什麼是電導率？——原理、公式及應用

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電導率是電氣工程中一個重要的術語，用於理解材料的特性以及電流流經材料的行為。電導率是材料的一種屬性，它決定了電流流經材料的難易程度。

閱讀本文，深入瞭解“電導率”，從定義到原理及其應用。讓我們從電導率的基本定義開始。

什麼是電導率？

電導率定義為一種材料易於導通電流（電子移動）的屬性。電導率也稱為材料的比電導。

• 電導率基本上是“電阻率”的反概念，即阻礙電流流動的屬性。電導率是材料的內在屬性，不受任何外部因素的影響。

• 電導率提供了關於當在材料兩端施加電位差或電壓時，電流流經材料的難易程度的資訊。

具有較高電導率的材料允許電流以最小的電阻流過它們。因此，電導率非常高的材料被認為是理想的導體。另一方面，電導率較低的材料對電流的流動具有較高的電阻，被認為是不良導體。

電導率在對電氣材料進行分類中起著至關重要的作用。

• 如果一種材料具有非常高的電導率，則將其歸類為導體。

• 電導率最低的材料被歸類為絕緣體。

• 電導率介於導體和絕緣體之間的材料被歸類為半導體。

電導率背後的原理

根據物質的電子理論，每種材料都是由亞原子粒子組成的，即電子、質子和中子。其中，質子和中子緊密結合在原子的原子核中，而電子可以在原子核周圍的不同軌道上移動。

在一個原子中，電子根據其能級排列在不同的軌道上。當施加電場時，這些電子可以移動。當施加外部電壓或電場時，這些帶電粒子會移動。由於電子是帶負電的粒子，它們會向電源的正極移動。這就是電流流經材料的方式，而材料能夠使這些電子在材料中移動的屬性稱為電導率。

因此，電導率背後的基本原理是電子穿過材料的容易程度。

電導率公式

正如我們上面所討論的，電導率是電阻率的反概念。因此，在數學上，電導率可以定義為電阻率的倒數，即：

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

其中，$\mathrm{\sigma}$是電導率，ρ是電阻率。

電阻率也由下式給出：

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

其中，R是材料的電阻，a是橫截面積，l是導體的長度。

因此，電導率也可以由下式給出：

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

因此，我們可以使用這些公式計算任何物質的電導率。

電導率的單位

由於電導率由下式給出：

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

因此，電導率的單位可以推導如下：

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

因此，電導率的單位是摩/米。

有時，還使用另一個電導率單位，即西門子/米 (S/m)。

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

不同材料的電導率

電導率是材料的屬性，它取決於材料的性質。因此，不同的材料具有不同的電導率。

下表列出了一些常用材料的電導率：

材料	電導率 (S/m)
銀 (導體)	6.30 × 107
銅	5.96 × 107
金	4.10 × 107
鋁	3.50 × 107
鉑	9.43 ×106
石墨	2.00 × 105 - 3.00 × 105
鐵	1.00 × 107
不鏽鋼	1.45 × 106
矽 (半導體)	1.56 × 10-3
玻璃 (絕緣體)	10-11 – 10-15
橡膠 (絕緣體)	10-14
金剛石 (絕緣體)	10-13

影響電導率的因素

材料的電導率主要取決於以下因素：

• 材料的性質——從上表可以看出，不同材料的電導率不同，這取決於材料的性質。例如，銀是一種導體，因此其電導率非常高，而玻璃是一種絕緣體，電導率非常低。

• 溫度——當材料的溫度發生變化時，它會影響材料中自由電子的數量，從而影響電導率。例如，如果我們提高矽的溫度，則其電導率會增加。

電導率的應用

在為特定電氣應用選擇材料時，電導率是一個重要引數。以下是電氣和電子工程領域的一些實踐，展示了電導率的重要性。

電力輸送和分配

在選擇用於設計輸送和分配系統的材料時，電導率是考慮的首要概念。通常的做法是，使用具有較高電導率的材料進行電力輸送和分配。輸送和分配導線和電纜的較高電導率確保在將電力從發電廠輸送到電網和使用點期間能量損失最小。

電氣和電子電路

電導率也用於確定用於設計電氣和電子電路部件的材料。例如，具有高電導率的材料用於製造電路的導電部分，而具有較低電導率的材料則用於在電路中提供絕緣。

通訊系統

電導率也用於選擇合適的材料來設計通訊系統的不同元件。由於通訊系統處理低功率訊號，因此選擇具有所需電導率的材料對於提高系統效率非常重要。

電池

電池需要不同電導率的材料。例如，電池的電極必須具有高電導率，而電池的外殼必須具有較低的電導率。因此，設計電池還需要了解材料的電導率。

結論

總之，電導率是材料的一種屬性，它使電流能夠輕鬆地流過材料。其原理基於電子移動的容易程度。它取決於材料的性質。因此，不同的材料具有不同的電導率。導體材料的電導率高，半導體和絕緣體的電導率低。

電導率是電氣工程中的一個關鍵概念，它使我們能夠將電氣材料分類到不同的類別中。它也用於為特定應用選擇最佳材料。例如，為了設計輸電導體，使用具有高電導率的材料；為了設計絕緣鞋，使用具有低電導率的材料。