Site Loader

Проводники, диэлектрики, полупроводники

     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. 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.

 

     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.). 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.


Лекция 1 Заполнение зон электронами. Проводники, диэлектрики и полупроводники

Каждая энергетическая зона содержит ограниченное число энер­гетических уровней. В соответствии с принципом Паули на каждом уровне может разместиться не более двух электронов. При ограничен­ном числе электронов, содержащихся в твердом теле, заполненными окажутся лишь несколько наиболее низких энергетических зон. По характеру заполнения зон электронами все тела можно разде­лить на две большие группы.

К первой группе относятся тела, у которых над целиком заполнен­ными зонами располагается зона, заполненная лишь частично (рис. а). Такая зона возникает в том случае, когда атомный уро­вень, из которого она образуется, заполнен в атоме не полностью. Частично заполненная зона может образоваться вслед­ствие наложения заполненных зон на пустые или частично заполненные (рис. б). Наличие зоны, заполненной лишь частично, присуще

металлам.

Ко второй группе относятся тела, у которых над целиком заполнен­ными зонами располагаются пустые зоны (рис. в, г). Типичным примером таких тел являются химические элементы IV группы табли­цы Менделеева — углерод в модификации алмаза, кремний, герма­ний и серое олово, имеющее структуру алмаза. К этой же группе тел относятся многие химические соединения — окислы металлов, нитри­ды, карбиды, галогениды щелочных металлов и т. д. Согласно зонной теории твердых тел, электроны внешних энерге­тических зон имеют практически одинаковую свободу движения во всех телах независимо от того, являются они металлами или диэлектриками. Движение осуществляется путем туннельного перехода электро­нов от атома к атому. Несмотря на это, электрические свойства этих тел, в частности удельная электропроводность, различаются у них на много порядков.

По ширине запрещенной зоны тела второй группы условно делят на диэлектрики и полупроводники. К диэлектрикам относят тела, имеющие относительно широкую запрещенную зону. У типичных ди­электриков Eg > 3 эВ. Так, у алмаза Eg — 5,2 эВ; у нитрида бора Eg — 4,6 эВ.

К полупроводникам относят тела, имеющие сравнительно узкую запрещенную зону (рис. г). У типичных полупроводников Eg < 1 эВ. Так, у германия Eg = 0,65 эВ; у кремния Eg = 1,08 эВ; у арсенида галлия E

g = 1,43 эВ

Диэлектрики:

Запрещенная зона Wg~5эВ; ρ=108÷1018Ом*м;

Металлы:

Запрещенная зона Wg=0; ρ=10-8÷10-6Ом*м;

Полупроводники:

Запрещенная зона Wg~1эВ; ρ=10-6÷107Ом*м;

Собственные полупроводники

Химически чистые полупроводни­ки называются собственными полупроводниками. К ним относится ряд чистых химических элементов (германий, кремний, селен, теллур и др.) и многие химические соединения, такие, например, как арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb), карбид кремния (SiC) и т. д.

На рис. а показана упрощенная схема зонной структуры соб­ственного полупроводника. При абсолютном нуле его валентная зона укомплектована полностью, зона проводимости, расположенная над валентной зоной на расстоянии E

g является пустой. Поэтому при абсолютном нуле собственный полупроводник, как и диэлектрик, об­ладает нулевой проводимостью.

Однако с повышением температуры вследствие термического воз­буждения электронов валентной зоны часть из них приобретает энер­гию, достаточную для преодоления запрещенной зоны и перехода в зону проводимости (рис. б). Это приводит к появлению в зоне проводимости свободных электронов, а в валентной зоне — свободных уровней, на которые могут переходить электроны этой зоны. При при­ложении к такому кристаллу внешнего поля в нем возникает направленное движение электронов зоны проводимости и валентной зоны, приводящее к появлению электрического току. Кристалл становится проводящим.

Чем уже запрещенная зона и выше температура кристалла, тем больше электронов переходит в зону проводимости, поэтому тем более высокую электропроводность приобретает кристалл.

Из изложенного вытекают сле­дующие два важных вывода.

Проводимость полупровод­ников является проводимостью возбужденной: она появляется под действием внешнего фактора, способного сообщить электронам валентной зоны энергию, достаточную для переброса их в зону прово­димости. Такими факторами могут быть нагревание полупроводников, облучение их светом и ионизирующим излучением.

