллельны, т. е. ток течёт навстречу полю).
П. э. связана с подвижностью носителей заряда $μ$ соотношением: $σ=qnμ$ , где $q$ и $n$ – заряд и концентрация носителей. В случае, когда П. э. осуществляется несколькими типами носителей, характеризующимися зарядами $q_i$, подвижностями $μ_i$ и концентрациями $n_i$, полная П. э. равна сумме парциальных П. э.: $$σ=\sum_i q_i n_i μ_i.$$ Физич. механизм, величина и температурная зависимость П. э. лежат в основе классификации твёрдых тел, подразделяемых на диэлектрики, полупроводники и металлы. Диэлектрики в равновесном состоянии характеризуются отсутствием свободных электронов. П. э. в них осуществляется посредством перескоков собств. или примесных ионов между соседними узлами кристаллич. решётки или междоузлиями и носит активационный характер, экспоненциально возрастая при повышении темп-ры. При комнатной темп-ре П. э. диэлектриков изменяется в диапазоне от 10–12 до 10–10 Ом–1·см–1.
В полупроводниках П. э. осуществляется движением электронов проводимости (электронная проводимость) и дырок (дырочная проводимость), подвижность которых на много порядков превышает подвижность ионов, следовательно, П. э. полупроводников намного больше, чем П. э. диэлектриков. При комнатной темп-ре она составляет 10–9–103 Ом–1·см–1 и сильно зависит от химич. состава и наличия примесей. Температурная зависимость П. э. полупроводников определяется в осн. быстрым (экспоненциальным) увеличением концентрации электронов и дырок с ростом темп-ры. В неупорядоченных полупроводниках возможна также прыжковая проводимость. П. э. полупроводников сильно зависит от внешних воздействий (магнитного поля, освещения, ионизирующего излучения, давления и др.).
Металлы характеризуются высокой (сравнимой с числом атомов в единице объёма) концентрацией носителей заряда, и с этим связана их высокая П. э. (104–106 Ом–1·см–1 при комнатной темп-ре). Концентрация носителей заряда в металлах отлична от нуля даже при абсолютном нуле темп-ры. Температурная зависимость П. э. обусловлена изменением (увеличением) длины свободного пробега (и, следовательно, подвижности) носителей заряда при понижении темп-ры. При низких темп-pax П. э. мн. металлов и сплавов становится бесконечной (см. Сверхпроводимость). П. э. металла связана с его теплопроводностью Видемана – Франца законом. Величина П. э. определяет глубину проникновения электромагнитного поля в проводник (см. Скин-эффект) и время релаксации объёмного заряда.
П. э. жидкостей, газов и плазмы обладает рядом особенностей, отличающих её от П. э. твёрдых тел (см. в статьях Электрические разряды в газах, Электролиты).
В СИ удельная П. э. измеряется в сименсах на метр (См·м–1) или в Ом–1·м–1 (в физике чаще используют единицу Ом–1·см–1); в СГСЭ – в обратных секундах (с–1).