ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ

       

(электрическая проводимость, проводимость), способность тела пропускать электрич. ток под воздействием электрич. поля, а также физ. величина, количественно характеризующая эту способность. Проводники всегда содержат свободные (или квазисвободные) носители заряда — эл-ны, ионы, направленное (упорядоченное) движение к-рых и есть электрич. ток. Э. большинства проводников (металлов, ПП, плазмы) обусловлена наличием в них свободных эл-нов (в плазме небольшой вклад в Э. вносят также ионы). Ионная Э. свойственна электролитам.

Сила электрич. тока I зависит от приложенной к проводнику разности потенциалов U, к-рая определяет напряжённость электрич. поля E внутри проводника. Для изотропного проводника пост. сечения Е= -U/L, где L — длина проводника. Плотность тока j зависит от значения Е в данной точке и в изотропных проводниках совпадает с E по направлению. Эта зависимость выражается Ома законом: j=sE; постоянный (не зависящий от E) коэфф. s и наз. Э. или удельной Э. Величина, обратная о, наз. удельным электрич. сопротивлением: r=1/s. Для проводников разной природы значения s (и r) существенно различны. В общем случае зависимость j от E нелинейна и s зависит от IS; в этом случае вводят дифф. Э. s=dj/dE. Э. измеряют в единицах (Ом•см)-1 или (в СИ) в (Ом•м)-1.

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

В зависимости от а все в-ва делятся на проводники: <106 (Ом•м)-1, диэлектрики: s<10-8 (Ом•м)-1 и ПП с промежуточными значениями а. Это деление в значит. мере условно, т. к. Э. меняется в широких пределах при изменении состояния в-ва. Э. зависит от темп-ры, структуры в-ва (агрегатного состояния, дефектов и пр.) и от внеш. воздействий (магн. поля, облучения, напряжённости электрич, поля и т. п.).

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

s=ne2t/m=nem,

где m — подвижность ч-цы (см. ПОДВИЖНОСТЬ НОСИТЕЛЕЙ ТОКА), равная vcр/E=et/m, vcp — ср. скорость направл. движения (т. н. дрейфовая скорость). Если ток обусловлен i заряж. ч-цами разного сорта, то s=Sinieimi. Подвижность эл-нов (вследствие их малой массы) настолько больше ионной, что ионная Э. существенна только в случае, когда свободные эл-ны практически отсутствуют. Перенос массы под воздействием тока, напротив, связан с движением ионов.

Хар-р зависимости Э. от темп-ры Т различен у разных в-в. У металлов зависимость s(Т) определяется в осн. уменьшением времени свободного пробега эл-нов с ростом темп-ры Т: увеличение темп-ры приводит к возрастанию тепловых колебаний крист. решётки, на к-рых рассеиваются эл-ны, и s уменьшается (на квант. языке говорят о столкновении эл-нов с фононами). При достаточно высоких темп-рах, превышающих Дебая температуру 6д, Э. металлов обратно пропорц. темп-ре: s=1/T; при T<-qД s=7'-5, однако ограничена остаточным сопротивлением (см. МЕТАЛЛЫ). Нек-рые металлы, сплавы и ПП при понижении Т до неск. К переходят в сверхпроводящее состояние с бесконечно большой проводимостью (см. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ). Э. расплавленных металлов того же порядка, что и Э. этих металлов в тв. состоянии.

В ПП s резко возрастает при повышении темп-ры за счёт увеличения числа эл-нов проводимости и положит. носителей заряда — дырок (см. ПОЛУПРОВОДНИКИ). Диэлектрики имеют заметную Э. лишь при очень высоких электрич. напряжениях: при нек-ром (большом) значении Е происходит пробой диэлектриков.

Прохождение тока через частично или полностью ионизов. газы (плазму) обладает своей спецификой (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ, ПЛАЗМА); напр., в полностью ионизованной плазме Э. не зависит от плотности и возрастает с ростом темп-ры пропорц. Т3/2, достигая Э. хороших металлов. Об Э. жидкостей (см. ЭЛЕКТРОЛИТЫ, ЭЛЕКТРОЛИЗ).

Отклонение от закона Ома в пост. поле Е наступает, если с ростом Е энергия, приобретаемая ч-цей в этом поле в промежутке между столкновениями, равная еЕl (где l — ср. длина свободного пробега), становится порядка или больше kT. В металлах условию eEl->kT удовлетворить трудно, а в ПП, электролитах и особенно в плазме явления в сильных электрич. полях весьма существенны.

В перем. эл.-магн. поле а зависит от частоты w и от длины волны l электрич. поля (временная и пространств. дисперсии, проявляющиеся при w?t-1, l?l). Характерное св-во хороших проводников в том, что даже при w<-t-1 ток сконцентрирован вблизи поверхности проводника (скин-эффект) .

Измерение Э.— один из важных методов исследования материалов, в частности для металлов и ПП — их чистоты. Кроме того, измерение Э. позволяет выяснить динамику носителей заряда в макроскопич. теле, хар-р их вз-ствия (столкновений) друг с другом и с др. объектами в теле.

Э. металлов и ПП существенно зависит от величины магн. поля, особенно при низких темп-рах (см. ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ

(электрическая проводимость, проводимость) — способность вещества пропускать электрический ток под действием электрич. поля, а также физ. величина, количественно характеризующая эту способность. Э. обусловлена присутствием свободных носителей заряда в твёрдом теле, направленное движение к-рых и есть электрич. ток.

