Conductivitate electrică
De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Conductivitatea electrică (numită şi conductibilitatea electrică specifică) este mărimea fizică prin care se caracterizează capacitatea unui material de a permite transportul sarcinilor electrice atunci cînd este plasat într-un cîmp electric. Simbolul folosit pentru această mărime este de obicei σ (litera grecească sigma), iar unitatea de măsură este siemens pe metru (S·m−1). Mărimea inversă conductivităţii este rezistivitatea electrică, cu simbolul ρ (litera grecească ro) şi unitatea de măsură ohm metru (Ω·m).
Următorii termeni sînt înrudiţi cu conductivitatea electrică dar au semnificaţii diferite:
- Conductibilitatea electrică este proprietatea materialelor de a permite trecerea curentului electric.
- Conductanţa electrică este mărimea care exprimă capacitatea a unui conductor sau circuit dat de a conduce curentul electric. Conductanţa se măsoară în siemens (S) şi este mărimea inversă rezistenţei electrice măsurate în ohmi (Ω).
Cuprins |
[modifică] Definiţie
Conductivitatea electrică a unui material se defineşte ca raportul dintre densitatea curentului electric J produs prin plasarea materialului în cîmpul electric E:
Există materiale la care conductivitatea electrică este anizotropă --- mărimea şi orientarea vectorului J depinde de mărimea şi orientarea vectorului E ---, caz în care conductivitatea electrică trebuie exprimată printr-un tensor de rangul 2 (o matrice 3×3). O asemenea proprietate o au de exemplu materialele cu o structură stratificată, cum ar fi unele roci sedimentare; în cazul lor conductivitatea în planul straturilor poate fi diferită de conductivitatea pe direcţia perpendiculară.
În cîmpuri electrice alternative conductivitatea electrică se exprimă printr-un număr complex (sau un tensor de numere complexe dacă materialul este anizotrop), numit admitivitate electrică. În acest caz partea reală a admitivităţii se numeşte conductivitate iar cea imaginară susceptivitate. Similar, conductanţei îi corespunde în cîmp alternativ mărimea numită admitanţă, care este inversa impedanţei electrice.
[modifică] Clasificarea materialelor
Corpul sau materialul care conduce curentul electric se numeşte conductor electric; metalele sînt buni conductori electrici, iar dintre acestea conductivitatea cea mai mare o are argintul (63,0·106 S·m−1), urmat la mică distanţă de cupru (59,6·106 S·m−1). De asemenea plasma (gaz ionizat) este în general un bun sau foarte bun conductor electric --- în multe cazuri conductivitatea plasmei se poate considera infinită. Tot în clasa conductorilor intră şi unele lichide care conţin mulţi ioni, de exemplu apa sărată conduce curentul electric cu atît mai bine cu cît concentraţia de sare este mai mare.
Un corp sau material care nu permite în mod semnificativ trecerea sarcinilor electrice se numeşte izolator (de exemplu sticla, vidul, apa deionizată etc.).
O valoare a conductivităţii electrice între cea a conductorilor şi cea a izolatorilor o au semiconductorii. Adesea conductivitatea semiconductorilor poate fi ajustată în limite largi, atît permanent prin procesul de fabricaţie, de obicei prin dopare, cît şi dinamic prin aplicarea unor cîmpuri electrice exterioare, prin variaţia temperaturii, prin iluminare, prin expunere la radiaţie ionizantă etc.
Materialele electroizolante prezintă o rezistivitate electrică ρ cu valori cuprinse între 108 şi 1018 [Ω cm]. Oricare dintre proprietăţile electrice şi neelectrice ale materialelor electroizolante poate servi drept criteriu de clasificare a acestor. S-au impus totuşi criteriile cu caracter general cum sunt: natura chimică, starea de agregare, stabilitatea termica, forma şi caracteristica esenţială a materialelor componente la care se mai adaugă eventual, starea finală şi transformările necesare pentru obţinerea produsului finit. Astfel, după natura lor chimică, materialele electroizolante se pot clasifica în materiale organice, anorganice şi siliconice. Materialele de natură organică prezintă proprietăţi electroizolante foarte bune, având însă o rezistenţă redusă la solicitările termice şi mecanice. Materialele de natură anorganică (marmura, azbestul etc.) au o comportare inversă materialelor organice. Materialele de natură siliconică îmbină în mod favorabil cele mai bune proprietăţi ale materialelor organice şi anorganice. Luând în considerare starea de agregare a materialelor electroizolante vom distinge materiale: solide, lichide şi gazoase. Folosind drept criteriu de clasificare stabilitatea termică, materialele electroizolante se împart în clase de izolaţie şi au caracteristica comună temperatura maximă la care pot fi utilizate timp îndelungat. Pentru determinarea stabilităţii termice, pe lângă temperatură, se pot utiliza şi mărimi electrice (constante de material) ca de exemplu scăderea rigidităţii dielectrice cu creşterea temperaturii, mărimi fizice sau mărimi mecanice. O clasă de izolaţie cuprinde materialele care au o stabilitate termică comparabilă, la o temperatură de serviciu dată. Clasificarea materialelor în clase de izolaţie este în prezent nesatisfăcătoare deoarece se referă la grupe de materiale ce pot intra în constituţia unui sistem de izolaţie, dar nu oferă posibilitatea alegerii unui material pentru condiţiile impuse de un anumit scop sau loc de utilizare. Ca urmare este căutat un alt criteriu de clasificare a materialelor adoptat de CEI (Comisia Electronică Internaţională). Această clasificare cuprinde în fiecare grupă materiale de aceeaşi formă şi stare finală, care necesită pentru utilizare acelaşi mod de prelucrare. Din punctul de vedere al proprietăţilor lor electrice, materialele semiconductoare se situează între materialele conductoare şi materialele electroizolante.
