ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ (электрическая проводимость, проводимость) – способность вещества пропускать электрический ток под действием электрического поля, а также физическая величина, количественно характеризующая эту способность: электропроводность обусловлена присутствием свободных носителей заряда в твёрдом теле, направленное движение которых и есть электрический ток.
В однородных; изотропных проводниках плотность электрического поля в данной точке связана с напряжённостью электрического поля в той же точке Ома законом, постоянный коэффициент пропорциональности σ называется электропроводностью или удельной электропроводностью, или проводимостью. Единицей измерения электропроводности в СИ служит Ом-1*м-1; в физике чаще' используется Ом-1 см-1; в системе СГСЭ и в Гaуссa системе единиц электропроводность имеет размерность, обратную времени, и единицей электропроводностьи является с-1.
В анизотропных проводниках, например в монокристаллах, электропроводность для разных направлений может быть различной. Это приводит к неколлинеарности векторов E и j и тензорной связи между ними: ji = σ ikEk. электропроводность в этом случае описывается тензором второго ранга σik.
Вблизи состояния термодинамического; равновесия главные значения тензора электропроводности σik положительны, что является следствием закона возрастания энтропии. В общем случае зависимость j от Е нелинейна, т. к. σik зависит от Е; в этом случае вводят понятие дифференциальную электропроводность σдифф=dj/dE. В сильно неравновесных условиях (сильное электрическое поле, интенсивное освещение) дифференциальная электропроводность в некоторой области электрических полей может стать отрицательной. Теоретический анализ показывает, что в некоторых особых неравновесных ситуациях возможна отрицательная полная электропроводность σ<0 (это означает, что векторы электрического поля и плотности тока антипараллельны, т. е. ток течёт навстречу полю).
В случае диспергирующей среды связь между j(r,t) и E(r,t)не имеет указанного выше простого вида, а носит нелокальный характер: значение плотности тока в данной точке r в момент времени t определяется не одним лишь значением E(r, t), а значениями Е во всех точках проводника во все предшествующие t моменты времени и описывается интегральным соотношением. Если проводящая среда линейна (её свойства не зависят от напряжённости электрического поля), стационарна (свойства не зависят явно от времени)и пространственно однородна, то существует простая связь – между пространственно–временными фурье–образами функций E(r, t) и j(r, t):



В таком случае говорят об электропроводности, зависящей от частоты со (временная дисперсия) и волнового вектора к (пространственная дисперсия). Величина σ(k, ω) в общем случае комплексна, её действительная и .мнимая части связаны дисперсионными Соотношениями, аналогичными Крамер–са–Крошка соотношениям. связывается с корреляционными функциями токов Кубо формулами. Электропроводность связана с подвижностью носителей заряда µ соотношением σ=qnµ, где q~–заряд носителя, п–концентрация носителей. В случае, когда электропроводность осуществляется несколькими сортами носителей, характеризующимися зарядами qi подвижностями µi и концентрациями ni, полная электропроводность равна сумме парциальных электропроводностей:



Физ. механизм, величина и температурная зависимость электропроводности лежат в основе классификации твёрдых тел на диэлектрики, полупроводники и металлы.
В полупроводниках электропроводность осуществляется движением электронов проводимости и дырок (см. Зонная теория), подвижность которых на много порядков превышает подвижность ионов. В соответствии с этим электропроводность у полупроводников намного больше, чем у диэлектриков; она составляет при комнатной температуре 10-7–103 Ом-1 см-1 и сильно зависит от химического состава и наличия примесей. Температурная зависимость электропроводности полупроводников определяется в основном быстрым повышением концентрации электронов и дырок с ростом температуры, описываемым экспоненциальным законом; подвижность при этом также меняется, но обычно значительно медленнее, по степенному закону. В неупорядоченных полупроводниках возможна также прыжковая проводимость. Электропроводность полупроводников сильно зависит от внешних воздействий (магнитного 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 электропроводность (104–106 Ом-1 см-1 при комнатной температуре). Концентрация носителей в металлах отлична от нуля даже при абсолютном нуле, температурная зависимость электропроводности обусловлена изменением (увеличением)длины свободного пробега (и, следовательно, подвижности) носителей при понижении температуры. При низких температурах электропроводность многих металлов и сплавов становится бесконечной (см. Сверхпроводимость). Электропроводность металла связана с его теплопроводностью Видемана – Франца законом. Величина электропроводности определяет глубину проникновения электро–магинтного поля в проводник (см. Скин–эффект) и время релаксации объёмного заряда. Существует ряд явлений, родственных электропроводности, в которых перенос носителей заряда осуществляется не электрическим полем, а градиентом температуры (см. Термоэлектрические явления),звуковыми волнами (см. Акустоэлектрический эффект),световым излучением (см. Увлечение электронов фотонами) и т. п. Электропроводность жидкостей, газов и плазмы обладает рядом особенностей, отличающих её от электропроводности твёрдых тел (см. Электрические разряды в газах, Электрический пробой. Электролиз).

