Електропровідність є мірою здатності матеріалу проводити електричний струм.
Це критично важлива властивість у багатьох застосуваннях, починаючи від електроніки та виробництва електроенергії до матеріалознавства та біомедичної інженерії. Електропровідність виражається в одиницях сіменс на метр (См/м), що являє собою електропровідність на одиницю довжини матеріалу.
Електропровідність матеріалу визначається такиим властивостями, як кількість вільних електронів, рухливість електронів і кристалічна структура. Загалом, матеріали з високою щільністю вільних електронів, високою рухливістю електронів і простою кристалічною структурою, як правило, мають високу провідність. Метали добре відомі своєю високою електропровідністю, оскільки вони мають велику кількість вільних електронів, які можуть легко рухатися через кристалічну гратку.
Навпаки, діелектрики мають низьку електропровідність, оскільки в них відсутні вільні електрони, які можуть рухатися через матеріал. Діелектрики часто використовуються для ізоляції електричних компонентів і запобігання проходженню електричного струму між ними.
Фактори, які впливають на електропровідність речовин:
– Хімічний склад
На електропровідність речовини впливає присутність заряджених частинок, таких як іони, електрони та протони. Тому речовини, які містять більше вільних заряджених частинок, мають вищу електропровідністю. Метали, наприклад, мають високу провідність, оскільки вони містять вільні електрони, які можуть легко рухатися крізь матеріал.
– Температура
Електропровідність речовини збільшується при збільшенні температури. Це пояснюється тим, що більш високі температури посилюють рух заряджених частинок, що робить їх більш імовірними для проведення струму.
– Вологість
Речовини, що містять воду або інші полярні молекули, як правило, мають вищу електропровідність, оскільки вони можуть розчиняти заряджені іони та полегшувати їх рух.
– Щільність
Електропровідність речовини має тенденцію зменшуватися при збільшенні щільності.
– Наявність домішок
Наявність домішок може збільшити або зменшити провідність.
Електропровідність різних середовищ
Електропровідність металів
Метали мають високу провідність завдяки наявності вільних електронів на їх зовнішньому енергетичному рівні. Ці вільні електрони здатні вільно рухатися через металеву решітку, дозволяючи електричному струму протікати через матеріал з дуже невеликим опором. Електропровідність металів може змінюватися залежно від чистоти металу, температури та кристалічної структури. Як правило, такі метали, як мідь, алюміній, срібло та золото, мають високу провідність і зазвичай використовуються в електропроводці, електронних компонентах та інших додатках, які вимагають хорошої електропровідності.
Електропровідність металевого дроту можна розрахувати за формулою:
σ = L/(R·S)
де σ – електропровідність, L – довжина дроту, R – електричний опір, S – площа перерізу дроту.
Електропровідність газів
Провідність газів сильно змінюється в залежності від їх складу, тиску і температури. Як правило, гази є поганими провідниками електрики за низьких тисків і температур через низький потенціал іонізації та малу кількість вільних носіїв заряду. Однак, коли гази піддаються дії високих температур, вони можуть стати високопровідними через наявність вільних електронів та іонів, що утворюються в процесі іонізації.
Електропровідність рідин
Електропровідність рідин залежить від різних факторів, включаючи тип і концентрацію розчинених іонів або заряджених частинок, температуру, тиск і наявність домішок. Чиста вода, наприклад, має дуже низьку провідність, оскільки містить дуже мало іонів. Однак, коли солі або інші електроліти розчиняються у воді, провідність значно зростає.
Деякі з високопровідних газів включають благородні гази, такі як аргон, гелій, неон і ксенон, які виявляють відносно високу провідність при низьких тисках. Інші високопровідні гази включають водень, кисень, азот і вуглекислий газ, які стають високопровідними за високих температур і тиску.
Електропровідність напівпровідників
За кімнатної температури чисті напівпровідники мають відносно низьку електропровідність. Однак, коли домішки додаються до напівпровідника, процес, відомий як легування, провідність може значно збільшитися. Це пояснюється тим, що домішки (зазвичай невеликі кількості інших елементів) вводять додаткові електрони або дірки (позитивно заряджені вакансії) у кристалічну структуру напівпровідника, які можуть вільно рухатися та сприяти електропровідності.
Існує два основних типи напівпровідників: n-тип і p-тип. Напівпровідники N-типу мають надлишок електронів через наявність легуючої домішки, яка забезпечує додаткові електрони. Напівпровідники Р-типу мають дефіцит електронів через наявність легуючої домішки, яка створює дірки в кристалічній структурі.
На провідність напівпровідників також може впливати температура. З підвищенням температури кількість електронів і дірок, що утворюються при нагріванні, також збільшується, що призводить до збільшення електропровідності.
Загалом, провідність напівпровідників є критичною для їх використання в електронних пристроях, таких як транзистори, діоди та інтегральні схеми. Контролюючи легування та температуру, напівпровідникові матеріали можна налаштувати так, щоб вони мали певні електричні властивості, необхідні для цих застосувань.
Електропровідність вакуума
Оскільки у вакуумі немає атомів або вільних електронів, немає середовища для проходження електрики. Однак у вакуумній камері певні матеріали можуть випромінювати електрони через наявність електричних полів, які можуть викликати електричні розряди. Але це не означає, що вакуум сам по собі проводить електрику.
Підсумовуючи, електропровідність є важливою властивістю для багатьох наукових і технологічних застосувань. Це фундаментальна властивість, яка визначається притаманними властивостями матеріалу, такими як кількість вільних електронів, рухливість електронів і кристалічна структура. Провідність є важливою в таких галузях, як електроніка, виробництво електроенергії, матеріалознавство та біомедична інженерія, і використовується для характеристики, проектування та оптимізації матеріалів і пристроїв для різних застосувань.
