关于电流的文章讨论了电流密度,而关于电场的文章则解释了电场。当导体两端存在电势差时,导体中就会存在电场和电流;反之,如果没有电势差,则既不存在电场也不存在电流。
在金属导体中,电场强度与电流密度成正比,电场强度与电流密度的比值是一个常数。这个比值称为电阻率或比电阻。从数学角度来看,电场强度、电流密度和比电阻之间的关系可以用以下公式表示:
说明:ρ = 电阻率,E = 电场强度,J = 电流密度
电场强度公式之一是 E = V/s,其中 V 为电势差(即电压),s 为距离,因此电场强度的单位是伏特/米 (V/m)。电流密度公式是 J = I/A,其中 I 为电流,A 为导体的横截面积,因此电流密度的单位是安培/平方米 (A/m² )。电阻率公式是 ρ = E/J,因此电阻的单位是 V/m:A/m² = V/m × m² /A = V/A (m) = Ω·m(读作:欧姆米)。Ω = 伏特/安培是电阻的单位,关于这个单位的解释请参见欧姆定律的文章。
电阻率最高的是电绝缘体或导电性差的材料,而电阻率最低的是电导体或导电性好的材料。导体的导电性能越好,其电阻率就越低。金属导体的电阻率由高到低依次为:锡、钢、铝、金、铜、银。因此,我们可以得出结论:物体的电阻率值反映了该物体阻碍电流的能力。
符合欧姆定律的良导体在一定温度下,其电阻率与电场强度无关,也就是说,即使电场强度发生变化,电阻率也不会改变。相反,不符合欧姆定律的导体,其电阻率与电场强度有关,也就是说,即使电场强度发生变化,电阻率也会改变。
金属导体的电阻率取决于温度。温度升高时,电阻率增大;反之,温度降低时,电阻率减小。温度升高时,原子运动速度加快,排列更加无序,阻碍电子运动,减缓电子流动。温度降低时,原子运动速度减慢,排列更加有序,有利于电子流动。
电阻率的倒数是电导率。从数学角度来看,电阻率和电导率之间的关系可以用以下公式表示:
σ = 1/ρ
说明:σ = 导体电导率,ρ = 导体电阻率。
电阻率的单位是Ωm,所以电导率的单位是1/Ωm = (Ωm)-1
导电性最高的材料是电导体,而导电性最低的材料是电绝缘体。导体导电性能越好,其导电性就越高。金属导体的导电性由高到低依次为:银、铜、金、铝、钢、锡。因此,我们可以得出结论:物体的导电性值反映了其导电能力。银的导电性很高,但价格昂贵,因此铜被更广泛地用作导体。