****

Классическая электронная теория металлов представляет твердый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристаллической ионной решетки, внутри которой находится электронный газ из коллективизированных (свободных) электронов. В свободное состояние от каждого атома металла переходит от одного до двух электронов. К электронному газу применялись представления и законы статистики обычных газов. При изучении хаотического (теплового) и направленного под действием силы электрического поля движения электронов был выведен закон Ома. При столкновениях электронов с узлами кристаллической решетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электрическом поле, передается металлической основе проводчика, вследствие чего он нагревается. Рассмотрение этого вопроса привело к выводу закона Джоуля–Ленца. Таким образом, электронная теория металлов дала возможность аналитически описать и объяснить найденные ранее экспериментальным путем основные законы электропроводности и потерь электрической энергии в металлах. Оказалось возможным также объяснить и связь между электропроводностью и теплопроводностью металлов. Кроме того, некоторые опыты подтвердили гипотезу об электронном газе в металлах, а именно: 1. При длительном пропускании электрического тока через цепь, состоящую из одних металлических проводников, не наблюдается проникновения атомов одного металла в другой
2. При нагреве металлов до высоких температур скорость теплового движения свободных электронов увеличивается, и наиболее быстрые из них могут вылетать из металла, преодолевая силы поверхностного потенциального барьера
3. В момент неожиданной остановки быстро двигавшегося проводника происходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения. Смещение электронов приводит к появлению разности потенциалов на концах заторможенного проводника, и стрелка подключаемого к ним измерительного прибора отклоняется по шкале
4. Исследуя поведение металлических проводников в магнитном поле, установили, что вследствие искривления траектории электронов в металлической пластинке, помещенной в поперечное магнитное поле, появляется поперечная ЭДС и изменяется электрическое сопротивление проводника
Однако выявились и противоречия некоторых выводов теории с опытными данными. Они состояли в расхождении температурной зависимости удельного сопротивления, наблюдаемой на опыте и вытекающей из положений теории; в несоответствии теоретически полученных значений теплоемкости металлов опытным данным. Наблюдаемая теплоемкость металлов меньше теоретической и такова, как будто электронный газ не поглощает теплоту при нагреве металлического проводника. Эти противоречия удалось преодолеть, рассматривая некоторые положения с позиций квантовой механики. В отличие от классической электронной теории в квантовой механике принимается, что электронный газ в металлах при обычных температурах находится в состоянии вырождения. В этом состоянии энергия электронного газа почти не зависит от температуры, т. е. тепловое движение почти не изменяет энергию электронов
Поэтому на нагрев электронного газа теплота не затрачивается, что и обнаруживается при измерении теплоемкости металлов. В состояние, аналогичное обычным газам, электронный газ приходит при температуре порядка тысяч Кельвинов. Представляя металл как систему, в которой положительные ионы скрепляются посредством свободно движущихся электронов, легко понять природу всех основных свойств металлов: пластичности, ковкости, хорошей теплопроводности и высокой электропроводности .

