Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики

Проводники и диэлектрики. Полупроводники

Сопротивление проводников. Проводимость. Диэлектрики. Применение проводников и изоляторов. Полупроводники.

Физические вещества многообразны по своим электрическим свойствам. Наиболее обширные классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Проводники

Основная особенность проводников – наличие свободных носителей зарядов, которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему вещества. Как правило, к таким веществам относятся растворы солей, расплавы, вода (кроме дистиллированной), влажная почва, тело человека и, конечно же, металлы.

Металлы считаются наиболее хорошими проводниками электрического заряда.

Есть также очень хорошие проводники, которые не являются металлами. Среди таких проводников лучшим примером является углерод. Все проводники обладают такими свойствами, как сопротивление и проводимость.

Ввиду того, что электрические заряды, сталкиваясь с атомами или ионами вещества, преодолевают некоторое сопротивление своему движению в электрическом поле, принято говорить, что проводники обладают электрическим сопротивлением (R).

Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью (G).

G = 1/ R

То есть, проводимость – это свойство или способность проводника проводить электрический ток.

Нужно понимать, что хорошие проводники представляют собой очень малое сопротивление потоку электрических зарядов и, соответственно, имеют высокую проводимость. Чем лучше проводник, тем больше его проводимость. Например, проводник из меди имеет большую проводимость, чем проводник из алюминия, а проводимость серебряного проводника выше, чем такого же проводника из меди.

Диэлектрики

В отличие от проводников, в диэлектриках при низких температурах нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

К диэлектрикам относятся, в первую очередь, газы, которые проводят электрические заряды очень плохо. А также стекло, фарфор, керамика, резина, картон, сухая древесина, различные пластмассы и смолы.

Предметы, изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами. Надо отметить, что диэлектрические свойства изоляторов во многом зависят от состояния окружающей среды. Так, в условиях повышенной влажности (вода является хорошим проводником) некоторые диэлектрики могут частично терять свои диэлектрические свойства.

О применении проводников и изоляторов

Как проводники, так и изоляторы широко применяются в технике для решения различных технических задач.

К примеру, все электрические провода в доме выполнены из металла (чаще всего медь или алюминий). А оболочка этих проводов или вилка, которая включается в розетку, обязательно выполняются из различных полимеров, которые являются хорошими изоляторами и не пропускают электрические заряды.

Нужно отметить, что понятия «проводник» или «изолятор» не отражают качественных характеристик: характеристики этих материалов в действительности находятся в широком диапазоне – от очень хорошего до очень плохого.

Серебро, золото, платина являются очень хорошими проводниками, но это дорогие металлы, поэтому они используются только там, где цена менее важна по сравнению с функцией изделия (космос, оборонка).

Обратите внимание

Медь и алюминий также являются хорошими проводниками и в то же время недорогими, что и предопределило их повсеместное применение.

Вольфрам и молибден, напротив,  являются плохими проводниками и по этой причине не могут использоваться в электрических схемах (будут нарушать работу схемы), но высокое сопротивление этих металлов в сочетании с тугоплавкостью предопределило их применение в лампах накаливания и высокотемпературных нагревательных элементах.

Изоляторы также есть очень хорошие, просто хорошие  и плохие. Связано это с  тем, что в реальных диэлектриках также есть свободные электроны, хотя их очень мало. Появление свободных зарядов даже в изоляторах обусловлено тепловыми колебаниями электронов: под воздействием высокой температуры некоторым электронам все-таки удается оторваться от ядра и изоляционные свойства диэлектрика при этом ухудшаются. В некоторых диэлектриках свободных электронов больше и качество изоляции у них, соответственно, хуже. Достаточно сравнить, например, керамику и картон.

Самым лучшим изолятором является идеальный вакуум, но он практически не достижим на Земле. Абсолютно чистая вода также будет отличным изолятором, но кто-нибудь видел ее в реальности? А вода с наличием каких-либо примесей уже является достаточно хорошим проводником.

Критерием качества изолятора является соответствие его функциям, которые он должен выполнять в данной схеме. Если диэлектрические свойства материала таковы, что любая утечка через него ничтожно мала (не влияет на работу схемы), то такой материал считается хорошим изолятором.  

Полупроводники

Существуют вещества, которые по своей проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Такие вещества называют полупроводниками. Они отличаются от проводников сильной зависимостью проводимости электрических зарядов от температуры, а также от концентрации примесей и могут иметь свойства, как проводников, так и диэлектриков.

В отличие от металлических проводников, у которых с ростом температуры проводимость уменьшается, у полупроводников проводимость растет  с увеличением температуры, а сопротивление, как величина обратная проводимости – уменьшается.

При низких температурах сопротивление полупроводников, как видно из  рис. 1, стремится к бесконечности.

Это значит, что при температуре абсолютного нуля полупроводник не имеет свободных носителей в зоне проводимости и в отличие от проводников ведёт себя, как диэлектрик.

При увеличении температуры, а также при добавлении примесей (легировании) проводимость полупроводника растет и он приобретает свойства проводника. 

Рис. 1.

