Природа електропровідності

Електропровідність зумовлена переважним рухом заряджених часток, носіїв заряду в напрямку електричного поля. Носіями заряду можуть бути електрони, дірки або йони. Для забезпечення провідності носії заряду повинні бути вільними.

Провідність різних середовищ [ред.]Вакуум

У вакуумі відсутні електричні заряди, тож його провідність нескінченно мала. Проте, якщо інжектувати електрони у вакуум, то він стає гарним провідником. Це явище використовується у вакуумних лампах. Електрони в них інжектуються у вакуум з нагрітого катода завдяки явищу термоелектронної емісії. Провідність вакууму обмежена утворенням області просторового заряду - негативно зарядженої електронної хмари між катодом та анодом, яка чинить перепони вильоту електронів з катода.

[Ред.]Гази

Як і у вакуумі, у газах звичайно немає вільних носіїв заряду. Їх можна інжектувати з катода. Проте при своєму русі до анода інжектовані в газ електрони зазнають зіткнень із атомами газу й розсіюються. З одного боку це зменшує провідність, але з іншого боку, електрони, розігнані електричним полем до високих швидкостей, можуть іонізувати атоми газу, вибиваючи з них електрони й створюючи позитивні йони. Нові електрони та йони рухаються до аноду чи катоду, відповідно, збільшуючи електричний струм. В залежності від прикладеної напруги та хімічного складу газу ці явища призводять до виникнення низки різноманітних типів газових розрядів, розшарування проміжку між анодом і катодом на зони з різними властивостями тощо.

[Ред.]Електроліти

Більшість рідин не мають вільних носіїв заряду і є діелектриками. Виняток становлять електроліти, наприклад вода чи розчини солей у воді. В електролітах частина нейтральних молекул дисоціює, утворюючи негативно й позитивно заряджені йони. Електропровідність електролітів зумовлена рухом цих йонів до аноду й катоду, відповідно. На аноді й катоді йони відновлюються чи окислюються, вступають в хімічні реакції. Усе це призводить до виникнення різноманітних гальванічних ефектів.

[Ред.]Метали

У металах є вільні носії зарядів - електрони. Зонна структура металів характеризується наполовину заповненою валентною зоною. Проте лише електрони із енергіями близькими до рівня хімічного потенціалу можуть прискорюватися електричним полем. На заваді прискорення електронів з меншою енергією стає принцип виключення Паулі. Таким чином, в провідність вносять вклад лише електрони із енергіями, що лежать у проміжку   ( k< - стала Больцмана, Т - температура ) від рівня Фермі. Провідність металів обмежена актами розсіяння прискорених електронів у результаті зіткнення з іншими електронами, розсіяння на коливаннях кристалічної ґратки, домішках тощо. Провідність металів зменшується із збільшенням температури завдяки тому, що при вищих температурах посилюються коливання атомів кристалічної ґратки й акти розсіяння частішають.

[Ред.]Напівпровідники

Надпровідники можуть нескінченно довго підтримувати електричний струм навіть, коли електричне поле, яке його викликало, виключити.

Формально провідність напівпровідників нескінченна. Надпровідний стан існує лише при низьких температурах, хоча теоретично верхня границя температури переходу із надпровідного в звичайний стан не встановлена.

Фізична природа нескінченної провідності надпровідників в тому, що в надпровідниках подавлені канали розсіяння енергії. Носіями заряду в надпровідниках є куперівські пари - зв'язані стани двох електронів із протилежними спінами й протилежними напрямками руху.

Куперівські пари утворюються завдяки непрямому притягуванню між електронами, зумовленому взаємодією із кристалічною ґраткою. Електрон, рухаючись в кристалі, деформує ґратку, створюючи «канал», який притягає інший електрон. Куперівські пари мають унікальні властивості. У них неможливо забрати енергію, бо електрони, які увійшли до їх складу, вже віддали енергію на утворення пари.

Розвалити пару можна лише надавши їй доволі значну порцію енергії, але при низьких температурах таку енергію взяти нізвідки - енергії теплового руху не вистачає. Таким чином, куперівські пари, утворившись, приречені вічно блукати кристалом, переносячи із собою два електричні заряди й створюючи електричний струм.

Куперівські пари розвалюються, коли температура стає вищою певної критичної температури, або ж у достатньо сильному зовнішньому магнітному полі (вищому за певне критичне значення).