電導率

電導率，物理學概念，也可以稱為導電率。在介質中該量與電場強度E之積等於傳導電流密度J。對於各向同性介質，電導率是標量；對於各向異性介質，電導率是張量。生態學中，電導率是以數字表示的溶液傳導電流的能力。單位以西門子每米（S/m）表示。

基本介紹

• 中文名：電導率
• 外文名：conductivity(electrical conductance）
• 符號：σ
• 單位：西門子/米（S/m）
• 影響因素：溫度 、摻雜程度 、各向異性
• 定義：電阻率ρ的倒數
• 性質：物理學概念

解釋

電導率（conductivity）是用來描述物質中電荷流動難易程度的參數。在公式中，電導率用希臘字母κ來表示。電導率σ的標準單位是西門子/米（簡寫做S/m），為電阻率ρ的倒數，即σ=1/ρ。

當1安培（1 A）電流通過物體的橫截面並存在1伏特（1 V）電壓時，物體的電導就是1 S。西門子實際上等效於1安培/伏特。如果σ是電導（單位西門子），I是電流（單位安培），E是電壓（單位伏特），則：

σ = I/E

通常，當電壓保持不變時，這種直流電電路中的電流與電導成比例關係。如果電導加倍，則電流也加倍；如果電導減少到它初始值的1/10，電流也會變為原來的1/10。這個規則也適用於許多低頻率的交流電系統，如家庭電路。在一些交流電電路中，尤其是在高頻電路中，情況就變得非常複雜，因為這些系統中的組件會存儲和釋放能量。

電導和電阻也有關係，如果R是一個組件和設備的電阻（單位歐姆Ω），電導為G（單位西門子S），則：G = 1/R。

影響因素

溫度

電導率與溫度具有很大相關性。金屬的電導率隨著溫度的升高而減小。半導體的電導率隨著溫度的升高而增加。在一段溫度值域內，電導率可以被近似為與溫度成正比。為了要比較物質在不同溫度狀況的電導率，必須設定一個共同的參考溫度。電導率與溫度的相關性，時常可以表達為，電導率對上溫度線圖的斜率。

摻雜程度

固態半導體的摻雜程度會造成電導率很大的變化。增加摻雜程度會造成電導率增高。水溶液的電導率高低相依於其內含溶質鹽的濃度，或其它會分解為電解質的化學雜質。水樣本的電導率是測量水的含鹽成分、含離子成分、含雜質成分等等的重要指標。水越純淨，電導率越低（電阻率越高）。水的電導率時常以電導係數來紀錄；電導係數是水在 25°C 溫度的電導率。

各向異性

有些物質會有各向異性(anisotropy) 的電導率，必需用 3 X 3 矩陣來表達（使用數學術語，第二階張量，通常是對稱的）。

測量方法

電導率的測量通常是溶液的電導率測量。固體導體的電阻率可以通過歐姆定律和電阻定律測量。電解質溶液電導率的測量一般採用交流信號作用於電導池的兩電極板，由測量到的電導池常數K和兩電極板之間的電導G而求得電導率σ。

電導率測量中最早採用的是交流電橋法，它直接測量到的是電導值。最常用的儀器設定有常數調節器、溫度係數調節器和自動溫度補償器，在一次儀表部分由電導池和溫度感測器組成，可以直接測量電解質溶液電導率。

測量原理

電導率的測量原理是將相互平行且距離是固定值L的兩塊極板（或圓柱電極），放到被測溶液中，在極板的兩端加上一定的電勢（為了避免溶液電解，通常為正弦波電壓，頻率1～3 kHz）。然後通過電導儀測量極板間電導。

電導率的測量需要兩方面信息。一個是溶液的電導G，另一個是溶液的電導池常數Q。電導可以通過電流、電壓的測量得到。

根據關係式K=Q×G可以得到電導率的數值。這一測量原理在直接顯示測量儀表中得到廣泛套用。

而Q= L/A

A——測量電極的有效極板面積

L——兩極板的距離

這一值則被稱為電極常數。在電極間存在均勻電場的情況下，電極常數可以通過幾何尺寸算出。當兩個面積為1 cm²的方形極板，之間相隔1 cm組成電極時，此電極的常數Q=1 cm^-1。如果用此對電極測得電導值G=1000 μS，則被測溶液的電導率K=1000 μS/ cm。

一般情況下，電極常形成部分非均勻電場。此時，電極常數必須用標準溶液進行確定。標準溶液一般都使用KCl溶液這是因為KCl的電導率的不同的溫度和濃度情況下非常穩定，準確。0.1 mol/l的KCl溶液在25℃時電導率為12.88 mS/cm。

所謂非均勻電場（也稱作雜散場，漏泄場）沒有常數，而是與離子的種類和濃度有關。因此，一個純雜散場電極是最複雜的電極，它通過一次校準不能滿足寬的測量範圍的需要。

種類

電導電極一般分為二電極式和多電極式兩種類型。

二電極式電導電極是目前國內使用最多的電導電極類型，實驗式二電極式電導電極的結構是將二片鉑片燒結在二平行玻璃片上，或圓形玻璃管的內壁上，調節鉑片的面積和距離，就可以製成不同常數值的電導電極。通常有K=1.K=5.K=10等類型。而線上電導率儀上使用的二電極式電導電極常製成圓柱形對稱的電極。當K=1時，常採用石墨，當K=0.1.0.01時，材料可以是不鏽鋼或鈦合金。

多電極式電導電極，一般在支持體上有幾個環狀的電極，通過環狀電極的串聯和並聯的不同組合，可以製成不同常數的電導電極。環狀電極的材料可以是石墨、不鏽鋼、鈦合金和鉑金。

電導電極還有四電極類型和電磁式類型。四電極電導電極的優點是可以避免電極極化帶來的測量誤差，在國外的實驗式和線上式電導率儀上較多使用。電磁式電導電極的特點是適宜於測量高電導率的溶液，一般用於工業電導率儀中，或利用其測量原理製成單組分的濃度計，如鹽酸濃度計、硝酸濃度計等。

電導電極常數

根據公式K=S/G，電極常數K可以通過測量電導電極在一定濃度的KCL溶液中的電導G來求得，此時KCL溶液的電導率S是已知的。

由於測量溶液的濃度和溫度不同，以及測量儀器的精度和頻率也不同，電導電極常數K有時會出現較大的誤差，使用一段時間後，電極常數也可能會有變化，因此，新購的電導電極，以及使用一段時間後的電導電極，電極常數應重新測量標定，電導電極常數測量時應注意以下幾點：

1． 測量時應採用配套使用的電導率儀，不要採用其它型號的電導率儀。

2． 測量電極常數的KCL溶液的溫度，以接近實際被測溶液的溫度為好。

3． 測量電極常數的KCL溶液的濃度，以接近實際被測溶液的濃度為好。

溫度補償

電導率測量是與溫度相關的。溫度對電導率的影響程度依溶液的不同而不同，可以用下面的公式求得：

G_t = G_tcal{1 + α(T-T_cal)}

其中：

G_t = 某一溫度（°C）下的電導率

G_tcal = 標準溫度（°C）下的電導率

T_cal = 溫度修正值

α = 標準溫度（°C）下溶液的溫度係數。

下表列出了常用溶液的α值。要得到其他溶液的α值，只要測量某個溫度範圍內的電導率，並以溫度為縱軸繪出

溶液; （25°C）	濃度	Alpha; (α)
鹽酸	10 wt%	1.56
氯化鉀溶液	10 wt%	1.88
硫酸	50 wt%	1.93
氯化鈉溶液	10 wt%	2.14
氫氟酸	1.5 wt%	7.20
硝酸	31 wt%	31.0

相應的電導率的變化曲線，與標準溫度相對應的曲線點為該溶液的α值。

市場上所銷售的所有電導儀都可以參照標準溫度（通常為25°C）進行調節的或自動溫度補償。大多數固定溫度補償的電導儀的α調節為2%/°C（近似25°C時氯化鈉溶液的α）。可調節溫度補償的電導儀可以把α調節到更加接近所測溶液的α。

電導率基準

中國和不少國家的電導率基準是以相對測量法建立的，是一種國家副基準。

將一種純度優於99.99%的高純度氯化鉀作為符合國際推薦的電導率基準物質，由它所配製的基準溶液應具有國際推薦電導率值。以25℃的溶液電導率為起始點，相應地測出各個電導率常數，然後按下式求出其他溫度的電導率常數K

K=K₀(1-at)

式中，K₀為0℃下電導池常數；a為製作電導池所用玻璃線性膨脹係數；t為溶液溫度，單位℃。

上式為近似推導結果，與考慮複雜情況時最多不會超過正負1xl0^-5的差別。再根據不同溫度下各溶液在相應電導池上所實測到的電阻值，相應地計算出各溶液在不同溫度下的電導率。因為電導池常數相對變化的溫度係數為-8.49x10^-6℃^-1，而KCl溶液電導率的溫度係數大約為+2x10^-2℃-¹。因此，假如1D、0.1D和0.01D溶液在18℃和20℃下所測得的電導率與國際推薦值—致，則可以認為這樣的相對測量方法是可靠的，這在以後的國際樣品比較中得到了驗證。其中20℃的國際推薦值是1972年和1976年IUPAC推薦值。