Зависимость сопротивлений проводников и полупроводников от температуры

Примерами классических полупроводников являются такие химические элементы, как кремний (Si) и германий (Ge). Более подробно об этих элементах читайте в статье «О проводимости полупроводников».

Источник: http://vgs-design-el.blogspot.com/p/blog-page_12.html

Что такое проводник и диэлектрик?

04.12.2017

Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока. 

Что представляют собой проводники?

Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу. 

Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.

Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод. 

Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:

  • показатель сопротивления;
  • показатель электропроводности.

Сопротивление возникает из-за того, что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность. 

Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.  

Например кабельная продукция: медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.

Что представляют собой диэлектрики?

Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу. 

Важно

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы. 

Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств. 

Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач. 

Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц. 

Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.

Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос). 

Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно. 

Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы. 

Совет

Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве.

Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала.

Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах. 

Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля. 

Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника. 

Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным. 

Что такое полупроводник?

Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника. 

С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы. 

Полупроводниками являются кремний и германий.

Статья по теме: Электрический ток и его скорость

Источник: https://www.elektro.ru/articles/detail/chto-takoe-provodnik-i-dielektrik-

Мир науки

     Все вещества состоят из атомов и молекул, имеющих положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. Атомы и молекулы электрически нейтральны, так как заряд ядра равен суммарному заряду

электронов, окружающих ядро. При наличии внешних факторов (повышение температуры, электрическое поле и т.д.) атом или молекула теряет электрон. Этот атом превращается в положительный ион, а электрон, оторвавшийся от атома, может присоединиться к другому атому, превратив его в отрицательный ион, остаться свободным.

Процесс образования ионов называют ионизацией. Количество свободных электронов или ионов в единице объема вещества называется концентрацией заряженных частиц.

Обратите внимание

Таким образом, в веществе, которую поместили в электрическое поле, под действием сил поля возникает процесс движения свободных электронов или ионов в направлении сил поля, назвали электрическим током.

Читайте также:  Какого сечения должен быть удлинитель для подключения мощной бытовой техники?

     Свойство вещества проводить ток под действием электрического поля называется электропроводностью вещества, которая зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. Чем больше концентрация заряженных частиц, тем больше электропроводность вещества. Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на:

1 Проводник. Обладают очень большой электропроводностью. Проводники делятся на две группы. К проводникам первой группе относятся металлы (медь, алюминий, серебро и т.д.) и их сплавы, в которых возможно перемещение только электронов.

То есть в металлах электроны очень слабо связаны с ядрами атомов и легко от них отделяются. В металлах явление электрического тока связано с движением свободных электронов, которые обладают очень большой подвижностью и находятся в состоянии теплового движения. Эту электропроводность называют электронной.

Проводники используются для изготовления проводов, ЛЭП, обмоток электрических машин и т.п.. К проводникам второй группе относятся водные растворы солей, кислот и т.д., которые называют электролитами.

Под действием раствора молекулы вещества распадаются на положительные и отрицательные ионы, которые под действием электрического поля начнут перемещаться. Ионы электролита при прохождении тока начнут осаждатися на электродах, опущенных в электролит.

Процесс выделения вещества из электролитов электрическим током называется электролизом. Его используют для добычи цветных металлов из растворов их соединений (медь, алюминий), а также для покрытия металлов защитным слоем другого металла (например, хромирование).

2 Диэлектрики (или электроизоляционные вещества). Вещества с очень малой электропроводностью (газы, резиновые вещества, минеральные масла и т.п.).

Важно

В этих веществах электроны очень сильно связаны с ядрами атомов и под действием электрического поля редко отделяются от ядер. Т.е. диэлектрики не проводят электрический ток.

Это их свойство используют при производстве электрозащитных средств: диэлектрические перчатки, обувь, коврики, изолирующие подставки, накладки, колпаки, изоляторы на электрооборудовании и т.п..

Диэлектрики могут быть: твердые, газообразные, жидкости.

3 Полупроводниковые (германий, селен, кремний). Это вещества, которые кроме электронной проводимости, имеют «дырочную» проводимость, которая в большой степени зависит от наличия внешних факторов: света, температуры, электрического или магнитного поля.

Эти вещества имеют ковалентную связь (- это химическая связь между двумя электронами соседних атомов на одной орбите). Ковалентная связь очень непрочен. При наличии внешнего фактора он разрушается и появляются свободные электроны (электронная проводимость).

В момент образования свободного электрона в ковалентной связи появляется свободный город – «электрона дыра» (эквивалентная протона), которая притягивает к себе электрон из соседнего ковалентной связи. Но тогда образуется новая «дыра», которая вновь притягивает к себе электрон из соседнего ковалентной связи и так далее. Т.е.

под действием электрического поля перемещаются «дыры» в направлении поля (навстречу электронам) – движение протонов. Таким образом, при электронной проводимости – электрон проходит весь путь, а при «дырочной» – электроны поочередно замещаются по связям, каждый электрон проходит долю пути.

При нарушении связей в полупроводниках одновременно возникает одинаковое количество электронов и «дырок». То есть, проводимость состоит из электронной и «дырочной» и называется собственной проводимостью полупроводника. Свойства полупроводников возможно изменить, если в них внести примеси других веществ. Тем самым увеличить ту или иную проводимость.

