Проводники, изоляторы и полупроводники

Кабель

Что представляют собой полупроводники?

Полупроводники — это химические элементы, обладающие ограниченной способностью проводить электрический ток. Это связано с малым количеством свободных электронов, образующихся в их структуре при соединении электродов.

Типичными полупроводниками являются такие химические элементы, как кремний, которые, в частности, относятся к четвертой группе веществ по периодической системе Д. И. Менделеева. Внешняя оболочка кремния имеет 4 электрона, классифицируемых как валентные электроны. Другие чистые полупроводники включают, например, германий.

Одним из наиболее важных свойств полупроводников является удельное сопротивление. Оно может быть в пределах от 10 до 4 до 10 до минус 5 градусов Ом на метр. Для снижения удельного сопротивления рассматриваемых элементов в их состав могут быть включены легирующие добавки. Например, бор и мышьяк.

Если легирование полупроводников осуществляется элементами из третьей группы по таблице Менделеева (особенно при использовании бора), то полупроводник будет отнесен к р-типу. Элементы третьей группы имеют на своей оболочке 3 электрона.

Это означает, что в структуре легированного полупроводникового кристалла из-за недостающего электрона образуются «дырки», которые при подключении тока начинают двигаться в противоположном направлении относительно положительного контакта (что опять же, электроны склоняюсь).

Если легирование полупроводников проводить элементами из пятой группы (например, мышьяком), то проводник будет n-типа. Элементы 5-й группы имеют 5 электронов на внешней оболочке. Поэтому при легировании полупроводника часть их высвобождается, в результате чего элемент становится проводящим.

Можно отметить, что пограничная область, расположенная между полупроводниками p-типа и n-типа, обладает свойством проводить ток только при соединении электродов в определенном положении. Благодаря этой функции работают различные электронные компоненты, в которых используются полупроводниковые вещества – диоды, транзисторы.

Что представляют собой проводники?

Проводники — это химические элементы, в которых есть электроны, которые могут отделяться от одного ядра и перемещаться к другому при приложении тока. Как правило, это металлы. Медь и алюминий считаются хорошими проводниками.

Чем чище металл, тем лучше его проводимость. Примеси уменьшают это свойство. При нагревании металлов их проводимость уменьшается, а у полупроводников, как мы отмечали выше, она увеличивается.

Свойства проводников

Последовательное соединение конденсаторов

Основными характеристиками проводников электричества являются:

  1. сопротивление,
  2. электрическая допустимая нагрузка по току.

Когда электроны движутся через проводящее вещество, они сталкиваются с ионами и атомами. Это приводит к сопротивлению.

Если между двумя проводниками создать разность потенциалов, то по третьему, соединяющему их, потечет электрический ток. Направление движения будет от большего потенциала к меньшему. В этом случае носителями будут неспаренные электроны, определяющие величину электропроводности вещества.

Электропроводность – это способность материала проводить электрический ток. Этот показатель обратно пропорционален сопротивлению материала, измеряемому в сименсах.

В зависимости от носителей заряда электропроводность может быть:

  • электронный,
  • ионный,
  • дыра.

Проводник с электронной проводимостью

 Надежный проводник характеризуется малым сопротивлением потоку движущихся электронов и, следовательно, высокой электропроводностью. Наибольшая проводимость является характеристикой лучшего проводника.

Подбор токопроводящих материалов следует осуществлять в соответствии с их свойствами:

  • Электрические (удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления);
  • Физические (температура плавления, плотность);
  • Механические (стойкость к растяжению, изгибу, возможность обработки на станках);
  • Химические (взаимодействие с окружающей средой, возможность соединения при сварке, пайке).

Металлы без примесей имеют низкое удельное сопротивление. Для сплавов этот показатель увеличивается. Сопротивление также увеличивается с повышением температуры.

Важно! При охлаждении до критических значений сопротивление большинства токопроводящих веществ падает до нуля. Это свойство называется сверхпроводимостью.

При выборе проводников для электроустановок, линий электропередач, защитного заземления и других применений важно учитывать все качества материалов.