Materialele semiconductoare au o rezistivitate electrică ρ cuprinsă în intervalul (10-3÷1010)[Ω cm]. Caracteristicile de bază ale materialelor semiconductoare sunt următoarele: - rezistivitatea materialelor semiconductoare variază neliniar cu temperatura; rezistivitatea lor scade odată cu creşterea temperaturii; -prin suprafaţa de contact între 2 semiconductori sau un semiconductor cu un metal, conducţia electrică este unilaterală; -natura purtătorilor de sarcină dintr-un semiconductor depinde de natura impurităţilor existente în semiconductor. Materialele semiconductoare se pot clasifica, la rândul lor, după mai multe criterii. Astfel după gradul de puritate distingem: - Semiconductori intriseci. Aceştia sunt perfect puri şi au o reţea cristalină perfect simetrică; - Semiconductori extrinseci. Aceştia sunt impurificaţi şi natura conductibilităţii lor depinde de natura impurităţilor. După felul impurităţilor pe care le conţin, semiconductorii extrinseci pot fi: donori, dacă impuritatea are valenţa mai mare decât cea a semiconductorului; acceptori, dacă impuritatea are valenţa mai mică decât cea a semiconductorului.
Materialele conductoare au o rezistivitate care nu depăşeşte 10-5÷10-3[Ω cm]. După natura conductibilităţii electrice materialele conductoare se pot clasifica în:
- Materiale conductoare de ordinul I. Aceste materiale prezintă o conductibilitate de natură electronică, rezistivitatea lor creşte odată cu creşterea temperaturii, iar sub acţiunea curentului electric ele nu suferă modificări de structură. Materialele conductoare de ordinul I sunt metale în stare solidă şi lichidă. Dacă luăm în considerare valoarea conductivităţii lor, materialele conductoare de ordinul I se pot împărţi în: --materiale de mare conductivitate, cum sunt: Ag, Cu, Al, Fe, Zn, PB, Sn etc. --materiale de mare rezistivitate, care sunt formate de obicei din aliaje şi se utilizează pentru rezistenţe electrice, elemente de încălzire electrică, instrumente de măsură etc.
- Materiale conductoare de ordinul II. Aceste materiale prezintă o conductibilitatea de natură ionică, rezistivitatea lor scade odată cu creşterea temperaturii, iar sub acţiunea curentului electric ele suferă transformări chimice. Din categoria materialelor conductoare de ordinul II fac parte sărurile în stare solidă sau lichidă, soluţiile bazice sau acide, soluţiile de săruri (deci toţi electroliţii).
[modifică] Dependenţa de temperatură
La majoritatea materialelor conductivitatea electrică depinde mult de temperatură. Astfel, în cazul celor mai multe metale, conductivitatea scade cu temperatura, iar în cazul semiconductorilor conductivitatea creşte cu temperatura. Pe intervale de temperatură mici în general această dependenţă se poate aproxima printr-o relaţie liniară.
La temperaturi foarte joase, apropiate de 0 K, unele materiale prezintă fenomenul cuantic de supraconducţie, în care conductivitatea are valoare infinită (rezistivitatea este exact zero). În aceste materiale curentul electric poate curge la infinit. Fiecare material supraconductor are propria sa temperatură critică sub care prezintă aceste proprietăţi; unele materiale precum cuprul şi argintul păstrează totuşi o conductivitate finită chiar şi la temperaturi foarte apropiate de zero absolut. Altele în schimb rămîn supraconductoare pînă la temperaturi relativ înalte, astfel încît pot fi utilizate şi la temperatura de fierbere a azotului lichid (77 K); primul material de acest gen studiat a fost oxidul de ytriu bariu şi cupru (YBa2Cu3O7, prescurtat YBCO).