Это используется в промышленной электронике: диоды, транзисторы, тиристоры. Используют, как усилители, выпрямители, электронные генераторы, стабилизаторы и тому подобное. Их преимущества: малая потеря энергии, стоимость, размер и масса, простота эксплуатации, большой срок работы. Недостаток: зависимость проводимости от температуры.

Источник: http://worldofscience.ru/fizika/6268-provodniki-dielektriki-poluprovodniki.html

Проводники, полупроводники и диэлектрики. Электрический ток

Не в каждом теле есть условия для прохождения электрического тока. Дело в том, что атомы и молекулы различных веществ обладают неодинаковыми свойствами. В металлах, например, электроны легко покидают оболочки и беспорядочно, хаотично движутся между атомами.

В металлах особенно много свободных электронов. По существу, металл состоит из положительных ионов, расположенных в определенном порядке, пространство между которыми заполнено свободными электронами.

В металле невозможно различить, какой электрон к какому из атомов относится, они сливаются в единое электронное облако. Огромное количество свободных электронов в металлах создает в них наиболее благоприятные условия для электрического тока.

Совет

Нужно только хаотическое движение электронов упорядочить, заставить их двигаться в одном направлении.

В некоторых телах и веществах почти нет свободных электронов, так как они прочно удерживаются ядрами. У молекул и атомов таких тел трудно «отобрать» или «навязать» им лишние электроны. В таких телах нельзя создавать электрический ток.

В них отрицательно заряженные электроны крепко связаны электрическими силами с положительными ядрами, и внешнее поле не способно привести к значительному перераспределению зарядов.

В таких веществах электрическое поле оказывается меньшим по сравнению с полем, которое создавали бы свободные заряды в вакууме.

Тела и вещества, в которых можно создавать электрический ток, называют проводниками. Те же тела и вещества, в которых его создать нельзя, называют диэлектриками или непроводниками тока.

К проводникам, кроме металлов, относятся также уголь, растворы солей, кислоты, щелочи, живые организмы и многие другие тела и вещества. Причем в растворах солей электрический ток создается не только электронами, но и положительными ионами.

Диэлектриками являются воздух, стекло, парафин, слюда, лаки, фарфор, резина, пластмассы, различные смолы, маслянистые жидкости, сухое дерево, сухая ткань, бумага и другие вещества. Фарфоровыми, например, делают изоляторы для электропроводки, лаки используют для покрытия проводов, чтобы изолировать провода друг от друга и от других предметов.

Но есть еще большая группа веществ, называемых полупроводниками. К полупроводникам, в частности, относятся германий и кремний. По электропроводности они занимают среднее место между проводниками и непроводниками. Считавшиеся когда-то непригодными для практических целей, сейчас они стали основным материалом для производства современных полупроводниковых приборов, например транзисторов.

Обратите внимание

Для того чтобы заставить упорядоченно двигаться в одном направлении свободные электроны в нити накала электрической лампочки, нужно создать в проводнике электрическое поле, подключив, например, проводник к гальваническому элементу.

Элемент состоит из цинковой и медной пластинок, называемых электродами, которые помещены в электролит – раствор соли или кислоты, допустим, серной.

В результате химической реакции, происходящей между электродами и электролитом, на цинковом электроде образуется избыток электронов, и он приобретает отрицательный электрический заряд, а на медном, наоборот недостаток электронов, и он приобретает положительный заряд.

При этом между разноименными электрическими зарядами такого источника тока возникает электрическое поле, действует электродвижущая сила (сокращенно ЭДС), или напряжение.

Как только проводник окажется подключенным к полюсам элемента или батареи, в нем возникнет электрическое поле, под действием которого электроны будут двигаться туда, где их недостаток, то есть от отрицательного полюса через проводник к положительному полюсу источника электрической энергии. Это и есть упорядоченное движение электронов в проводнике – электрический ток. Ток течет через проводник потому, что в получившейся цепи (положительный полюс элемента, проводники, отрицательный полюс элемента, электролит) действует электродвижущая сила.

Установлено, что электроны в проводнике движутся от отрицательного полюса (где избыток их) к положительному (где недостаток в них), однако и сейчас, как в прошлом веке, принято считать, что ток течет от плюса к минусу, т. е. в направлении, обратном движению электронов.

Условное направление тока, кроме того, положено учеными в основу ряда правил, связанных с определением многих электрических явлений.

В то же время такая условность никаких особых неудобств не создает, если твердо помнить, что направление тока в проводниках противоположно направлению движения электронов.

В тех же случаях, когда ток создается положительными электрическими зарядами, например, в электролитах химических источников постоянного тока, таких противоречий вообще нет, потому что направление движения положительных зарядов совпадает с направлением тока.

Пока элемент или батарея действуют, во внешнем участке электрической цепи ток течет в одном и том же направлении. Такой ток называют постоянным. Если полюсы элемента поменять местами, то изменится только направление движения электронов, но ток и в этом случае будет постоянным.

А если полюсы источника тока менять местами очень быстро и к тому же ритмично? В этом случае электроны во внешнем участке цепи тоже будут попеременно изменять направление своего движения. Сначала они потекут в одном направлении, затем, когда полюсы поменяют местами – в другом, обратном предыдущему и так далее.