Зависимость сопротивления проводника от частоты тока

При воздействии электрического тока внутри прямого проводника и в пространстве вокруг него возникает индукция магнитного поля. Магнитные линии образуют концентрические окружности.

Распределение переменного тока по сечению

Если проводник с током условно разделить на несколько параллельных друг другу токопроводов, то можно определить, что чем ближе токопровод находится к оси проводника, тем больший магнитный поток замыкается внутри него. Индуктивность нити и индуктивное реактивное сопротивление пропорциональны связанному с ней магнитному потоку.

В связи с этим в нитях с переменным током, расположенных внутри проводящего материала, имеется большее индуктивное сопротивление, чем в нитях, расположенных снаружи.

По поперечному сечению образуется неравномерный ток, увеличивающийся от оси к поверхности проводника, чем и объясняется увеличение сопротивления проводников переменному току. Это явление называется скин-эффектом.

Из-за неравномерного распределения плотности тока происходит увеличение сопротивления проводника. При низкой частоте 50 Гц и малом сечении медного провода поверхностный эффект практически незаметен. При значительном увеличении частоты и сечения железного проводника это явление будет более активным.

 Чем выше частота тока в цепи, тем ближе к поверхности проводника располагаются электрические заряды и тем больше возрастает сопротивление.

Формула определения длины проводника

Длину проводника можно узнать, измерив его непосредственно, например, рулеткой. Если вам предстоит рассчитать длину скрытой электропроводки в доме, учтите, что она обычно прокладывается горизонтально вдоль стен на расстоянии 15-20 см от потолка.

Вертикально под прямым углом они ложатся на выключатели и розетки. Если доступ к проводнику затруднен (заземляющие проводники) или он длинный, реализовать этот метод может быть сложно.

Тогда длина проводника определяется другим способом. Для этого нужно подготовить:

  • строительная лента,
  • тесты,
  • штангенциркуль,
  • таблица электропроводности металлов.

Для начала нужно измерить сопротивление отдельных частей провода. Затем определите сечение провода и материал, из которого он изготовлен. Как правило, в быту используются алюминиевые или медные проводящие материалы.

Из формулы определения сопротивления (R = r*L*s) найдите длину проводника по формуле:

L = R/r*s,

куда:

  • L — длина провода,
  • R — его сопротивление,
  • r — удельное сопротивление материала (для меди от 0,0154 до 0,0174 Ом, для алюминия от 0,0262 до 0,0278 Ом),
  • s — площадь поперечного сечения провода.

Рассчитываем сечение провода:

S = π/4 * D2,

куда:

  • π — число, приблизительно равное 3,14;
  • D – диаметр, измеренный штангенциркулем.

Если необходимо найти длину намотанной в катушку проволоки, определите длину одного витка в метрах и умножьте на число витков.

Если катушка круглая, измерьте ее диаметр, умножьте на число π и число витков:

L = d * π * n,

куда:

  • d — диаметр катушки,
  • n — число витков резьбы.

Виды проводников

Состояние электропроводящих материалов может быть твердым, жидким, газообразным.

Твердые – это группы металлов, их сплавы и некоторые модификации углерода. Металлы хорошо проводят тепло и электричество.

Жидкости – это расплавленные металлы и электролиты. При низких температурах жидким проводником может быть ртуть или галлий. Температура плавления остальных элементов слишком высока.

Ток через металл, находящийся в твердом или жидком состоянии, происходит за счет движения свободных электронов. Из-за этого его электропроводность называют электронной, а само вещество называют проводником первого рода.

Проводник второго типа (электролит) представляет собой кислый, щелочной раствор солей и расплав ионных соединений. Молекулы (ионы) транспортируются в нем одновременно с движением тока, поэтому структура электролита со временем изменяется, а продукт электролиза осаждается на электродах.

В слабом электрическом поле газ и пар не проводят электричество. Однако если интенсивность достигает максимально критического уровня, когда начинаются удары и фотоионизация, газ может стать проводником с электронной и ионной электропроводностью.

Когда на единицу объема приходится равное количество электронов и положительных ионов, сильно ионизированный газ становится сбалансированным, электропроводящим веществом, называемым плазмой.

