Ηλεκτρική αγωγιμότητα

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα εκφράζει την ευκολία με την οποία το ηλεκτρικό ρεύμα περνάει μέσα από κάποιο υλικό σώμα και αποτελεί το δυαδικό μέγεθος της ηλεκτρικής αντίστασης. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα δείχνει την απόκριση του υλικού εάν εφαρμοστεί σε αυτό διαφορά δυναμικού. Όσο μεγαλύτερη είναι η αγωγιμότητα του υλικού τόσο περισσότερο ηλεκτρικό ρεύμα θα ρεύσει εντός του υλικού. Ανάλογα λοιπόν με την τιμή της ηλεκτρικής του αγωγιμότητας, ένα υλικό χαρακτηρίζεται ως αγωγός, μονωτής ή ημιαγωγός. Εξαρτάται γενικά από την ειδική αγωγιμότητα του υλικού, και τη γεωμετρία του αντικειμένου. Θεμελιωτής της θεωρίας της ηλεκτρικής αγωγιμότητας θεωρείται ο Άγγλος φυσικός Στήβεν Γκρέυ (1670-1736). Μονάδα μέτρησης της αγωγιμότητας σύμφωνα με το Διεθνές σύστημα μονάδων (SI) είναι το Ζίμενς (Siemens), διεθνές σύμβολο S. Οι Αγγλοσάξωνες συνηθίζουν να χρησιμοποιούν για τη μέτρηση της αγωγιμότητας και τη μονάδα mho (℧), της οποίας η γραφή προκύπτει από την αντιστροφή των γραμμάτων της μονάδας μέτρησης της ηλεκτρικής αντίστασης Ωμ (Ohm), εξ ου και διαβάζεται "αντίστροφο Ωμ". Η ηλεκτρική αγωγιμότητα δίνεται αριθμητικά εάν διαιρέσουμε την ένταση του ρεύματος που διαρρέει ένα αντικείμενο (σε amperes) προς τη διαφορά δυναμικού/τάση που εφαρμόζεται στα άκρα του (σε volts). Πρόκειται δηλαδή για ένα μέγεθος αντίστροφο της ηλεκτρικής αντίστασης. Ο αντίστοιχος τύπος είναι: G = 1 R = I V {\displaystyle G={\frac {1}{R}}={\frac {I}{V}}\,} όπου:G: Η αγωγιμότητα που εμφανίζει το αντικείμενο (σε Siemens)R: Η αντίσταση που εμφανίζει το αντικείμενο (σε ohms)V: Η διαφορά δυναμικού που εφαρμόζεται στα άκρα του αντικειμένου (σε volts)I: Η ένταση του ρεύματος που διαρρέει το αντικείμενο (σε amperes)

 Η ροή του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα σε ένα υλικό σημαίνει ότι μέσα σε αυτό υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρικά φορτία, δηλαδή σωματίδια ή άλλες καταστάσεις οι οποίες χαρακτηρίζονται από κάποιο ηλεκτρικό φορτίο, και τα οποία έχουν τη δυνατότητα κίνησης μέσα στο υλικό. Ωστόσο, η κίνηση μέσα σε ένα υλικό είναι πιο περιορισμένη επειδή υπάρχουν εμπόδια, τα ακίνητα άτομα ή μόρια του υλικού, με τα οποία συγκρούονται οι φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος (φαινόμενο Τζάουλ), αυτές οι συγκρούσεις ονομάζονται σκεδάσεις. Από την άλλη μεριά η ποσότητα των ελεύθερων φορέων που προσφέρει το υλικό αυξάνει την αγωγιμότητά του. Ανάλογα με το φορέα ηλεκτρικού φορτίου η ηλεκτρική αγωγιμότητα διακρίνεται σε ιοντική αγωγιμότητα και ηλεκτρονιακή αγωγιμότητα. Η αγωγιμότητα είναι ο συντελεστής αναλογίας της πυκνότητας ρεύματος και της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου J → = σ E → {\displaystyle {\vec {J}}=\sigma {\vec {E}}} . Μέσα σε ένα διάλυμα με ιόντα, τα ιόντα έχουν ηλεκτρικό φορτίο, ενώ μπορούν να κινηθούν ελεύθερα μέσα στο υγρό. Εφαρμόζοντας διαφορά δυναμικού στο υγρό τα ανιόντα κινούνται προς την άνοδο, ενώ τα κατιόντα προς την κάθοδο προσδίδοντας το ηλεκτρικό τους φορτίο στους ακροδέκτες. Η ροή ηλεκτρικού ρεύματος σχετίζεται άμεσα με χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν ταυτόχρονα μέσα στο διάλυμα, αυτά τα φαινόμενα μελετά η ηλεκτροχημεία. Η παροχή των ηλεκτρικών φορτίων σε ένα υλικό εξαρτάται από την κατανομή των ηλεκτρονίων στο υλικό, δηλαδή την κατανομή των ηλεκτρονίων στα άτομα, τα μόρια, τον κρύσταλλο. Η κατανομή αυτή διαχωρίζει τα ηλεκτρόνια σε ζώνες μέσα στο άτομο. Οι διάφορες ζώνες αλληλεπιδρούν μεταξύ τους στα μόρια και στον κρύσταλλο. Οι ζώνες γεμίζουν, από τις πιο εσωτερικές μέχρι τις πιο εξωτερικές, ως προς το κάθε άτομο. Υπάρχουν άπειρες ζώνες, αλλά δύο ζώνες δε διασταυρώνονται μεταξύ τους, και για να πάει ένα ηλεκτρόνιο από μία ζώνη σε μία άλλη πρέπει, πρώτον, να υπάρχει θέση και, δεύτερον, να αποκτήσει την κατάλληλη ενέργεια. Μια ζώνη μπορεί να αποκτήσει σχετικά εύκολα ηλεκτρόνια όταν έχουν γεμίσει οι πιο εσωτερικές ζώνες και περισσεύουν ηλεκτρόνια ή όταν η προηγούμενη γεμάτη ζώνη απέχει, ενεργειακά, σχετικά λίγο. Η πλέον εξωτερική ζώνη που έχει τη δυνατότητα να αποκτήσει ηλεκτρόνια μπορεί να είναι, κατά κύριο λόγο, γεμάτη, μισογεμάτη ή άδεια. Μια μισογεμάτη ζώνη επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να κινηθούν ελεύθερα όπου θέλουν, κάτι που συνήθως ισχύει στα μέταλλα κι έτσι αυτά τα υλικά είναι καλοί αγωγοί. Άλλα υλικά έχουν την τελευταία ζώνη που μπορεί να αποκτήσει ηλεκτρόνια γεμάτη, έτσι δεν υπάρχει τρόπος να κινηθούν τα ηλεκτρόνια, οπότε τα υλικά αυτά είναι μονωτές. Τα υλικά στα οποία η πλέον εξωτερική ζώνη που έχει τη δυνατότητα να αποκτήσει ηλεκτρόνια είναι άδεια επιτρέπουν τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος, όταν τα ηλεκτρόνια αποκτήσουν σχετικά λίγη ενέργεια για να μεταπηδήσουν από την προηγούμενη γεμάτη ζώνη. Η διαφορά με την προηγούμενη περίπτωση είναι ότι στους μονωτές η γεμάτη με την άδεια ζώνη έχουν μεγάλη διαφορά ενέργειας. Αν οι σκεδάσεις σε ένα υλικό εξαφανιστούν, τότε το υλικό γίνεται υπεραγώγιμο. Αγωγός είναι κάθε υλικό το οποίο αφήνει τα ηλεκτρικά φορτία να περνούν ελεύθερα από μέσα του. Μερικοί αγωγοί του ηλεκτρισμού είναι τα μέταλλα, το ανθρώπινο σώμα και η γη. Μονωτής (ή διηλεκτρικό) είναι κάθε υλικό το οποίο δεν επιτρέπει την ελεύθερη διέλευση του ηλεκτρικού φορτίου από το σώμα του. Τέλειοι μονωτές που να απαγορεύουν εντελώς τη διέλευση του ηλεκτρικού φορτίου από μέσα τους δεν υπάρχουν, αλλά μερικά υλικά τις περισσότερες φορές συμπεριφέρονται σαν τέλειοι μονωτές. Μερικοί μονωτές είναι τα πλαστικά, το γυαλί και ο εβονίτης. Ημιαγωγός είναι κάθε υλικό που επιτρέπει να περνά το ηλεκτρικό φορτίο από μέσα του με κάποιες προϋποθέσεις, όπως αύξηση της θερμοκρασίας ή πρόσπτωση φωτός. Τέτοια υλικά είναι το γερμάνιο και το πυρίτιο. Η ειδική αγωγιμότητα (electrical conductivity) είναι μέτρο της ευκολίας ή δυσκολίας με την οποία άγεται ηλεκτρικό ρεύμα δια μέσω κάποιου υλικού ανεξάρτητα από τις διαστάσεις του. Συμβολίζεται συνήθως με σ. Η μονάδα μέτρησης της ειδικής αγωγιμότητας είναι το Siemens ανά μέτρο (S·m-1). Η αγωγιμότητα ενός κυλινδρικού σώματος προς τη διεύθυνση του άξονά του συνδέεται με την ειδική αγωγιμότητα που χαρακτηρίζει το υλικό του με τη σχέση: G = s A l {\displaystyle G=s{\frac {\mathrm {A} }{l}}} όπου Α η διατομή του σώματος κάθετα στη διεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος και l το μήκος του σώματος Η ειδική αγωγιμότητα ενός υλικού με ένα φορέα ελεύθερου φορτίου είναι το γινόμενο της πυκνότητας φορτίου στο υλικό επί την ειδική κινητικότητα του φορτίου μέσα στο υλικό. Η πυκνότητα φορτίου είναι το γινόμενο της συγκέντρωσης φορτίου επί το ηλεκτρικό φορτίο του κάθε φορέα. Η ειδική κινητικότητα είναι ό λόγος του γινομένου του ηλεκτρικού φορτίου του κάθε φορέα επί το μέσο χρόνο ολίσθησης του φορέα στο υλικό προς την ενεργό μάζα του κάθε φορέα. Ο τύπος της ειδικής αγωγιμότητας είναι: Η ειδική αγωγιμότητα υλικού στο οποίο υπάρχει περισσότεροι φορείς ελεύθερου φορτίου είναι το άθροισμα της ειδικής αγωγιμότητας που θα είχε το υλικό αν ήταν ο μόνος φορέας (αρχή της επαλληλίας).