В цепи появится переменный ток.

При переменном токе электроны в проводнике как бы колеблются из стороны в сторону. Поэтому переменный ток называют также электрическими колебаниями.

Переменный ток выгодно отличается от тока постоянного тем, что он легко поддается преобразованию. Так, например, при помощи трансформатора можно повысить напряжение переменного тока или, наоборот, понизить его.

Важно

Переменный ток, кроме того, можно выпрямить, то есть преобразовать в постоянный ток.

Источник: https://students-library.com/library/read/51877-provodniki-poluprovodniki-i-dielektriki-elektriceskij-tok

Проводники и диэлектрики

  • ModelZD.ru
  • Макеты и модели
  • Основы электроники

К проводникам относятся все металлы и их сплавы, а также электротехнический уголь(каменный уголь, графит, сажа, смола и т.д.)К жидким проводникам относятся:вода, раствор солей, кислот и щелочей.К газообразным относятся ионизированные газы.Электрический ток в твердых проводниках-это направленное движение свободных электронов под действием ЭДС.

ЭДС-электронно-движущая сила.

Свойства проводников:

  1. Электрические
    • Удельное сопротивление веществ от которого зависит электропроводимость
    • Сверхпроводимость-это свойство некоторых материалов при температуре равной 101(-273) проводить эл.ток без препятствий, т.е. удельное сопротивление этих материалов равно нулю
  2. Физические
    • плотность
    • температура плавления
  3. Механические
    • Прочность на изгиб, растяжение и т.д., а также способность обрабатываться на станках
  4. Химические
    • Свойства взаимодействовать с окружающей или противостоять коррозии
    • Свойства соединятся при помощи пайки, сварки

Диэлектрики

Не пропускают электрический ток.Диэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением.Используются для защиты проводника от влаги, механических повреждений, пыли.

Диэлектрики бывают

  • твердые-все неметаллы;
  • жидкие-масла, синтетические жидкости СОВОЛ, СОВТОЛ
  • газообразные-все газы:воздух, кислород, азот и т.д.

Свойства диэлектриков:

  1. Электрические свойства
    • Электрический пробой-устанавление большого тока, под действием высокого электрического напряжения к электроиоляционному материалу определенной толщины.
    • Электрическая прочность-это величина, равная напряжению, при котором может быть пробит электроизоляционному материал толщиной в единицу длины.
  2. Физико-химические свойства
    • Нагревостойкость-это способность диэлектрика длительно выдерживать заданную рабочую температуру без заметного изменения своих электроизоляционных качеств.
    • Холодостойкость-способность материала переносить резкие перепады температуры, от +120, до – 120
    • Смачиваемость-способность материала отторгать влагу, испытания проводятся в климатических камерах, типа ELKA, где изделие подвергается увлажнению, создается ТУМАН и мгновенный перепад температуры-СУШКА, и так несколько циклов!
  3. Химические
    • Должны противостоять активной(агрессивной) среде
    • Способность склеиваться
    • Растворение в лаках и растворителях, склеиваться
  4. Механические
    • Защита металлических проводников от коррозии
    • Радиационная стойкость
    • Вязкость(для жидких диэлектриков)
    • Вязкость-время истечения жидкости из сосуда, имеющего определенную форму и отверстие
    • Предел прочности, твердости
    • Обработка инструментом
Читайте также:  Какой вводной автомат выбрать для кабеля сип 4*50

Источник: http://www.modelzd.ru/electronic_02.html

Что такое диэлектрики и где они используются

В данной статье речь далее пойдет только о диэлектриках. И раз уж мы чуть углубились в науку, то поговорим далее о свойствах и величинах, которые характеризуют эти электротехнические материалы в общем.

Классификация диэлектриков довольна обширная. Тут встречаются жидкие, твердые и газообразные вещества. Далее они делятся по определенным признакам. Ниже приведена условная классификация диэлектриков с примерами в форме списка.

  • газообразные
    • – полярные
    • – неполярные (воздух, элегаз)
  • жидкие
    • – полярные (вода, аммиак)
    • – неполярные (бензол, трансформаторное масло)
  • твердые
    • – центросимментричные
      • – аморфные
        • – смолы, битумы (эпоксидная смола)
        • – стекла
        • – неупорядоченные полимеры
      • – поликристаллы
        • – нерегулярные кристаллы
        • – керамика
        • – упорядоченные полимеры
        • – ситаллы
      • – монокристаллы
        • – молекулярные
        • – ковалентные
        • – ионные
          • – параэлектрики смещения
          • – параэлектрики „порядок-беспорядок”
        • – дипольные
      • – нецентросимментричные
        • – монокристаллы
          • – пироэлектрики
            • – сегнетоэлектрики смещения
            • – сегнетоэлектрики „порядок-беспорядок”
            • – линейные пироэлектрики
          • – пьезоэлектрики
            • – с водородными связями
            • – ковалентные
            • – ионные
        • – текстуры
          • – электронных дефектов
          • – ионных дефектов
          • – полярных молекул
          • – макродиполей
          • – сегнетоэлектрических доменов
          • – кристаллов в матрице

    Если брать жидкие и газообразные диэлектрики, то основная классификация лежит в вопросе полярности. Разница в симметричности молекул. В полярных молекулы несимметричны, в неполярных – симметричны. Несимметричные молекулы называются диполями.