Свойства диэлектриков

Выбор диэлектриков следует осуществлять в соответствии с их свойствами:

  1. Электрические: напряжение пробоя (при котором происходит пробой), диэлектрическая прочность (напряженность поля, при которой происходит пробой);
  2. Физико-химические: термостойкость (способность выдерживать длительную рабочую температуру), морозостойкость (способность переносить перепады температур), смачиваемость (способность отталкивать влагу);
  3. Химическая: устойчивость к агрессивным средам, растворимость в лаке, возможность склеивания;
  4. Механические: радиационная стойкость, вязкость (для жидких диэлектриков), защита от коррозии, предел прочности, обрабатываемость.

Зонная теория

Зонная теория твердых тел — это теория движения валентных электронов в потенциальном поле кристаллической решетки. Квантовая механика считает, что свободные электроны могут иметь любую энергию, спектр которой непрерывен.

Электроны изолированных атомов обладают определенной энергией. При объединении отдельных атомов в молекулы и образовании вещества происходит смещение электронных уровней атома. Таким образом, полосы зон энергетических уровней образуются из энергетических уровней отдельных атомов в твердом теле.

Верхняя заполненная зона, валентная зона, соответствует энергетическому уровню валентных электронов во внешней оболочке. Ближе всего к этому незаполненный жгут проводов. Взаимное расположение обеих зон определяет процессы, происходящие в твердом теле, и материалы классифицируют по группам: проводники, полупроводники, диэлектрические вещества.

Классификация зон

В проводниках зона проводимости и валентная зона объединены. Образовавшаяся зона перекрытия позволяет электрону свободно двигаться, когда он получает даже небольшое количество энергии.

В полупроводниках полосы не перекрываются. Расстояние между ними, называемое шириной запрещенной зоны, меньше 2,0 эВ. При нулевой температуре электронов в зоне проводимости нет, а валентная зона заполнена ими. При повышении температуры часть электронов выбрасывается в зону проводимости из-за теплового движения. Полупроводник становится электропроводным.

В диэлектриках полосы не перекрываются, как и в полупроводниках. Ширина запрещенной зоны здесь составляет более 2,0 эВ. Для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости необходимо значительно повысить температуру. При низких температурах электрический ток не проводится.

Сверхпроводимость

Свойство материала иметь нулевое электрическое сопротивление при температурах ниже определенного значения называется сверхпроводимостью.

Для некоторых проводящих веществ эта способность проявляется при низких температурах, близких к химическому состоянию жидкого гелия.

В 1986 году были открыты вещества с высокотемпературной сверхпроводимостью. Например, керамика из кислорода, бария, меди, лантана в обычных условиях не проводит электричество, но при нагревании становится сверхпроводником.

На практике применяют вещества, пропускающие электрический ток при температуре 58 градусов Кельвина и более, то есть при температуре выше точки кипения азота.

Чаще всего используются твердые высокотемпературные сверхпроводники. Жидкие и газообразные используются реже. Все эти материалы необходимы для производства современных электротехнических устройств различной мощности.

Читайте также: Расчет проводки в доме своими руками

Сравнение

Основное отличие полупроводников от проводников заключается в малом количестве свободных электронов, образующихся при подключении тока в структуре первых (которые опять-таки появляются в большем количестве вместе с «дырками» при легировании или при нагреве) и высокой уровень электрического сопротивления соответствующих элементов.

Но проводники имеют много свободных электронов и характеризуются малым сопротивлением. При нагреве первых элементов их сопротивление уменьшается, а при воздействии тепла на проводники — увеличивается.

Определив разницу между полупроводниками и проводниками, закрепим выводы в таблице.

Таблица

Полупроводники Дирижеры
Чистые полупроводники при подаче тока выделяют мало электронов в нормальных условиях Чистые проводники при нормальных условиях выделяют много свободных электронов при подаче тока
увеличение проводимости при нагревании Уменьшить проводимость при нагревании
Примеры полупроводников: германий, кремний Металлы в основном являются чистыми проводниками

Итак, начнем с проводника

диэлектрик электричества

Проводник – это вещество, состоящее из свободных носителей заряженных частиц. При движении этих частиц возникает тепловая энергия, поэтому она и получила название — тепловое движение.