где σ – удельная проводимость;

ρ – удельное электрическое сопротивление;

n – концентрация носителей заряда;

q – величина заряда;

μ – подвижность носителей заряда;

Подвижность носителей заряда характеризует способность перемещаться под действием электрического поля.

В металлах n практически не меняется. В полупроводниках n зависит от температуры.

где k – постоянная Больцмана

T – абсолютная температура

Разделение тел на полупроводники и диэлектрики носит в значительной мере условный характер. Алмаз, являющийся диэлектриком при комнатной температуре, приобретает заметную проводимость при более высоких температурах и может считаться также полупроводни­ком. По мере того, как в качестве полупроводников начинают использоваться материалы со все более широкой запрещенной зоной, деление тел на полупроводники и диэлектрики постепенно утрачивает свой смысл.

В таблице приведены электрофизические свойства и характеристики зонной структуры трех типичных собствен­ных полупроводников при комнатной температуре — кремния, германия и антимонида индия.

Вещество

Eg, эВ

ρ, Ом×м

μn,см2/В×с

μp,см2/В×с

γ, г/см3

M, г/моль

Ge (70÷800C)

0,66

0,8

4000

3000

5,3

73

Si (120÷1400C)

1,12

2000

1900

400

2,3

28

Из данных таблицы видно, что с уменьшением ширины запрещенной зоны резко возрастает концентрация свободных носителей заряда в полупроводнике и падает его удельное сопротивление.

Проводники, полупроводники, изоляторы. | Электроника как хобби

Проводники, полупроводники и изоляторы — это вещества с различным количеством свободных зарядов.

Проводники отлично проводят электрический ток благодаря большому количеству свободных зарядов в меж атомном пространстве (Рис 16.1) К ним относятся все металлы, так же проводниками могут быть некоторые жидкости и газы.

Полупроводники имеют уже более меньшее количество свободных зарядов чем проводник (рис.16.2)  и за счет этого обладают меньшей проводимостью электричества.

В диэлектриках свободные заряды почти отсутствуют (Рис.16.3) и поэтому они не проводят электричество.

Проводимость зависит от свободных зарядов в веществе

Так в чем же «фишка» этих свободных зарядов как они влияют на проводимость?

Разберем это на примере с металлическим проводником. В металлах почти все атомы являются положительными ионами из за слабой связи крайних электронов с ядром атома, они практически не закреплены на его орбите и за счет этого легко покидают его. Свободные заряды (электроны) мечутся от одного атома к другому напоминая беспорядочно движущийся рой пчёл и за счет такого беспорядочного движения свободных зарядов в металлическом проводнике к нему применяют такое вырождение как «Электронный газ».

Если проводник не подключен к источнику питания то в нем будет равное количество электронов и протонов. Это означает что проводник является сам по себе электрически нейтральным хоть в нем и происходит такое бурное беспорядочное движение зарядов в меж атомном пространстве.

Подключив проводник к источнику питания в нем начинается уже упорядочное      движение зарядов, а происходит это движение благодаря тому что заряды(электроны) начинают упорядочено перемещаться (тянуться) к противоположенному источнику питания перепрыгивая от одного атома к другому. И отсюда можно сделать вывод, что чем больше в веществе атомов способных легко терять и принимать электроны (отсюда и много свободных зарядов в веществе) тем выше его проводимость ведь чем больше таких атомов будет трудиться помогая перемещать заряды от минуса к плюсу тем больше будет проводимость такого вещества.

Так как полупроводник имеет меньшее количество свободных зарядов следовательно и меньшее количество атомов способных помочи в перемещении зарядов, то он обладает меньшей проводимостью зарядов (электричества).

А вот в диэлектрике атомы способные помочь в перемещении электронов практически отсутствуют так как электроны этого вещества крепко связаны с ядром атома .

Увеличить пр

Электротехнические материалы: полупроводники, диэлектрики, проводники, сверхпроводники.

По электрическим свойствам материалы делятся на диэлектрики, полупроводники, проводники и сверхпроводники. Они отличаются друг от друга электрической проводимостью и её механизмом, характером зависимости электрического сопротивления от температуры.

Диэлектрики. Это вещества, которые не обладают хорошей электронной проводимостью и поэтому являются изоляторами. Диэлектрики имеют удельное электрическое сопротивление в интервале от 108 до 1016 Ом∙м. Некоторые из них также как и металлы имеют кристаллическую структуру. Вид химической связи в диэлектриках, в основном, ионный или ковалентный. Свободные носители заряда отсутствуют. Между валентной зоной и зоной проводимости находится широкая запрещенная зона. К диэлектрикам относятся полимерные материалы: соли, оксиды, полиэтилен, резина, текстильные материалы.

Диэлектрики, такие как керамика, стекло, пластмассы обладают высокой диэлектрической проницаемостью, значения которой находятся в пределах от 2 до 20. Но отдельные диэлектрики имеют значения относительной диэлектрической проницаемости около тысячи и выше. Такие диэлектрики называются сегнетоэлектриками.

 

 

Рис. 1. Схема расположения энергетических зон в металле (а), полупроводнике (б),

изоляторе (в).

Полупроводники. Полупроводники занимают промежуточное положение между изоляторами и проводниками, они отличаются как от металлов, так и от изоляторов. При низких температурах электрическое сопротивление полупроводников велико и они в этом отношении похожи на диэлектрики, хотя зависимость удельного электрического сопротивления от температуры у них отличается от таковой для изоляторов. При нагревании электрическая проводимость полупроводников растет, достигая величин, характерных для металлов.

Полупроводники имеют удельное электрическое сопротивление от 10-5 до 108 Ом∙м. К полупроводникам относятся B, C, Si, Ge, Sn, P, As, Sb, S, Se, Te, I. Полупроводниками являются такие бинарные соединения ZnO, FeO, ZnS, CdS, GaAs, ZnSb, SiC, а также более сложные соединения.

Ширина запрещенной зоны в полупроводниках изменяется от 0,08 эВ (у металла Sn) до 5,31 эВ (неметалла алмаз). Зависимость электрических свойств полупроводников от температуры и освещенности объясняется электронным строением их кристаллов. У них, как и у изоляторов, валентная зона отделена от зоны проводимости запрещенной зоной (рис. 1). Однако ширина запрещенной зоны в случае полупроводников существенно меньше, чем у диэлектриков. Благодаря этому при действии облучения или при нагревании, электроны, занимающие верхние уровни валентной зоны, могут переходить в зону проводимости и участвовать в переносе электрического тока. С повышением температуры и увеличением освещенности число электронов, переходящих в зону проводимости, возрастает, что приводит к росту электрической проводимости полупроводника.

В полупроводниках с ковалентной связью появление электрона в зоне проводимости одновременно создает его вакансию в валентной зоне. Данные вакансии называются дырками. Они могут участвовать в движении под действием электрического поля. Поэтому электрический ток в полупроводниках определяется движением электронов в зоне проводимости и движением дырок в валентной зоне. В первом случае электроны переходят на незанятые молекулярные орбитали, во втором – на частично занятые молекулярные орбитали.

Из простых полупроводников наиболее распространены кремний и германий. Полупроводники применяются в радиоэлектронных приборах.

 

Проводники. Это вещества, которые проводят электрический ток. К проводникам относятся металлы. Удельное электрическое сопротивление проводников изменяется от 10-8 до 10-5 Ом∙м. С повышением температуры электрическое сопротивление увеличивается, этим они и отличаются от полупроводников. Носителями заряда в проводниках являются электроны. Валентная зона и зона проводимости электронной структуры металлов пересекаются (рис. 1 а). Это позволяет электронам из валентной зоны переходить при небольшом возбуждении на молекулярные орбитали зоны проводимости.

Проводники применяются для передачи электрической энергии на большие расстояния, в качестве резисторов, нагревательных элементов, осветительных приборов.

 

Сверхпроводники. Материалы, у которых электрическое сопротивление при некоторой критической температуре резко уменьшается до нуля, называются сверхпроводниками. У обычных веществ падение электрического сопротивления практически до нуля возможно только при низких температурах. Например, у ртути она составляет 4,2 К. Поэтому широкое практическое использование сверхпроводимости нецелесообразно, так как связано с большими энергетическими затратами на охлаждение до очень низких температур.

В 1988 году было открыто явление высокотемпературной сверхпроводимости. Найдены такие вещества, которые проявляют сверхпроводящие свойства при достаточно высоких температурах порядка 90 – 135 К. Такие температуры могут быть достигнуты в среде жидкого азота. Это открывает возможности практического использования явления сверхпроводимости.

Высокотемпературные свойства обнаружены у следующих веществ: Y-Ba-Cu-O (Tc = 90 K), Bi — Ca – Cu – O (Tc = 110 K), Hg – Ba – Ca – Cu – O (Tc = 135 K).

В настоящее время ведутся поиски новых систем, которые могли бы находиться в сверхпроводящем состоянии при температурах кипения диоксида углерода, которая равна 194,7 К.

 

 



Дата добавления: 2017-02-13; просмотров: 4007;


Похожие статьи:

5.23. Проводники, диэлектрики и полупроводники в зонной теории

Зонная теория  один из основных разделов квантовой теории твердых тел, которая описывает движение электрона в кристаллах. Согласно этой теории электроны внешних энергетических зон имеют примерно одинаковую свободу движения во всех твердых телах независимо от того, являются они металлами или диэлектриками. Действительно их движение осуществляется путем туннельного перехода от одного атома к другому. Современные представления о строении диэлектриков существенно отличаются от представлений о связанных зарядах, лежащих в основе классической теории.

Наличие свободных электронов является лишь необходимым условием проводимости у тел, но не достаточным.

В зонной теории проводники, диэлектрики и полупроводники по электрическим свойствам отличаются расположением разрешенных и запрещенных зон энергии и заполнением этих зон электронами.

Чем больше энергия электрона в изолированном атоме, тем шире разрешенная зона и меньше ширина запрещенной зоны.

Рис. 5.23

Последняя полностью заполненная электронами зона называется валентной зоной.

Следующая за валентной зоной свободная зона или частично заполненная электронами при Т = 0 К, называется зоной проводимости.

Электропроводность твердого тела зависит не от числа валентных электронов, а от отношения числа электронов в зоне проводимости к общему числу энергетических уровней в этой зоне.

К проводникам относятся тела, у которых над полностью заполненной электронами валентной зоной располагается частично заполненная электронами зона проводимости.

Такие зоны возникают в том случае, если энергетический уровень, из которого она возникает, заполнен в атоме не полностью, например, у щелочных элементов и металлов (рис. 5.23, а).

Частично заполненная электронами зона может образоваться изза перекрытия валентной зоны и зоны проводимости (гибридная зона), что имеет место у бериллия и щелочноземельных элементов (рис. 5.23, б).

Следовательно, достаточным условием проводимости тел является наличие в их энергетическом спектре разрешенных зон, заполненных электронами лишь частично.

Поэтому даже слабое электрическое поле способно перевести электроны на свободные энергетические уровни в зоне проводимости, т. е. появится электрический ток.

К диэлектрикам и полупроводникам относятся тела, у которых при Т = 0 К над полностью заполненными электронами валентными зонами находятся свободные зоны (зоны проводимости). Эти зоны разделены широкими запрещенными зонами. К ним относятся химические элементы, например, алмаз, кремний, германий, а также многие химические соединения  окислы металлов, нитриды и т. д. К диэлектрикам относятся вещества, у которых валентная зона отделена от зоны проводимости широкой запрещенной зоной (W  23 эB).

Рис. 5.24

Например, у алмаза  W = 5,2 эB, у нитрида бора  W = 4,6 эB, у Al2O3  W 7 эB и т. д. (рис. 5.24, а). К полупроводникам относятся вещества, у которых имеется более узкая запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости, чем у диэлектриков ее энергия W  23 эB.

Например, у германия ширина запрещенной зоны W = 0,66 эB, у кремния  W = 1,08 эB, у арсенида галлия  W =1,4 эB (рис. 5.24, б).

Под действием электрического поля напряженностью Е = 105 В/м (обычные источники тока) может быть сообщена электронам энергия W  103 эВ, что значительно меньше ширины запрещенной зоны в диэлектриках и полупроводниках. В табл. 5.1 приведены значения ширины запрещенной зоны (энергии активации) W и концентрации электронов n в металлах, диэлектриках и полупроводниках.

Таблица 5.1

W,

эВ

10

5

3

2

1

0,75

0,5

0,1

0,01

n,

м3

1059

1029

10

108

1017

1019

1021

1024

1029

Диэлектрики

Полупроводники

Металлы

проводники, п/п, диэлектрики. Основные принципы.

Основное отличие полупроводников и ди­электриков от металлов связано с различием природы химической связи и электронной структуры этих материалов, с характером заполнения валентными электронами зон раз­решенных энергий (рис. В-1), с наличием но­сителей заряда двух знаков и отличной от ме­таллов температурной зависимостью электро­проводности, с особенностями поведения в них структурных дефектов.