    В полярных жидкостях проводимость настолько велика, что их невозможно использовать в качестве изоляционных веществ. Поэтому для этих целей используют неполярные, тоже трансформаторное масло.

    А наличие полярных примесей даже в сотых долях значительно снижает планку пробоя и негативно сказывается на изоляционных свойствах неполярных диэлектриков.

    кристаллы представляют собой нечто среднее между жидкостью и кристаллом, как следует из названия.

    Еще популярным вопросом о свойствах и применении жидких диэлектриков будет следующий: вода – диэлектрик или проводник? В чистой дистиллированной воде отсутствуют примеси, которые могли бы вызвать протекание тока. Чистую воду можно создать в лабораторных, промышленных условиях. Эти условия сложны и трудновыполнимы для обычного человека. Есть простой способ проверить проводит ли дистиллированная вода ток.

    Создать электрическую цепь (источник тока – провод – вода – провод – лампочка – другой провод – источник тока), в которой одним из участков для протекания тока будет сосуд с дистиллированной водой. При включении схемы в работу, лампочка не загорится – следовательно ток не проходит. Ну а если загорится, значит вода с примесями.

    Поэтому любая вода, которую мы встречаем: из крана, в озере, в ванной – будет проводником за счет примесей, которые создают возможность для протекания тока. Не купайтесь в грозу, не работайте влажными руками с электричеством. Хотя чистая дистиллированная вода – полярный диэлектрик.

    Для твердых диэлектриков классификация в основном лежит в вопросе активности и пассивности что ли. Если свойства постоянны, то диэлектрик используют в качестве изоляционного материала, то есть он пассивен.

    Если свойства меняются, в зависимости от внешних воздействий (тепло, давление), то этот диэлектрик применяют для других целей.

    Бумага является диэлектриком, если вода пропитана водой – то ток проводится и она проводник, если бумага пропитана трансформаторным маслом – то это диэлектрик.

    Фольгой называют тонкую металлическую пластину, металл – как известно является проводником. В продаже имеется например ПВХ-фольга, тут слово фольга для наглядности, а слово ПВХ – для понимания смысла – ведь ПВХ это диэлектрик. Хотя в википедии – фольгой называется тонкий лист металла.

    Аморфные жидкости – это и смола, и стекло, и битум, и воск. При повышении температуры этот диэлектрик тает, это замороженные вещества – это дикие определения, которые характеризуют лишь одну грань правды.

    Поликристаллы – это, как бы сросшиеся кристаллы, объединенные в один кристалл. Например, соль.

    Монокристалл – это цельный кристалл, в отличие от вышеупомянутого поликристалла имеющий непрерывную кристаллическую решетку.

    Пьезоэлектрики – диэлектрики, у которых при механическом воздействии (растяжении-сжатии), возникает процесс ионизации. Применяется в зажигалках, детонаторах, УЗИ-обследовании.

    Пироэлектрики – при изменении температуры в этих диэлектриках происходит самопроизвольная поляризация. Также она происходит при механическом воздействии, то есть пироэлектрики являются еще и пьезоэлектриками, но не наоборот. Примерами служат янтарь и турмалин.

    Физические свойства диэлектриков

    Чтобы оценить качество и степень пригодности диэлектрика, необходимо как-то описать его параметры. Если следить за этими параметрами, то можно вовремя предотвратить аварию, заменив элемент на новый с допустимыми параметрами.

    Этими параметрами выступают: поляризация, электропроводность, электрическая прочность и диэлектрические потери.

    Для каждого из этих параметров существует своя формула и постоянная величина, в сравнении с которой производится заключение о степени пригодности материала.

    Совет

    Главными электрическими свойствами диэлектриков являются поляризация (смещение зарядов) и электропроводность (способность проводить электрический ток) Смещение связанных зарядов диэлектрика или их ориентация в электрическом поле называется поляризацией. Это свойство диэлектрических материалов характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε. При поляризации на поверхности диэлектрика образуются связанные электрические заряды.

    В зависимости от типа диэлектрика поляризация может быть: электронной, ионной, дипольно-релаксационной, спонтанной. Более подробно про их свойства на инфографике ниже.

    Под электропроводностью понимают способность диэлектрика проводить электрический ток. Ток, протекающий в диэлектрике называется током утечки. Ток утечки состоит из двух составляющих – тока абсорбционного и тока сквозного. Сквозные токи обусловлены наличием свободных зарядов в диэлектрике, абсорбционный ток – поляризационными процессами до момента установления равновесия в системе.

    Величина электропроводности зависит от температуры, влажности и количества свободных носителей заряда.

    При увеличении температуры электропроводность диэлектриков увеличивается, а сопротивление падает.

    Зависимость от влажности вновь возвращает нас к классификации диэлектриков. Ведь, неполярные диэлектрики не смачиваются водой и на изменение влажности им нет дела. А у полярных диэлектриков при увеличении влажности повышается содержание ионов, и электропроводность увеличивается.

