Электрическая проводимость
Электри́ческая проводи́мость (электропроводность), способность вещества проводить электрический ток под действием электрического поля; физическая величина, количественно характеризующая эту способность. Электрическая проводимость обусловлена присутствием свободных носителей заряда в веществе, направленное движение которых и создаёт электрический ток.
В однородных изотропных проводниках плотность электрического тока связана с напряжённостью электрического поля законом Ома , где постоянный коэффициент пропорциональности называется электрической проводимостью или удельной проводимостью. Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным электрическим сопротивлением.
В анизотропных проводниках, например в монокристаллах, электрическая проводимость для разных направлений может быть различной. Это приводит к неколлинеарности векторов и и тензорной связи между ними: . Электрическая проводимость в этом случае описывается тензором 2-го ранга . Тензор электрической проводимости удовлетворяет соотношениям Онсагера , т. е. является симметричным.
В общем случае зависимость от нелинейна, т. к. зависит от . В этом случае вводят понятие дифференциальной электрической проводимости . В сильно неравновесных условиях (сильное электрическое поле, интенсивное освещение) дифференциальная электрическая проводимость в некоторой области напряжённостей электрических полей может стать отрицательной (см. Отрицательное дифференциальное сопротивление). Теоретический анализ показывает, что в некоторых особых неравновесных ситуациях возможна отрицательная полная электрическая проводимость (это означает, что и антипараллельны, т. е. ток течёт навстречу полю).
Электрическая проводимость связана с подвижностью носителей заряда соотношением: , где и – заряд и концентрация носителей. В случае когда электрическая проводимость осуществляется несколькими типами носителей, характеризующимися зарядами , подвижностями и концентрациями , полная электрическая проводимость равна сумме парциальных электрических проводимостей: Физический механизм, величина и температурная зависимость электрической проводимости лежат в основе классификации твёрдых тел, подразделяемых на диэлектрики, полупроводники и металлы. Диэлектрики в равновесном состоянии характеризуются отсутствием свободных электронов. Электрическая проводимость в них осуществляется посредством перескоков собственных или примесных ионов между соседними узлами кристаллической решётки или междоузлиями и носит активационный характер, экспоненциально возрастая при повышении температуры. При комнатной температуре электрическая проводимость диэлектриков изменяется в диапазоне от 10–12 до 10–10 Ом–1·см–1.
В полупроводниках электрическая проводимость осуществляется движением электронов проводимости (электронная проводимость) и дырок (дырочная проводимость), подвижность которых на много порядков превышает подвижность ионов, следовательно, электрическая проводимость полупроводников намного больше, чем электрическая проводимость диэлектриков. При комнатной температуре она составляет 10–9–103 Ом–1·см–1 и сильно зависит от химического состава и наличия примесей. Температурная зависимость электрической проводимости полупроводников определяется в основном быстрым (экспоненциальным) увеличением концентрации электронов и дырок с ростом температуры. В неупорядоченных полупроводниках возможна также прыжковая проводимость. Электрическая проводимость 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 электрическая проводимость (104–106 Ом–1·см–1 при комнатной температуре). Концентрация носителей заряда в металлах отлична от нуля даже при абсолютном нуле температуры. Температурная зависимость электрической проводимости обусловлена изменением (увеличением) длины свободного пробега (и, следовательно, подвижности) носителей заряда при понижении температуры. При низких температуpax электрическая проводимость многих металлов и сплавов становится бесконечной (см. Сверхпроводимость). Электрическая проводимость металла связана с его теплопроводностью законом Видемана – Франца. Величина электрической проводимости определяет глубину проникновения электромагнитного поля в проводник (см. Скин-эффект) и время релаксации объёмного заряда.
Электрическая проводимость жидкостей, газов и плазмы обладает рядом особенностей, отличающих её от электрической проводимости твёрдых тел (см. в статьях Электрические разряды в газах, Электролиты).
В СИ удельная электрическая проводимость 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).