什么是电导率？——原理、公式及应用

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电导率是电气工程中一个重要的术语，用于理解材料的特性以及电流流经材料的行为。电导率是材料的一种属性，它决定了电流流经材料的难易程度。

阅读本文，深入了解“电导率”，从定义到原理及其应用。让我们从电导率的基本定义开始。

什么是电导率？

电导率定义为一种材料易于导通电流（电子移动）的属性。电导率也称为材料的比电导。

• 电导率基本上是“电阻率”的反概念，即阻碍电流流动的属性。电导率是材料的内在属性，不受任何外部因素的影响。

• 电导率提供了关于当在材料两端施加电位差或电压时，电流流经材料的难易程度的信息。

具有较高电导率的材料允许电流以最小的电阻流过它们。因此，电导率非常高的材料被认为是理想的导体。另一方面，电导率较低的材料对电流的流动具有较高的电阻，被认为是不良导体。

电导率在对电气材料进行分类中起着至关重要的作用。

• 如果一种材料具有非常高的电导率，则将其归类为导体。

• 电导率最低的材料被归类为绝缘体。

• 电导率介于导体和绝缘体之间的材料被归类为半导体。

电导率背后的原理

根据物质的电子理论，每种材料都是由亚原子粒子组成的，即电子、质子和中子。其中，质子和中子紧密结合在原子的原子核中，而电子可以在原子核周围的不同轨道上移动。

在一个原子中，电子根据其能级排列在不同的轨道上。当施加电场时，这些电子可以移动。当施加外部电压或电场时，这些带电粒子会移动。由于电子是带负电的粒子，它们会向电源的正极移动。这就是电流流经材料的方式，而材料能够使这些电子在材料中移动的属性称为电导率。

因此，电导率背后的基本原理是电子穿过材料的容易程度。

电导率公式

正如我们上面所讨论的，电导率是电阻率的反概念。因此，在数学上，电导率可以定义为电阻率的倒数，即：

$$\mathrm{\sigma \: = \: \frac{1}{p}}$$

其中，$\mathrm{\sigma}$是电导率，ρ是电阻率。

电阻率也由下式给出：

$$\mathrm{p \: = \: \frac{Ra}{l}}$$

其中，R是材料的电阻，a是横截面积，l是导体的长度。

因此，电导率也可以由下式给出：

$$\mathrm{\sigma \: = \: \frac{l}{Ra}}$$

因此，我们可以使用这些公式计算任何物质的电导率。

电导率的单位

由于电导率由下式给出：

$$\mathrm{\sigma \: = \: \frac{l}{Ra}}$$

因此，电导率的单位可以推导如下：

$$\mathrm{Unit \: of \: \sigma \: = \: \frac{m}{\Omega \: \times \: m^{2}} \: = \: \Omega^{-1}m^{-1}}$$

因此，电导率的单位是摩/米。

有时，还使用另一个电导率单位，即西门子/米 (S/m)。

$$\mathrm{1 \: Sm^{−1} \: = \: 1 \: \Omega^{-1}m^{-1}}$$

不同材料的电导率

电导率是材料的属性，它取决于材料的性质。因此，不同的材料具有不同的电导率。

下表列出了一些常用材料的电导率：

材料	电导率 (S/m)
银 (导体)	6.30 × 107
铜	5.96 × 107
金	4.10 × 107
铝	3.50 × 107
铂	9.43 ×106
石墨	2.00 × 105 - 3.00 × 105
铁	1.00 × 107
不锈钢	1.45 × 106
硅 (半导体)	1.56 × 10-3
玻璃 (绝缘体)	10-11 – 10-15
橡胶 (绝缘体)	10-14
金刚石 (绝缘体)	10-13

影响电导率的因素

材料的电导率主要取决于以下因素：

• 材料的性质——从上表可以看出，不同材料的电导率不同，这取决于材料的性质。例如，银是一种导体，因此其电导率非常高，而玻璃是一种绝缘体，电导率非常低。

• 温度——当材料的温度发生变化时，它会影响材料中自由电子的数量，从而影响电导率。例如，如果我们提高硅的温度，则其电导率会增加。

电导率的应用

在为特定电气应用选择材料时，电导率是一个重要参数。以下是电气和电子工程领域的一些实践，展示了电导率的重要性。

电力输送和分配

在选择用于设计输送和分配系统的材料时，电导率是考虑的首要概念。通常的做法是，使用具有较高电导率的材料进行电力输送和分配。输送和分配导线和电缆的较高电导率确保在将电力从发电厂输送到电网和使用点期间能量损失最小。

电气和电子电路

电导率也用于确定用于设计电气和电子电路部件的材料。例如，具有高电导率的材料用于制造电路的导电部分，而具有较低电导率的材料则用于在电路中提供绝缘。

通信系统

电导率也用于选择合适的材料来设计通信系统的不同组件。由于通信系统处理低功率信号，因此选择具有所需电导率的材料对于提高系统效率非常重要。

电池

电池需要不同电导率的材料。例如，电池的电极必须具有高电导率，而电池的外壳必须具有较低的电导率。因此，设计电池还需要了解材料的电导率。

结论

总之，电导率是材料的一种属性，它使电流能够轻松地流过材料。其原理基于电子移动的容易程度。它取决于材料的性质。因此，不同的材料具有不同的电导率。导体材料的电导率高，半导体和绝缘体的电导率低。

电导率是电气工程中的一个关键概念，它使我们能够将电气材料分类到不同的类别中。它也用于为特定应用选择最佳材料。例如，为了设计输电导体，使用具有高电导率的材料；为了设计绝缘鞋，使用具有低电导率的材料。