    Проводимость диэлектрика состоит из поверхностной и объемной проводимостей. Известно понятие удельной объемной проводимости, обозначается буквой сигма σ. А обратная величина называется удельное объемной сопротивление и обозначается буквой ро ρ.

    Резкое увеличение проводимости в диэлектрике при возрастании напряжения может привести к электрическому пробою. И аналогично, если сопротивление изоляции падает, значит изоляция не справляется со своей задачей и необходимо применять меры. Сопротивление изоляции состоит из поверхностного и объемного сопротивлений.

    Под диэлектрическими потерями в диэлектриках понимают потери тока внутри диэлектрика, которые рассеиваются в виде тепла. Для определения этой величины вводят параметр тангенс дельта tgδ. δ – угол, дополняющий до 90 градусов, угол между током и напряжением в цепи с емкостью.

    Диэлектрические потери бывают: резонансные, ионизационные, на электропроводность, релаксационные. Теперь подробнее поговорим про каждый тип.

    Электрическая прочность это отношение пробивного напряжения к расстоянию между электродами (или толщина диэлектрика). Эта величина определяется минимальной величиной напряженности электрического поля, при которой произойдет пробой.

    Обратите внимание

    Пробой может быть электрическим (ударная ионизация, фотоионизация), тепловым (большие диэлектрические потери, следовательно много тепла, и обугливание с оплавлением может произойти) и электрохимическим (в результате образования подвижных ионов).

    И в конце таблица диэлектриков, как же без нее.

    В таблице выше приведены данные по электрической прочности, удельному объемному сопротивлению и относительной диэлектрической проницаемостью для различных веществ. Также тангенс угла диэлектрических потерь не обошли стороной.

Источник: https://pomegerim.ru/electrotehnicheskie-materialy/dielektriki.php

Глоссарий

№п/п Новое понятие Содержание
1 2 3
1 Активные диэлектрики материалы, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздействия для создания функциональных элементов электроники
2 Алмазоподобные полупроводники соединения, кристаллическая структура которых характеризуется тетраэдрической координацией атомов, как это имеет место в решетке алмаза
3 Время жизни носителей заряда время, в течение которого их избыточная концентрация уменьшается в е раз (е — основание натурального логарифма). Фактически это время существования носителя заряда от момента его возникновения (генерации) до момента исчезновения (рекомбинации)
4 Вырожденный полупроводник полупроводник с такой высокой концентрацией введенной примеси, при которой образовавшаяся примесная зона перекрывается с зоной проводимости
5 Диффузионная длина расстояние, на которое носитель заряда продвинется за счет диффузии за время своей жизни. Чем меньше примесей и дефектов в кристаллической решетке исходного полупроводника, тем больше время жизни и диффузионная длина носителей заряда
6 Диэлектрики вещества, которые практически не проводят электрический ток. Диэлектрики бывают твердыми, жидкими и газообразными
7 Диэлектрическая восприимчивость способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле
8 Диэлектрическая проницаемость отношение емкости конденсатора, в котором в качестве изолятора использован исследуемый диэлектрик, к емкости такого же конденсатора, изолятором в котором является вакуум
9 Домены макроскопические области, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая возникает под влиянием внутренних процессов в диэлектрике
10 Зонная теория объяснение электропроводности металлов, полупроводников и диэлектриков основе квантовой теории строения кристаллических тел
11 Керметы металлодиэлектрические композиции с неорганическим связующим для изготовления тонкопленочных резисторов
12 Константан сплав меди и никеля (60% Cu, 40% Ni), применяемый для изготовления реостатов и электронагревательных элементов в тех случаях, когда рабочая температура не превышает 400–450°С
13 Контактолы вещества, используемые в качестве токопроводящих клеев, красок, покрытий и эмалей, представляющие собой маловязкие либо пастообразные полимерные композиции
14 Критическая температура перехода (Тсв) температура, при которой происходит переход в сверхпроводящее состояние
15 Манганин основной сплав на медной основе (86% Cu, 12% Mn, 2% Ni.)для электроизмерительных приборов и образцовых резисторов
16 Металлическая связь связь, обусловленная взаимодействием свободных валентных электронов с положительно заряженными ионами металлов
17 Металлические сплавы однофазные или многофазные смеси различных металлов
18 Металлы вещества, обладающие высокими теплопроводностью, электропроводностью, ковкостью, пластичностью и прочностью, а также характерным блеском
19 Пассивные диэлектрики электроизоляционные материалы для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга элементы схемы или конструкции, находящиеся под различными электрическими потенциалами
20 Пироэлектрики диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пироэлектрическим эффектом
21 Пироэлектрический эффект изменение спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры
22 Подвижность носителей заряда отношение их средней скорости направленного движения к напряженности электрического поля. В полупроводниках n– и р-типов различают подвижность электронов и подвижность дырок
23 Полупроводники вещества, которые по величине удельной электрической проводимости занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками
24 Поляризация процесс, характеризующийся возникновением электрического дипольного момента каждого элементарного объема диэлектрика при помещении его во внешнее электрическое поле
25 Примесные полупроводники полупроводники, электрофизические свойства которых определяются типом и количеством введенной примеси. В зависимости от типа введенной примеси различают полупроводники электронного — n-типа и дырочного – р-типа электропроводности
26 Проводниковые материалы материалы, основными электрическими свойствами которых является сильно выраженная электропроводность. Их применение обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре
27 Прямой пьезоэлектрический эффект явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений
28 Пьезоэлектрики диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом
29 Сверхпроводимость резкое уменьшение удельного сопротивления, наблюдаемое при температурах, близких к абсолютному нулю
30 Сегнетоэлектрики вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля
31 Собственный полупроводник полупроводник, в котором влиянием остаточных примесей при определенной температуре можно пренебречь
32 Фононы кванты тепловой энергии
33 Фотопроводимость полупроводников изменение электропроводности полупроводников при освещении светом
34 Электрет тело из диэлектрика, длительно сохраняющее поляризацию и создающее в окружающем его пространстве электрическое поле, т.е. электрет является формальным аналогом постоянного магнита
35 Эпитаксия ориентированное наращивание одного кристаллического вещества на поверхности другого кристалла, служащего подложкой
Читайте также:  Как подключить электродвигатель с неизвестными характеристиками?

