Ηλεκτρική αγωγιμότητα

Αρχή λειτουργίας

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 .

Αρχή λειτουργίας της ιοντικής αγωγιμότητας

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 φαινόμετα μελετά η ηλεκτροχημεία.

Αρχή λειτουργίας της ηλεκτρονιακής αγωγιμότητας

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.

Κατηγορίες ηλεκτρικής αγωγιμότητας

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.