В металлах определяющим типом химичес­кой связи является металлическая связь: ва­лентная зона во всем температурном интерва­ле существования металла (от О К до темпе­ратуры плавления) заполнена электронами лишь частично. Поэтому электропроводность в металлах реализуется за счет легкого перехо­да электронов на свободные энергетические уровни валентной зоны и перемещения по ним.

В полупроводниках и диэлектриках связи носят сложный, смешанный характер: в по­лупроводниках основной тип связи ковалент-ный, но весьма существен вклад ионной и металлической составляющих, а в части из них и ван-дер-ваальсовых связей. В диэлект­риках основной тип связи — ионный, но ва­жен также вклад ковалентной и отчасти ме­таллической связей. Изменение доли разных типов связи резко изменяет свойства этих материалов.

В полупроводниках и диэлектриках вален­тная зона заполнена при О К полностью и от­делена от следующей зоны разрешенных энер­гий (зоны проводимости) зоной запрещенных энергий (запрещенной зоной), ширина кото­рой различна у различных полупроводников.

Для того, чтобы в полупроводнике ста­ла возможной электропроводность, электро-ны из валентной зоны или с примесных до-норных уровней в запрещенной зоне долж­ны быть «заброшены» в зону проводимости, а также из валентной зоны — на созданные легированием акцепторные уровни в запре­щенной зоне. В последнем случае в валент­ной зоне возникают и становятся носителя­ми заряда положительно заряженные «дыр­ки» (см. рис. В-1).

2. Типии химических связей и электронная плотность в элементарных кристаллических твердых телах. Гетеродесмичность химических связей.

В природе известны три вида силовых полей, способных воздействовать на матери­альные частицы: электрические, магнитные и гравитационные. Последние два вида очень слабы и не могут быть ответственны за экс­периментально установленную высокую проч­ность межатомных связей. Поэтому в общем виде связь между атомами может быть обус­ловлена только силами электрического взаи­модействия между положительными и отри­цательными зарядами, которое и приводит к уменьшению энергии электронов, участвую­щих в связи (валентных электронов), и по­тенциальной энергии всего ансамбля атомов твердого тела.

Конкретный механизм электрического взаимодействия зависит от электронной структуры атомов данного твердого тела, т. е. от их положения в Таблице Менделеева. Раз­личают следующие виды электрического вза­имодействия и соответственно типы химичес­кой связи.

Кулоновское взаимодействие. Оно может носить характер:

— статического взаимодействия между ионами разного знака или между смещенны­ми центрами тяжести зарядов разного знака в пределах одного атома либо молекулы (ста­тическая поляризация) — это случай ионной (гетерополярной) связи;

— динамического взаимодействия межа­томных (межмолекулярных) зарядов разного знака, вызванных явлением динамической поляризации (см. гл. 3) — случай ван-дер-ва-алъсовой связи.

Взаимодействие движущихся валентных электронов с ядрами. Этот вид взаимодействия также носит двоякий характер.

В первом случае при сближении атомов перекрываются орбитали пары валентных

электронов с противоположными спинами, каждый из которых до сближения принадле­жал одному из соседних атомов. Такие пары обезличены: они непрерывно движутся, пе­реходя от одного соседнего атома к другому. Но переход совершается только по «мости­кам», соединяющим ближайшие атомы (в ал-мазоподобных кристаллах по направлениям <111>). На каждый момент времени каждый атом окружен статистически разным числом валентных электронов с противоположными спинами. Электронная плотность, таким обра­зом, сосредоточена на этих направлениях. Сле­довательно, валентные электроны являются локализованными — это механизм ковален-тной (гомеополярной) связи.

Во втором случае имеет место взаимо­действие делокализованных (коллективизиро­ванных) валентных электронов всего атомно­го ансамбля кристаллической решетки с ее ионным остовом. Один из возможных механиз­мов делокализации — множественное пере­крытие валентных орбиталей. Этот механизм соответствует металлической связи.

Общей характеристикой типа связи явля­ется электронная плотность б (размерность 5 — эл./нм3), описывающая характер распре­деления валентных электронов в пространстве кристаллической решетки, — вероятность пребывания электронов в данной точке этого пространства. Она пропорциональна квадрату волновой функции \|/2. Поэтому электронную плотность часто называют плотностью ве­роятности.