Источник: https://3ys.ru/provodniki-poluprovodniki-i-dielektriki/glossarij.html

Заполнение зон электронами. Проводники, диэлектрики полупроводники

Если атомы находятся в связанном состоянии, на валентные электроны действуют электроны и ядра других соседних атомов, в результате чего каждый отдельный энергетический уровень расщепляется на ряд новых энергетических уровней, энергии которых близки друг другу. На каждом из этих уровней могут находиться не более двух электронов. Совокупность уровней, на каждом из которых могут находиться электроны, называют разрешенной зоной. Промежутки между разрешенными зонами носят название запрещенных зон.

Нижние энергетические уровни атомов не образуют зон, т.к. взаимодействие очень мало. В энергетическом спектре твердого тела выделяют три зоны: разрешенные (полностью заполненные) зоны, запрещенные зоны и зоны проводимости

По характеру заполнения зон все твердые тела можно разделить на две группы:

1.тела, у которых над целиком заполненными зонами располагаются пустые зоны(диэл-ки, полупр-ки): Ge, Si → Eg ~1 Эв, Al2O3 → Eg ~ 7 эВ.

2. тела, у которых над полностью заполненными зонами нах-ся частично заполн-ыя зона (металлы)

Согласно зонной теории электроны внешних ЭЗ имеют практически одинаковую свободу перемещения по кристаллу как в металлах, так в в диэл-ах, и в полупр-ах. Таким образом, наличие свободных электронов явл-ся лишь необходимым условием появления у тел проводимости, но не достаточным.

на рис. представлены энергетические зоны: диэлектриков – а; полупроводников – б; проводников – в. У проводников и твердых диэлектриков валентная зона полностью заполнена электронами, а отделенная от нее запрещенной зоной зона проводимости полностью свободна.

У полупроводников ширина запрещенной зоны обычно меньше 3 эВ

К.11 Собств и примесные полупроводники

. Собственная электрическая проводимость

Для понимания механизма электрической проводимости в полупроводниках рассмотрим строение полупроводниковых кристаллов и природу связей, удерживающих атомы кристалла друг возле друга. Кристаллы германия и других полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку

Германий — четырехвалентный элемент, во внешней оболочке атома есть четыре электрона, слабее связанных с ядром, чем остальные. Число ближайших соседей каждого атома германия также равно 4. Четыре валентных электрона каждого атома германия связаны с такими же электронами соседних атомов химическими парноэлектронными (ковалентными) связями.

Важно

В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы германия друг возле друга.

Такого рода связь условно может быть изображена двумя линиями, соединяющими ядра

Но коллективизированная пара электронов принадлежит не только двум атомам. Каждый атом образует четыре связи с соседними, а данный валентный электрон может двигаться по любой из них (рис. 4). Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла. Коллективизированные валентные электроны принадлежат всему кристаллу.

Ковалентные связи германия достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому германий при низкой температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение. Аналогичное строение имеет и кристалл кремния.

Электропроводимость химически чистого полупроводника возможна в том случае, когда ковалентные связи в кристаллах разрываются и появляются свободные электроны.

Дополнительная энергия, которая должна быть затрачена, чтобы разорвать ковалентную связь и сделать электрон свободным, называется энергией активации.

Получить эту энергию электроны могут при нагревании кристалла, при облучении его высокочастотными электромагнитными волнами и т.д.

Как только электрон, приобретя необходимую энергию, уходит с локализованной связи, на ней образуется вакансия. Эту вакансию может легко заполнить электрон с соседней связи, на которой, таким образом, также образуется вакансия.

Таким образом, благодаря перемещению электронов связи происходит перемещение вакансий по всему кристаллу. Эта вакансия ведет себя точно так же, как и свободный электрон — она свободно перемещается по объему полупроводника.

Совет

Более того, учитывая, что и полупроводник в целом, и каждый его атом при не нарушенных ковалентных связях электрически нейтральны, можно сказать, что уход электрона со связи и образование вакансии фактически эквивалентно появлению на этой связи избыточного положительного заряда.

