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电导率

2021-02-26 12:10:01

电导率(英语:electrical conductivity)是表示物质传输电流能力强弱的一种测量值。当施加电压于导体的两端时,其电荷载子会呈现朝某方向流动的行为,因而产生电流。电导率σ{\displaystyle \sigma \,\!}是以欧姆定律定义为电流密度J{\displaystyle \mathbf{J}\,\!}和电场强度E{\displaystyle \mathbf{E}\,\!}的比率:

J=σE{\displaystyle \mathbf{J}=\sigma \mathbf{E}\,\!}

有些物质会有异向性(anisotropic)的电导率,必需用 3 X 3矩阵来表达(使用数学术语,第二阶张量,通常是对称的)。

电导率是电阻率ρ{\displaystyle \rho \,\!}的倒数。在国际单位制中的单位是西门子/米(S·m):

σ=1ρ{\displaystyle \sigma ={1 \over \rho}\,\!}

电导率仪(electrical conductivity meter)是一种是用来测量溶液电导率的仪器。

电传导性

电传导性(electric conductivity)是物质可以传导电子的性质。按物质是否具有电传导性,可把物质分为导体半导体绝缘体

  • 导体:金属、电解质溶液,一般有很高的电导率,很低的电阻率。
  • 绝缘体:像玻璃、干燥的木材、塑料橡胶或真空这类物质的电导率很低,电阻率很高。
  • 半导体:电导率在导体和绝缘体之间。在不同的状况下,电导率会有很大的变化。例如,暴露于电场或某种频率的光波,最重要地,温度和半导体材料的成分。

固态半导体的掺杂程度会造成电导率很大的变化。增加掺杂程度会造成高电导率。溶液的电导率高低跟其内含溶质盐的浓度有关,或其它会分解为电解质的化学杂质。水样本的电导率是测量水的含盐成分、含离子成分、含杂质成分等等的重要指标。水越纯净,电导率越低(电阻率越高)。水的电导率时常以电导系数来纪录;电导系数是水在 25°C 温度的电导率。

一些物质的电导率

物质电导率 

(S·m)

温度

(°C)

注记
63.01 × 1020所有金属中电导率(以及热导率)最高的物质
59.6×1020
退火铜58.0×1020一般是指 100% IACS 或 100% 国际退火铜标准
45.2×1020时常用为电路板或电子元件的电连接器(electrical connector)材料
37.8×1020
海水4.78820在平均盐度为 4.8(S·m),温度为 20(°C)状况的平均电导率。详细资料请参阅英国国家物理实验室的国家标准资料
饮用水0.0005至0.05这是一般高品质饮用水的电导率值域,并不是水品质指标
去离子水5.5×10假若水内不含气体,则改变数值为 1.2×10

复电导率

假若物质处于随时间而变的电场,则电导率为复数(对于各向异性物质,电导率为复矩阵),称为导纳率(admittivity)。这方法可以应用于电阻抗断层成像(electrical impedance tomography),一种工业或医学成像。

另外一种计算交流的方法使用实值的电导率(跟时间有关)和实值的电容率。电导率越大,物质会越快吸收交流讯号,物质越不透明。

电导率与温度的关系

电导率与温度紧密相关。金属的电导率随着温度的增高而降低。半导体的电导率随着温度的增高而增高。在一段温度值域内,电导率可以被近似为与温度成正比。为了要比较物质在不同温度状况的电导率,必须设定一个共同的参考温度。电导率与温度的相关性,时常可以表达为,电导率对上温度线图的斜率,用方程写为

σ(T)=σ01+α(T−T0){\displaystyle \sigma(T)={\sigma _{0}\over 1+\alpha(T-T_{0})}\,\!}

其中,T0{\displaystyle T_{0}\,\!}是参考温度,T{\displaystyle T\,\!}是测量温度,σ{\displaystyle \sigma \,\!}是物质的电导率,σ0{\displaystyle \sigma _{0}\,\!}是物质在参考温度的固定参考电导率(通常在室温),α{\displaystyle \alpha \,\!}是物质的温度补偿斜率

最常见的水的温度补偿斜率大约为 2%/°C 。但是,它可以在(1 to 3)%/°C 值域之间。这数值与地球化学有关,可以很容易地在实验室里测量出来。

在非常低温的状况(在绝对零度附近),有些物质的电导率会变得非常高。称这现象为超导现象。

参考文献

参阅

  • 导电性:讲述电导率的物理本质。
  • 电阻
  • 热导率
  • 经典与量子电导率(classical and quantum conductivity)
  • 摩尔电导率(molar conductivity)讲述在溶液里因离子产生的电导率。
  • 传输现象(transport phenomena)