Качественное различие характера элект­ронной плотности для разных типов связи по­казано на рис. 1.2. Необходимо отметить, что только для ковалентных связей она анизот­ропна.

Веществ с одним типом химической связи практически нет. У химических элементов, а тем более соединений, имеет место наложение нескольких типов связи, что изменяет харак­тер электронной плотности. В одних случаях это изменение носит микроскопически одно­родный характер, т. е. вероятность пребывания валентных электронов в разных микрообъемах решетки является усредненной величиной, промежуточной между вероятностями, харак­терными для отдельных типов связи. Следова­тельно, электронная плотность статистически одинакова в разных микрообъемах. В этом слу­чае связи называют гомодесмическими. В других случаях внутри одних микрообъ­емов (в плоскостях, направлениях) реализу­ется один тип связи, а между собой эти мик­рообъемы соединены связями другого типа. Тогда характер распределения электронной плотности в пределах указанных направлений и в направлениях между ними будет различ­ным. Например, у графита в плоскостях бази­са атомы соединены ковалентными связями, на которые каждый атом отдает три электро­на из четырех, а плоскости базиса между со­бой — металлическими или, по мнению неко­торых авторов, ван-дер-ваальсовыми. Анало­гичная по смыслу картина наблюдается у эле­ментов VB—VIIB подгрупп, в органических и молекулярных соединениях и др. (см. гл. 4). В этих случаях связи называют гетеродесми-ческими. Из этого следуют две важные за­кономерности: решетки веществ с гетеродес-^лической связью обладают только низкой или средней симметрией, а свойства таких веществ анизотропны.

Проводники и диэлектрики | Практическая электроника

Проводники – это вещества, которые отлично проводят электрический ток, а диэлектрики – это вещества, которые не проводят электрический ток.

Строение вещества

Как вы все знаете, любое вещество состоит из атомов. Атомы в свою очередь состоят из электронов и ядер

Проводники и диэлектрики

Если вы вспомните статью про электрический ток, в ней говорилось про пастуха и стадо овец:

Проводники и диэлектрики

Пастух – это ядро атома, а овцы – это электроны.

Дело все в том, что некоторые овцы, которые находятся очень далеко от пастуха, могут от него сбежать и стать свободными. То же самое можно сказать и про атомы и электроны. Электроны, которые находятся на самой дальней орбите от ядра менее зависимы, чем те, которые расположены ближе к ядру. В результате, такие электроны могут “оторваться” от ядра и начать самостоятельное путешествие по веществу.

свободные электроны

Такие электроны мы называли свободными.

Проводники и диэлектрики

Вещества в которых очень много свободных электронов называются проводниками, а вещества в которых очень мало свободных электронов – диэлектриками. Свободные электроны есть в каждом веществе!  Их количество определяет проводимость вещества. Между проводниками и диэлектриками располагаются полупроводники. То есть это вещества, которые проводят электрический ток, но очень плохо.

Поэтому, проводниками в основном называют металлы, которые используются в электронной и электрической промышленности для передачи электрического тока. Это в основном медь и алюминий. Но всех лучше электрический ток проводит серебро, так как оно имеет в своем составе очень много свободных электронов

проводники серебро

Диэлектриками являются изоляционные материалы, так как термоусадочная трубка

термоусадочная трубка

изолента

изолента

фарфоровые и стекло-изоляторы

электроизоляторы

Ионы

Думаю, можно сказать пару слов и об ионах. Каждый атом вещества содержит электроны, которые вращаются вокруг ядра.  Если атом теряет один электрон, он стает положительно-заряженной частицей, или катионом, если присоединяет “левый” электрон, стает отрицательно-заряженной частицей – анионом. А раз есть свободные отрицательно-заряженные частицы, значит есть и движуха для электрического тока 🙂 Поэтому многие жидкости и газы являются проводниками для электрического тока. Из жидкостей это может быть вода (но не дистиллированная), а из газов – плазма.

Сверхпроводимость

Также в природе существует и такой эффект, как сверхпроводимость. Сверхпроводимость – это когда некоторые материалы и их сплавы вообще не обладают сопротивлением. То есть их сопротивление очень и очень близко к нулю. Но, спешу вас разочаровать, в простых условиях это получить невозможно, так как это достигается только при критических температурах.

Если желаете больше узнать про материалы, которые используются в электронике и электротехнике,  скачайте эту книгу.

Проводники и диэлектрики

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *