Электропроводность (физич.)

Электропроводность, электрическая проводимость, проводимость, способность тела пропускать электрический ток под воздействием электрического поля, а также физическая величина, количественно характеризующая эту способность. Тела, проводящие электрический ток, называются проводниками, в отличие от изоляторов (диэлектриков). Проводники всегда содержат свободные (или квазисвободные) носители заряда ‒ электроны, ионы, направленное (упорядоченное) движение которых и есть электрический ток. Э. большинства проводников (металлов, полупроводников, плазмы) обусловлена электронами (в плазме небольшой вклад в Э. вносят также ионы). Ионная Э. свойственна электролитам.

Сила электрического тока I зависит от приложенной к проводнику разности потенциалов V, которая определяет напряжённость электрического поля Е внутри проводника. Для изотропного проводника постоянного сечения Е = ‒V/L, где L ‒ длина проводника. Плотность тока j зависит от значения Е в данной точке и в изотропных проводниках совпадает с ним по направлению. Эта зависимость выражается Ома законом: j = sЕ; постоянный (не зависящий от Е) коэффициент s и называется Э., или удельной Э. Величина, обратная s, называется удельным электрическим сопротивлением: r = 1/s. Для проводников разной природы значения s (и r) существенно различны (см. рис.). В общем случае зависимость j от Е нелинейна, и s зависит от Е; тогда вводят дифференциальную Э. s = dj/dE. Э. измеряют в единицах (ом·см)-1 или (в СИ) в (ом·м)-1.

В анизотропных средах, например в монокристаллах, s ‒ тензор второго ранга, и Э. для разных направлений в кристалле может быть различной, что приводит к неколлинеарности Е и j.

В зависимости от величины Э. все вещества делятся на проводники с s > 106 (ом·м)‒1, диэлектрики с s < 10‒8(ом·м)‒1 и полупроводники с промежуточными значениями s. Это деление в значит. мере условно, т. к. Э. меняется в широких пределах при изменении состояния вещества. Э. s зависит от температуры, структуры вещества (агрегатного состояния, дефектов и пр.) и от внешних воздействий (магнитного поля, облучения, сильного электрического поля и т. п.).

Мерой «свободы» носителей заряда в проводнике служит отношение ср. времени свободного пробега (t) к характерному времени столкновения tcт: t/tcт >> 1; чем больше это отношение, тем с большей точностью можно считать частицы свободными. Методы молекулярно-кинетической теории газов позволяют выразить s через концентрацию (n) свободных носителей заряда, их заряд (е) и массу (m) и время свободного пробега:

где m ‒ подвижность частицы, равная E/vcp = et/m, vcp ‒ ср. скорость направленного движения. Если ток обусловлен заряженными частицами разного сорта «i», то . Подвижность электронов (вследствие их малой массы) настолько больше ионной, что ионная Э. существенна только в случае, когда свободные электроны практически отсутствуют. Перенос массы под воздействием тока, напротив, связан с движением ионов.

Характер зависимости Э. от температуры Т различен у разных веществ. У металлов зависимость s(Т) определяется в основном уменьшением времени свободного пробега электронов с ростом Т: увеличение температуры приводит к возрастанию тепловых колебаний кристаллической решётки, на которых рассеиваются электроны, и s уменьшается (на квантовом языке говорят о столкновении электронов с фононами). При достаточно высоких температурах, превышающих Дебая температуру qD, Э. металлов обратно пропорциональна температуре: s ~ 1/Т; при Т << qD s ~ Т‒5, однако ограничена остаточным сопротивлением (см. Металлы). В полупроводниках s резко возрастает при повышении температуры за счёт увеличения числа электронов проводимости и положительных носителей заряда ‒ дырок (см. Полупроводники). Диэлектрики имеют заметную Э. лишь при очень высоких электрических напряжениях; при некотором (большом) значении Е происходит пробой диэлектриков.

Некоторые металлы, сплавы и полупроводники при понижении Т до нескольких градусов К переходят в сверхпроводящее состояние с s = ¥ (см. Сверхпроводимость). При плавлении металлов их Э. в жидком состоянии остаётся того же порядка, что и в твёрдом.

Об Э. жидкостей см. Электролиты, Фарадея законы.

Прохождение тока через частично или полностью ионизованные газы (плазму) обладает своей спецификой (см. Электрический разряд в газах, Плазма). Например, в полностью ионизованной плазме Э. не зависит от плотности и возрастает с ростом температуры пропорционально Т3/2, достигая Э. хороших металлов.

Отклонение от закона Ома в постояном поле Е наступает, если с ростом Е энергия, приобретаемая частицей между столкновениями, eEl, где l ‒ средняя длина свободного пробега, становится порядка или больше kT (k‒ Больцмана постоянная). В металлах условию eEl >> kT удовлетворить трудно, а в полупроводниках, электролитах и особенно в плазме явления в сильных электрических полях весьма существенны.

В переменном электромагнитном поле s зависит от частоты (w) и от длины волны (l) поля (временная и пространственная дисперсия, проявляющиеся при w ³ t-1, l £ l). Характерным свойством хороших проводников является скин-эффект (даже при w << t‒1 ток сконцентрирован вблизи поверхности проводника).

Измерение Э.‒ один из важных методов исследования материалов, в частности для металлов и полупроводников ‒ их чистоты. Кроме того, измерение Э. позволяет выяснить динамику носителей заряда в макроскопическом теле, характер их взаимодействия (столкновений) друг с другом и с другими объектами в теле.

Э. металлов и полупроводников существенно зависит от величины магнитного поля, особенно при низких температурах (см. Гальваномагнитные явления).

М. И. Каганов.