******

Удельная электропроводность (УЭ) – физическая величина, равная электропроводности цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади поперечного сечения; УЭ связана с удельным сопротивлением р соотношением 1/р. Принято измерять УЭ в единицах: сименс (обратный ом – ом–1) на метр или на сантиметр (сим/м или сим/см).

*****

Таким образом, удельная электропроводность представляет собой количество электричества, проходящее через единицу поперечного сечения при градиенте потенциала, равном единице; другими словами, удельная электропроводность представляет собой отношение плотности тока к градиенту электрического потенциала вдоль проводника.
 

 

 

 

 

 

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ТОКОПРОВОДЯЩИХ ЖИЛ КАБЕЛЕЙ И ПРОВОДОВ
Если металл поместить в электрическое поле, то свободные электроны, помимо хаотического теплового движения, начнут участвовать в направленном движении вдоль силовых линий поля. В промежутках от одного столкновения до другого электроны движутся с ускорением, равным еЕ/t, где Е– напряженность электрического поля в металле; е и t – заряд и масса электрона. Если t – время свободного пробега, то средняя добавочная скорость электронов в направлении электрического поля



Благодаря направленному движению электронов в металле возникает ток, плотность которого пропорциональна напряженности электрического поля и соответствует основному закону электропроводности металлов – закону Ома.



Удельное сопротивление металлов с учетом коэффициента рассеяния




Металлы являются хорошими проводниками электрического тока и характеризуются минимальными величинами удельного электрического сопротивления. При технических расчетах пользуются удельной проводимостью y и величиной, обратной ей – удельным сопротивлением ρ .
Явление электропроводности связано с электронной структурой металла. Наибольшей электропроводностью обладают одновалентные металлы, т. е. металлы группы меди, и щелочные металлы (алюминий, натрий и др.). С увеличением валентности наблюдается значительное уменьшение электропроводности. В кристаллах цинка, имеющего структуру типа гексагональной плотной упаковки, несколько растянутой по главной оси, величина удельного сопротивления вдоль главной оси больше, чем в перпендикулярном ей направлении.
Повышение температуры металлов увеличивает их электрическое сопротивление. При умеренно низких температурах сопротивление металлов растет пропорционально температуре. При плавлении наблюдается увеличение сопротивления металлов примерно в 2 раза. При весьма низких температурах наблюдается отступление от линейной зависимости и приближение сопротивления к некоторой постоянной для данного металла величине ρо , называемой остаточным сопротивлением, которое зависит от содержания примесей и нарушений структуры, вызванных пластической деформацией. Чем чище металл и чем менее он деформирован, тем меньше его остаточное сопротивление.
При прохождении электрического тока через металлы происходит столкновение электронов проводимости с относительно неподвижными атомами в кристаллической решетке, что вызывает нагрев металла. В неравномерно нагретом кристалле металла свободные электроны участвуют в переносе тепловой энергии от более нагретых участков к менее нагретым. Отношение коэффициентов тепло– и электропроводности металлов пропорционально абсолютной температуре.
Электрическое сопротивление токопроводящей жилы кабеля, провода и шнура постоянному току при 20° С на единицу длины



где ρ – удельное электрическое сопротивление при 20° С, равное для алюминия 0,028264 ом–мм 2 /м, для меди 0,017241 ом–мм 2 /м и для стали 0,139 ом–мм г /м.
Обычно сопротивление жил кабелей и проводов пересчитывают на длину 1 км и сечение 1 мм 2 и приводят к температуре 20° С с использованием формулы



Согласно рекомендациям МЭК приведение электрического сопротивления токопроводящих жил к 20° С и 1 км длины следует производить по формулам: для медных жил с температурным коэффициентом 0,00393 1/°С



для алюминиевых жил с температурным коэффициентом 0,00403 1/°С



где R t – электрическое сопротивление кабеля длиной L при t o в момент измерения, ом.
Электрическое сопротивление биметаллического провода



где R 01 и R02 – сопротивления составляющих провода.
Электрическое сопротивление любой жилы, скрученной в кабель, будет больше теоретического на величину укрутки χ, равную от 1,002 до 1,030 в зависимости от скрутки жилы кабеля, т. е.