В однородных изотропных проводниках плотность электрического тока j в данной точке связана с напряжённостью электрич. поля в той же точке Ома законом постоянный коэф. пропорциональности а наз. Э. или уд. Э., или проводимостью. Единицей измерения Э. в СИ служит в физике чаще используется в системе СГСЭ и в Гаусса системе единиц Э. имеет размерность, обратную времени, и единицей Э. является

В анизотропных проводниках, напр, в монокристаллах, Э. для разных направлений может быть различной. Это приводит к неколлинеарности векторов и тензорной связи между ними:Э. в этом случае описывается тензором второго ранга s_ik. Тензор Э. удовлетворяет соотношениям Онсагера (см. Онсагера теорема)т. е. является симметричным [при наличии магн. поля эти соотношения принимают вид:т. е. симметричность тензора Э. нарушается].

Вблизи состояния термодинамич. равновесия гл. значения тензора Э.положительны, что является следствием закона возрастания энтропии (см. Второе начало термодинамики). В общем случае зависимость нелинейна, т. к.зависит от в этом случае вводят понятие диффе-ренц. Э. (в случае анизотропного проводника ). В сильно неравновесных условиях (сильное электрич. поле, интенсивное освещение) дифференц. Э. в нек-рой области электрич. полей может стать отрицательной (см. Отрицательное дифференциальное сопротивление). Теоретич. анализ показывает, что в нек-рых особых неравновесных ситуациях возможна отрицат. полная Э. (это означает, что векторы электрич. поля и плотности тока антипараллельны, т. е. ток течёт навстречу полю).

В случае диспергирующей среды связь между не имеет указанного выше простого вида, а носит нелокальный характер: значение плотности тока в данной точке в момент времени t определяется не одним лишь значением а значениями во всех точках проводника во все предшествующие t моменты времени и описывается интегральным соотношением. Если проводящая среда линейна (её свойства не зависят от напряжённости электрич. поля), стационарна (свойства не зависят явно от времени) и пространственно однородна, то существует простая связь между пространственно-временными фурье-образа-ми ф-ций

В таком случае говорят об Э., зависящей от частоты (временная дисперсия) и волнового вектора (пространственная дисперсия). Величина в общем случае комплексна, её действительная и мнимая части связаны дисперсионными соотношениями, аналогичными Крамерса— Кронига соотношениям. Э. связывается с корреляционными функциями токов Кубо формулами.

Э. связана с подвижностью носителей заряда ц соотношением где q— заряд носителя, п— концентрация носителей. В случае, когда Э. осуществляется неск. сортами носителей, характеризующимися зарядами по-движностями и концентрациями полная Э. равна сумме парциальных Э.:

Физ. механизм, величина и температурная зависимость Э. лежат в основе классификации твёрдых тел на диэлектрики, полупроводники и металлы. Диэлектрики в равновесном состоянии характеризуются отсутствием свободных электронов, Э. в них осуществляется посредством перескоков собств. или примесных ионов между соседними узлами кристаллич. решётки или междоузлиями и носит активац. характер, экспоненциально возрастая при повышении темп-ры по закону

где Е,— энергия активации Э.; коэф. ст _с зависит от темп-ры, но значительно слабее, чем экспоненц. множитель. Э. диэлектриков варьирует в диапазоне от 1(Г ¹⁸ до 10"⁸ Ом"¹ -см"¹ при комнатной темп-ре. В сильных элек-трич. полях Э. диэлектриков сильно возрастает.

В полупроводниках Э. осуществляется движением электронов проводимости и дырок (см. Зонная теория), подвижность к-рых на много порядков превышает подвижность ионов. В соответствии с этим Э. у полупроводников намного больше, чем у диэлектриков; она составляет при комнатной темп-ре 10~⁷—10³ Ом"¹ -см"¹ и сильно зависит от хим. состава и наличия примесей. Температурная зависимость Э. полупроводников определяется в осн. быстрым повышением концентрации электронов и дырок с ростом темп-ры, описываемым экспоненц. законом (2); подвижность при этом также меняется, но обычно значительно медленнее, по степенному закону. В неупорядоченных полупроводниках возможна также прыжковая проводимость. Э. полупроводников сильно зависит от внеш. воздействий (магн. поля, освещения, ионизирующего облучения, давления и др.).

Металлы характеризуются высокой (сравнимой с числом атомов в единице объёма) концентрацией носителей заряда, с чем связана их высокая Э. (10⁴—10⁶ Ом"¹ -см"¹ при комнатной темп-ре). Концентрация носителей в металлах отлична от нуля даже при абс. нуле, температурная зависимость Э. обусловлена изменением (увеличением) длины свободного пробега (и, следовательно, подвижности) носителей при понижении темп-ры. При низких темп-pax Э. многих металлов и сплавов становится бесконечной (см. Сверхпроводимость). Э. металла связана с его теплопроводностью Видемана—Франца законом. Величина Э. определяет глубину проникновения эл.-магн. поля в проводник (см. Скин-эффект )и время релаксации объёмного заряда.

Существует ряд явлений, родственных Э., в к-рых перенос носителей заряда осуществляется не электрич. полем, а градиентом темп-ры (см. Термоэлектрические явления), звуковыми волнами (см. Акустоэлектрический эффект), световым излучением (см. Увлечение электронов фотонами )и т. п. Э. жидкостей, газов и плазмы обладает рядом особенностей, отличающих её от Э. твёрдых тел (см. Электрические разряды в газах, Электрический пробой, Электролиз). Э. М. Эпштейн.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.