Поэтому образовавшуюся вакансию можно формально рассматривать как носитель положительного заряда, который называют дыркой

Таким образом, уход электрона с локализованной связи порождает пару свободных носителей заряда — электрон и дырку. Их концентрация в чистом полупроводнике одинакова. При комнатной температуре концентрация свободных носителей в чистых полупроводниках невелика, примерно в 10–9 ÷ 10–10 раз меньше концентрации атомов, но при этом она быстро возрастает с увеличением температуры.

§ Сравните с металлами: там концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов.

В отсутствие внешнего электрического поля эти свободные электроны и дырки движутся в кристалле полупроводника хаотически.

Во внешнем электрическом поле электроны перемещаются в сторону, противоположную направлению напряженности электрического поля. Положительные дырки перемещаются в направлении напряженности электрического поля (рис. 6). Процесс перемещения электронов и дырок во внешнем поле происходит по всему объему полупроводника.

Общая удельная электропроводность полупроводника складывается из дырочной и электронной проводимостей. При этом у чистых полупроводников число электронов проводимости всегда равно числу дырок. Поэтому говорят, что чистые полупроводники обладают электронно-дырочной проводимостью, или собственной проводимостью.

С повышением температуры возрастает число разрывов ковалентных связей и увеличивается количество свободных электронов и дырок в кристаллах чистых полупроводников, а, следовательно, возрастает удельная электропроводность и уменьшается удельное сопротивление чистых полупроводников. График зависимости удельного сопротивления чистого полупроводника от температуры приведен на рис. 7.

Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и, как следствие, возникновение собственной проводимости полупроводников и уменьшение удельного сопротивления могут быть вызваны освещением (фотопроводимость полупроводника), а также действием сильных электрических полей.

Примесная проводимость полупроводников

Обратите внимание

Проводимость полупроводников увеличивается с введением примесей, когда наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная примесная проводимость.

Примесной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная наличием примесей в полупроводнике.

Примесными центрами могут быть:

1. атомы или ионы химических элементов, внедренные в решетку полупроводника;

2. избыточные атомы или ионы, внедренные в междоузлия решетки;

3. различного рода другие дефекты и искажения в кристаллической решетке: пустые узлы, трещины, сдвиги, возникающие при деформациях кристаллов, и др.

Изменяя концентрацию примесей, можно значительно увеличивать число носителей зарядов того или иного знака и создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.

Примеси можно разделить на донорные (отдающие) и акцепторные (принимающие).

Донорная примесь

От латинского «donare» — давать, жертвовать.Рассмотрим механизм электропроводности полупроводника с донорной пятивалентной примесью мышьяка As, которую вводят в кристалл, например, кремния. Пятивалентный атом мышьяка отдает четыре валентных электрона на образование ковалентных связей, а пятый электрон оказывается незанятым в этих связях

Энергия отрыва (энергия ионизации) пятого валентного электрона мышьяка в кремнии равна 0,05 эВ = 0,08⋅10-19 Дж, что в 20 раз меньше энергии отрыва электрона от атома кремния.

Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка теряют один из своих электронов и становятся положительными ионами. Положительные ионы мышьяка не могут захватить электроны соседних атомов, так как все четыре связи у них уже укомплектованы электронами.

В этом случае перемещения электронной вакансии — «дырки» не происходит и дырочная проводимость очень мала, т.е. практически отсутствует.

Донорные примеси — это примеси легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов.

При наличии электрического поля свободные электроны приходят в упорядоченное движение в кристалле полупроводника, и в нем возникает электронная примесная проводимость.

Важно

В итоге мы получаем полупроводник с преимущественно электронной проводимостью, называемый полупроводником n-типа. (От лат. negativus — отрицательный).

Поскольку в полупроводнике n-типа число электронов значительно больше числа дырок, то электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.

Акцепторная примесь

От латинского «acceptor» — приемщик.

В случае акцепторной примеси, например, трехвалентного индия In атом примеси может дать свои три электрона для осуществления ковалентной связи только с тремя соседними атомами кремния, а одного электрона «недостает».

Один из электронов соседних атомов кремния может заполнить эту связь, тогда атом In станет неподвижным отрицательным ионом, а на месте ушедшего от одного из атомов кремния электрона образуется дырка.

Акцепторные примеси, захватывая электроны и создавая тем самым подвижные дырки, не увеличивают при этом числа электронов проводимости. Основные носители заряда в полупроводнике с акцепторной примесью — дырки, а неосновные — электроны.

Акцепторные примеси — это примеси, обеспечивающие дырочную проводимость.

Полупроводники, у которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называются полупроводниками р-типа (От лат. positivus — положительный.).

Необходимо отметить, что введение примесей в полупроводники, как и в любых металлах, нарушает строение кристаллической решетки и затрудняет движение электронов. Однако сопротивление не увеличивается из-за того, что увеличение концентрации носителей зарядов значительно уменьшает сопротивление.

Если в полупроводник одновременно вводятся и донорные, и акцепторные примеси, то характер проводимости полупроводника (n- или p-тип) определяется примесью с более высокой концентрацией носителей заряда.



Источник: https://infopedia.su/3xec7.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector