電導率定義與影響電導率的因素

金屬中的電導率是帶電粒子移動的結果,金屬元素的原子最重要的特徵就是有價電子的存在,它們是在原子外殼中自由移動的電子,正是因為有這些自由電子才能讓金屬傳導電流。

由於價電子可以自由移動,因此它們可以穿過金屬內部的物理結構,自由電子就像撞球一樣在金屬中移動,並在移動時同時傳遞電荷。

而電導率(或稱比電導)是指材料可以承載電流能力的物理量,除了電導率之外,材料還有熱導率和聲導率等,之後的文章會陸續介紹。

電導率單位

電導率通常以符號σ表示,公制單位是西門子/公尺(S/m)。在電子工程領域中,有時候會以希臘字母κ或γ代表導電率。

電導率與電阻率之間的關係

電導率(σ)與電阻率(ρ)互成倒數關係:

σ= 1 /ρ

具有均勻橫截面材料的電阻率:

ρ= RA / l

其中R是電阻,A是橫截面積,l是材料長度。

隨著溫度降低,金屬導體中的電導率會逐漸增加。在臨界點以下,超導體中的電阻會下降為零,從而使電流可以通過超導體材料製作的導體。

在電解質溶液中,離子負責攜帶電荷及移動,因此離子濃度是材料電導率的關鍵因素。

電導率良好與不良的材料

金屬和電漿都具有非常高的電導率,其中金屬材料裡又以銀的導電性最好,相反的玻璃和純淨水等絕緣體的導電性都很差。

當你查看元素週期表,裡面大多數非金屬物質都屬於不良的電導體和熱導體,而半導體的電導率則剛好介於絕緣體和導體之間。

金屬導電性順序表

金屬電導率列表包含元素和合金,當然它們也會受到大小和形狀的影響,這邊假設全部的試驗品大小都一樣,那麼從最好導電到最不好導電的金屬材料依序如下:

  1. 黃銅
  2. 青銅
  3. 碳鋼
  4. 不銹鋼

    看完這個排名你會發現導電性最好的元素是銀,其次是銅和金。那麼為什麼銀是最好的電導率材料呢?答案是它的電子比其他元素的電子更能自由移動,這與它是化合價和晶體結構有關。

    雖然銀電導率高,同時還具備了所有元素中最高的熱導率和最高的光反射率。但銅和金在電子上的應用卻更常用,這是因為銅價格比銀要便宜很多,而金則具有更高的耐腐蝕性。此外,銀在氧化時會產生氧化層,這會導致外層的導電性降低。

    影響電導率的因素

    以下這些因素會影響材料的導電性能改變。

    • 溫度:溫度的改變會影響原本的導電性,通常升高溫度會引起分子振盪劇烈,導致分子去降低電導率,同時增加電阻率。溫度與電導率之間成線性關係,但是低溫下會有所不同。
    • 雜質:當金屬導體中混入雜質會降低導電性,因為雜質會阻礙電子流動。
    • 電磁場:當電流流過導體時,導體會產生電磁場,當磁場垂直於電場,電磁場就會產生磁阻,從而減慢電流的流動速度。
    • 頻率:交流電每秒完成的振盪週期稱為頻率(Hz),當頻率高到一定水平時,會導致電流集中在導體表面周圍,而不是從整個導體流過,這被稱為是集膚效應。當集膚效應發生時,會導致導體的電流傳輸效率降低。不過直流電因為沒有振盪,也就不會產生頻率,因此自然不會發生集膚效應。
    • 截面積:如果材料的橫截面較大,則可以同時間允許更多的電流通過,相反的較薄的橫截面則會限制電流流動。
    • 長度:導體越短,就能允許電流以更高的速率流動。

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