Электропроводность, электрическая проводимость, проводимость, способность тела пропускать электрический ток под воздействием электрического поля, а также физическая величина, количественно характеризующая эту способность. Тела, проводящие электрический ток, называются проводниками, в отличие от изоляторов (диэлектриков). Проводники всегда содержат свободные (или квазисвободные) носители заряда — электроны, ионы, направленное (упорядоченное) движение которых и есть электрический ток. Электропроводность большинства проводников (металлов, полупроводников, плазмы) обусловлена электронами (в плазме небольшой вклад в электропроводность вносят также ионы). Ионная электропроводность свойственна электролитам.
Сила электрического тока I зависит от приложенной к проводнику разности потенциалов V, которая определяет напряжённость электрического поля Е внутри проводника. Для изотропного проводника постоянного сечения Е = -V/L, где L — длина проводника. Плотность тока j зависит от значения Е в данной точке и в изотропных проводниках совпадает с ним по направлению. Эта зависимость выражается Ома законом: j = σЕ; постоянный (не зависящий от Е) коэффициент σ и называется электропроводностью, или удельной электропроводность. Величина, обратная σ, называется удельным электрическим сопротивлением: ρ = 1/σ. Для проводников разной природы значения σ (и ρ) существенно различны (см. рис.). В общем случае зависимость j от Е не линейна, и σ зависит от Е; тогда вводят дифференциальную электропроводность σ = dj/dE. Электропроводность измеряют в единицах (ом·см)-1 или (в СИ) в (ом·м)-1.
В анизотропных средах, например в монокристаллах, σ — тензор второго ранга, и электропроводность для разных направлений в кристалле может быть различной, что приводит к неколлинеарности Е и j.
В зависимости от величины электропроводности все вещества делятся на проводники с σ > 106 (ом·м)—1, диэлектрики с σ < 10—8(ом·м)—1 и полупроводники с промежуточными значениями σ. Это деление в значительной мере условно, так как электропроводность меняется в широких пределах при изменении состояния вещества. Электропроводность σ зависит от температуры, структуры вещества (агрегатного состояния, дефектов и пр.) и от внешних воздействий (магнитного поля, облучения, сильного электрического поля и т. п.).
Мерой «свободы» носителей заряда в проводнике служит отношение среднего времени свободного пробега (τ) к характерному времени столкновения tcт: τ/tcт >> 1; чем больше это отношение, тем с большей точностью можно считать частицы свободными. Методы молекулярно-кинетической теории газов позволяют выразить σ через концентрацию (n) свободных носителей заряда, их заряд (е) и массу (m) и время свободного пробега: $$\style{font-family:'Times New Roman'}{\sigma=\frac{ne^2\tau}m=ne\mu},$$где m — подвижность частицы, равная E/vcp = eτ/m, vcp — средняя скорость направленного движения. Если ток обусловлен заряженными частицами разного сорта «i», то \(\style{font-family:'Times New Roman'}{\sigma=\sum_in_ie_i\mu_i}\). Подвижность электронов (вследствие их малой массы) настолько больше ионной, что ионная электропроводность существенна только в случае, когда свободные электроны практически отсутствуют. Перенос массы под воздействием тока, напротив, связан с движением ионов.
Характер зависимости электропроводности от температуры Т различен у разных веществ. У металлов зависимость σ(Т) определяется в основном уменьшением времени свободного пробега электронов с ростом Т: увеличение температуры приводит к возрастанию тепловых колебаний кристаллической решётки, на которых рассеиваются электроны, и σ уменьшается (на квантовом языке говорят о столкновении электронов с фононами). При достаточно высоких температурах, превышающих Дебая температуру ΘD, электропроводность металлов обратно пропорциональна температуре: σ ~ 1/Т; при Т << ΘD σ ~ Т—5, однако ограничена остаточным сопротивлением (см. Металлы). В полупроводниках σ резко возрастает при повышении температуры за счёт увеличения числа электронов проводимости и положительных носителей заряда — дырок (см. Полупроводники). Диэлектрики имеют заметную электропроводность лишь при очень высоких электрических напряжениях; при некотором (большом) значении Е происходит пробой диэлектриков.
Некоторые металлы, сплавы и полупроводники при понижении Т до нескольких градусов К переходят в сверхпроводящее состояние с σ = ∞ (см. Сверхпроводимость). При плавлении металлов их электропроводность в жидком состоянии остаётся того же порядка, что и в твёрдом. Об электропроводности жидкостей см. Электролиты, Фарадея законы.
Прохождение тока через частично или полностью ионизованные газы (плазму) обладает своей спецификой (см. Электрический разряд в газах, Плазма). Например, в полностью ионизованной плазме электропроводность не зависит от плотности и возрастает с ростом температуры пропорционально Т3/2, достигая электропроводности хороших металлов.
Отклонение от закона Ома в постоянном поле Е наступает, если с ростом Е энергия, приобретаемая частицей между столкновениями, eEl, где l — средняя длина свободного пробега, становится порядка или больше kT (k— Больцмана постоянная). В металлах условию eEl >> kT удовлетворить трудно, а в полупроводниках, электролитах и особенно в плазме явления в сильных электрических полях весьма существенны.
В переменном электромагнитном поле σ зависит от частоты (ω) и от длины волны (λ) поля (временная и пространственная дисперсия, проявляющиеся при ω ³ ≥ τ-1, λ ≤ l). Характерным свойством хороших проводников является скин-эффект (даже при ω << τ—1 ток сконцентрирован вблизи поверхности проводника).
Измерение электропроводности — один из важных методов исследования материалов, в частности для металлов и полупроводников — их чистоты. Кроме того, измерение электропроводности позволяет выяснить динамику носителей заряда в макроскопическом теле, характер их взаимодействия (столкновений) друг с другом и с другими объектами в теле. Электропроводность металлов и полупроводников существенно зависит от величины магнитного поля, особенно при низких температурах (см. Гальваномагнитные явления).
Электропроводность веществ (зависимость от абсолютной температуры).