У проводника есть два основных параметра — сопротивление, обозначаемое буквой R, или проводимость, обозначаемая буквой G. Проводимость обратна сопротивлению — G = 1/R.

То есть проводник – это материал, проводящий ток.

Что такое проводник. Металлы являются лучшими проводниками, особенно медь и алюминий. Солевые растворы, влажная почва, углерод также являются проводниками. Последнее нашло широкое применение в работе со скользящими соединениями.

Примером такого применения являются щетки в электродвигателе. Человеческое тело также является проводником электричества. Но электропроводные свойства вышеперечисленных материалов все же ниже, чем у металлов.

Сама структура металлов включает в себя большое количество свободных заряженных частиц, что делает их лучшими проводниками.

Когда металл подвергается воздействию электрических полей, происходит процесс, называемый электрической индукцией. То есть заряженные частицы начинают активно двигаться и распределяться.

Проводники электрического тока

Проводники – это вещества с высокой электропроводностью. Проводники бывают 2-х типов: с электронной проводимостью и с ионной проводимостью. К электронной проводимости относятся металлы и их сплавы. В металлах электрический ток создается движением электронов. Ток, проходящий по таким проводникам, никак не влияет на материал и не меняет его химический состав.

Высокий уровень электропроводности металлов обусловлен тем, что они содержат много «свободных» электронов, находящихся в состоянии хаотического движения и наподобие газа заполняющих объем проводника.

При таком активном движении электроны сталкиваются с ионами неподвижной кристаллической решетки, состоящей из атомов вещества. В результате электроны меняют свое направление движения, скорость и кинетическую энергию.

Хаотическое движение электронов

Если в проводнике первого рода есть электрическое поле, то силы этого поля действуют на заряды проводника и упорядочивают их движение. Свободные электроны движутся не хаотично, а в направлении, противоположном направлению поля (от отрицательного вывода к положительному).

Это упорядоченное движение свободных носителей заряда под действием электрического поля и есть электрический ток (проводимость).

Упорядоченное движение носителей заряда под действием электрического поля

Проводниками второго типа являются растворы или расплавы солей, кислот, щелочей и др., в которых независимо от прохождения тока наблюдается электролитическая диссоциация.

Электролитическая диссоциация – это процесс распада нейтральных молекул на отрицательные и положительные ионы.

Положительные ионы – это ионы водорода и металлов. Отрицательный — гидроксильная группа и кислотные остатки.

Электролиты

Эти растворы или расплавы, полностью или частично состоящие из ионов, называются электролитами. Без воздействия внешнего электрического поля молекулы и ионы такого проводника будут находиться в состоянии хаотического движения.

Электропроводность электролитов

При возникновении в таком проводнике электрического поля движение ионов приобретает направленное упорядоченное движение, т е по проводнику протекает ток (проводимость). Положительные ионы движутся в направлении поля, а отрицательные ионы движутся против него.

Полупроводники

Полупроводники — это вещества, электропроводность которых зависит от температуры, освещения, электрических полей и примесей. К таким материалам относятся: кремний, теллур, германий, селен, соединения металлов с серой и оксидами металлов.

Полупроводники отличаются еще и тем, что помимо электронной проводимости обладают еще и дырочной электропроводностью. Дырочная проводимость обусловлена ​​движением «дырок» под действием электрического поля. Дырки — это пустые места в атомах, не занятые валентными электронами.

Это похоже на то, что положительно заряженные частицы движутся так же, как и заряды, равные заряду электронов. Сегодня использование полупроводников широко распространено в различных приборах и устройствах, например в фоторезисторах и полупроводниковых диодах.

Электрические диэлектрики

Диэлектрическими веществами называются такие вещества, которые в нормальных условиях содержат очень небольшое количество свободных электрически заряженных частиц. В результате они имеют низкую электропроводность. К диэлектрическим веществам относятся газы, минеральные масла, лаки и твердые материалы (кроме металлов).

Однако если на диэлектрик воздействовать высокой температурой или сильным электрическим полем, молекулы начнут расщепляться на ионы, которые в результате этого воздействия потеряют свои изолирующие свойства.

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector