Elektrická vodivost

Rozbalit box

Obsah boxu

Elektrická vodivost (též konduktance, symbol G) je fyzikální veličina, která vyjadřuje schopnost materiálu vést elektrický proud. Je to převrácená hodnota elektrického odporu (rezistence) R. Čím vyšší je elektrická vodivost materiálu, tím lépe propouští elektrický proud. Elektrická vodivost je klíčovým faktorem v elektrotechnice a fyzice a má důležité aplikace v různých odvětvích vědy a techniky.

💡 Definice a princip

Elektrická vodivost je měřítkem schopnosti materiálu vést elektrický proud a množství tohoto proudu. Je to makroskopická veličina popisující celé těleso, na rozdíl od měrné elektrické vodivosti (konduktivity), která je materiálovou konstantou. Jednotkou elektrické vodivosti v soustavě SI je siemens (S), pojmenovaný po německém vynálezci Werneru Siemensovi. Jeden siemens představuje vodivost vodiče, jehož odpor je jeden ohm.

Základní vztah pro elektrickou vodivost G je dán vzorcem:

$G=\frac{1}{R}$

kde G je elektrická vodivost v siemensech (S) a R je elektrický odpor v ohmech (Ω).

📏 Měrná elektrická vodivost (konduktivita)

Měrná elektrická vodivost (též konduktivita, symbol σ nebo γ) je fyzikální veličina, která popisuje schopnost látky dobře vést elektrický proud. Je to materiálová konstanta, která nezávisí na tvaru ani rozměrech tělesa, ale pouze na druhu materiálu, jeho čistotě a teplotě. Konduktivita je převrácenou hodnotou měrného elektrického odporu (rezistivity) ρ.

Jednotkou měrné elektrické vodivosti v soustavě SI je siemens na metr (S/m nebo S·m⁻¹). Často se používají i dílčí jednotky jako S·cm⁻¹, mS·cm⁻¹ nebo µS·cm⁻¹, zejména při měření vodných roztoků.

Vztah mezi měrnou elektrickou vodivostí σ a měrným elektrickým odporem ρ je:

$\sigma =\frac{1}{\rho }$

Pro jednolité těleso o délce l, průřezu S a elektrické vodivosti G platí vztah:

$\sigma =\frac{l\cdot G}{S}$

Typické hodnoty měrné elektrické vodivosti při 20 °C:

• Kovy (velmi dobří vodiče): řádově 10⁷ S·m⁻¹ (např. stříbro 6,3 × 10⁷ S·m⁻¹, měď 5,96 × 10⁷ S·m⁻¹, hliník 3,5 × 10⁷ S·m⁻¹)
• Polovodiče: řádově 10⁻⁶ až 10⁴ S·m⁻¹
• Izolanty: řádově 10⁻¹⁰ až 10⁻¹⁶ S·m⁻¹

⚛️ Mechanismus vedení proudu

Mechanismus vedení elektrického proudu se liší v závislosti na typu materiálu:

• Vodiče 1. řádu (elektronová vodivost): Patří sem především kovy a grafit. V těchto materiálech jsou nosiči elektrického náboje volné elektrony, které se mohou volně pohybovat v krystalové mřížce. Při průchodu elektrického proudu nedochází k chemickým změnám materiálu. Čím více volných elektronů kov obsahuje, tím lépe vede elektrický proud.
• Vodiče 2. řádu (iontová vodivost): Zahrnují roztoky a taveniny iontových solí (elektrolyty). Zde jsou nosiči náboje ionty (kladné kationty a záporné anionty), které se pohybují k opačně nabitým elektrodám. Jejich pohyb je spojen s přenosem hmoty a chemickými změnami. Ionty jsou podstatně větší než elektrony, a proto je jejich pohyblivost menší a vodivost roztoků nižší než u kovů. Iontová vodivost se může vyskytovat i v některých pevných látkách, jako jsou iontové krystaly.
• Polovodiče: V polovodičích se vedení proudu uskutečňuje jak volnými elektrony, tak i tzv. děrami (volnými místy po elektronech). Počet těchto nosičů náboje je silně závislý na teplotě a přítomnosti příměsí (dopingu).

🌡️ Vliv teploty a dalších faktorů

Elektrická vodivost je ovlivněna několika faktory:

• Teplota:

   *   U kovů elektrická vodivost s rostoucí teplotou obvykle klesá. Zvýšení teploty způsobuje intenzivnější tepelný pohyb atomů krystalové mřížky, což zvyšuje srážky volných elektronů s atomy a brání jejich usměrněnému pohybu.
   *   U polovodičů se elektrická vodivost se zvyšující se teplotou naopak zvyšuje. Vyšší teplota dodává elektronům dostatek energie k překonání energetické bariéry a přechodu do vodivostního pásu, čímž se zvyšuje počet volných nosičů náboje.
   *   U elektrolytů se vodivost s teplotou obvykle zvyšuje díky zvýšené pohyblivosti iontů.

• Nečistoty a doping:

   *   Přítomnost nečistot ve vodičích snižuje jejich vodivost, protože nečistoty ztěžují průtok elektronů.
   *   U polovodičů má řízené přidávání příměsí (doping) zásadní vliv na vodivost a určuje typ vodivosti (typ N nebo P).
   *   U vodných roztoků závisí vodivost na koncentraci rozpuštěných solí, kyselin nebo zásad. Čím více je iontů, tím vyšší je vodivost.

• Krystalická struktura a fáze: Různé krystalické struktury nebo přítomnost více fází v materiálu mohou ovlivnit vodivost.
• Mechanická deformace: Plastická deformace za studena může ovlivnit vodivost kovů.
• Anizotropie: Některé látky vykazují anizotropní vodivost, což znamená, že vodivost je různá v různých směrech.

⚡ Typy vodičů a jejich vodivost

Materiály se podle své elektrické vodivosti dělí na tři hlavní skupiny:

• Vodiče: Látky s vysokou elektrickou vodivostí (nízkým měrným odporem), které snadno propouštějí elektrický proud. Mají volné elektrony, které se mohou volně pohybovat. Nejlepšími vodiči jsou kovy, zejména stříbro, měď a zlato, následované hliníkem. Měď je pro svou vysokou vodivost a tažnost nejpoužívanějším materiálem pro elektrické rozvody, kabely a motory.
• Polovodiče: Látky, jejichž vodivost je mezi vodiči a izolanty. Jejich vodivost lze výrazně měnit vnějšími vlivy, jako je teplota, osvětlení nebo příměsi. Patří sem například křemík a germanium.
• Izolanty: Látky s velmi nízkou elektrickou vodivostí (vysokým měrným odporem), které brání průchodu elektrického proudu. Nemají dostatek volných nosičů náboje. Mezi běžné izolanty patří guma, sklo, plasty, keramika a suché dřevo.

Supravodiče

Zvláštní kategorií jsou supravodiče, materiály, které při ochlazení pod určitou kritickou teplotu ztrácejí veškerý elektrický odpor a vedou elektrický proud bez jakýchkoli ztrát. Tento jev byl objeven v roce 1911 nizozemským fyzikem Heikem Kamerlingh-Onnesem u rtuti. Výzkum supravodivosti pokračuje i v roce 2025 s cílem objevit materiály supravodivé při vyšších teplotách (tzv. vysokoteplotní supravodiče) nebo dokonce za pokojové teploty a běžného tlaku, což by mohlo způsobit revoluci v energetice a elektronice. Nedávný výzkum z roku 2025 na Univerzitě v Soulu přinesl nový pohled na mechanismy vysokoteplotní supravodivosti. Také se zkoumá supravodivost v materiálech jako je třívrstvý grafen s pootočenými vrstvami.

🔬 Měření elektrické vodivosti

Měření elektrické vodivosti je důležité v mnoha oblastech, od kontroly kvality vody až po charakterizaci materiálů.

• Konduktometry: Pro měření elektrické vodivosti roztoků se používají konduktometry (nebo ohmmetry), které měří odpor kapaliny mezi dvěma elektrodami ponořenými do měřené kapaliny. Pro zamezení elektrochemickým reakcím na elektrodách se používá střídavý proud.
• Metody:

   *   Vodivé senzory: Mají dvě kovové elektrody v kontaktu s látkou. Měří se proud procházející mezi elektrodami při přivedeném napětí.
   *   Indukční senzory: Vhodné pro korozivní média nebo média s pevnými částicemi. Mají vysokou odolnost proti korozi.
   *   Wheatstoneův můstek: Používá se pro přesná měření odporu roztoků.

• Faktory ovlivňující měření: Teplota média je klíčová, proto jsou měřicí přístroje často vybaveny kompenzací teploty nebo přesnými teploměry. Dále je důležitá kalibrace sondy a frekvence střídavého proudu.

🌐 Praktické aplikace a význam

Elektrická vodivost má široké spektrum aplikací v moderní společnosti:

• Elektrické rozvody a elektronika: Vodiče jako měď a hliník jsou základem pro přenos elektrické energie, elektrické obvody a elektronická zařízení.
• Kontrola kvality: Měření vodivosti vody se používá ke kontrole čistoty pitné vody, sledování odpadních vod, kontrolu kotelních napájecích vod a řízení průmyslových procesů (např. rafinace cukru). Čím čistší je voda, tím nižší je její vodivost.
• Materiálové inženýrství: Měření vodivosti pomáhá charakterizovat materiály, kontrolovat homogenitu slitin a určovat jejich vlastnosti.
• Biologie a medicína: Živé tkáně vykazují elektrickou vodivost, která je ovlivněna jejich strukturou a chemickým složením. Měří se pasivní (chování tkání v elektrickém poli) i aktivní (elektrické projevy spojené s činností tkání) elektrické vlastnosti. Například bioimpedanční analýza (BIA) využívá měření elektrické impedance tkání k odhadu složení těla.
• Geofyzika: Výzkum elektrické vodivosti zemského pláště a jádra pomáhá pochopit procesy probíhající uvnitř Země.

🧪 Pro laiky

Představte si elektrickou vodivost jako to, jak snadno může voda protékat hadicí. Pokud máte širokou, hladkou a prázdnou hadici, voda jí proteče velmi snadno a rychle. To je jako dobrý vodič, třeba měděný drát. Má nízký odpor a elektrony (jako ty kapičky vody) se v něm pohybují bez problémů. Pokud je hadice úzká, plná kamínků nebo zalomená, voda jí proteče jen velmi obtížně nebo vůbec. To je jako izolant, například guma nebo plast. Tyto materiály brání elektronům v pohybu, a proto nevedou elektřinu. A pak je tu něco mezi tím – to jsou polovodiče. Představte si hadici, která má ventily, které můžete trochu otevřít nebo zavřít. Když ventily otevřete víc (například zvýšením teploty nebo přidáním speciálních látek), voda (elektrony) proteče lépe. To je důvod, proč jsou polovodiče tak důležité v počítačích a telefonech, protože jejich vodivost můžeme řídit. A nakonec máme superhrdiny vodivosti – supravodiče. To je jako hadice, kterou když dostatečně ochladíte, voda jí začne protékat úplně bez jakéhokoli tření nebo odporu, navždy a bez ztrát! V současnosti se vědci snaží najít takové "superhadice", které by takto fungovaly i za normální teploty, což by ušetřilo obrovské množství energie.