Site Loader

Содержание

Проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле

В электричестве выделяют три основных группы материалов – это проводники, полупроводники и диэлектрики. Основным их отличием является возможность проводить ток. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются эти виды материалов и как они ведут себя в электрическом поле.

Что такое проводник

Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению.

G=1/R

Говоря простыми словами – проводник проводит ток.

К таким веществам можно отнести металлы, но если говорить о неметаллах то, например, углерод – отличный проводник, нашел применение в скользящих контактах, например, щетки электродвигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека – тоже проводит ток, но их электропроводность зачастую меньше, чем у меди или алюминия, например.

Металлы являются отличными проводниками, как раз таки благодаря большому числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают перемещаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.

Что такое диэлектрик

Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.

Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков.

Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление.

Если сказать кратко, то основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя.

Что такое полупроводник

Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть различных форм – электрической, тепловой. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.

Где применяются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид-галия, селен, мышьяк.

Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории.

Зонная теория

Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).

На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:

Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия. В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.

У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.

У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая. Различия обусловлены внутренним строением и вещества.

Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток. Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники. Надеемся, предоставленная информация помогла вам понять, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, а также в чем их отличие между собой.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Наверняка вы не знаете:

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.


Проводники, изоляторы и полупроводники | Электрикам

Любое тело состоит из молекул и атомов. Атом включает в себя отрицательно заряженные электроны и положительно заряженное ядро. Электроны в атоме совершают орбитальные вращения вокруг ядра. В том случае, если сумма отрицательно заряженных электронов равна положительному заряду, то атом считается электрически нейтральным. В таблице Менделеева порядковый номер элемента определяется числом электронов атома с нейтральным зарядом. Электрический заряд электрона равен -1,6*10-19 Кл. Заряд ядра по абсолютному значению равен заряду электрона, умноженному на число электронов атома с нейтральным зарядом.

Электроны атомов, как правило, расположены на внешних или внутренних орбитах. Те электроны, что расположены на внутренних орбитах, относительно прочно связываются с ядром атома. Валентные электроны, т.е. те, которые находятся на внешних орбитах, могут отрываться от атома и находиться в «свободном» состоянии до тех пор, пока не присоединятся к новому атому. Атом, у которого отсутствует какое-либо количество электронов называется ионом с положительным зарядом. А вот атом, к которому присоединились электроны, называется ионом с отрицательным зарядом.

Процесс формирования ионов называется — ионизацией.
Количество «свободных» ионов или электронов, т.е. частиц, переносящих заряд, в единице объема вещества называют концентрацией носителей заряда.
Электрический ток — это упорядоченное движение положительно и отрицательно заряженных частиц.
Электропроводность — это способность вещества, под действием электрического поля, проводить через себя электрический ток.

Чем выше концентрация носителей заряда в веществе, тем больше его электропроводность. В зависимости от способности проводить электрический ток, вещества разделяют на 3 группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.

Проводники электрического тока

Проводники это вещества с высокой электропроводностью. Проводников бывает 2 типа: с электронной проводимостью и ионной проводимостью. К электронной проводимости относятся металлы и их сплавы. В металлах электрический ток создается перемещением электронов. Проходящий через такие проводники ток никак не сказывается на материале и не изменяет его химическую составляющую.

Высокий уровень электропроводности металлов обусловлен тем, что в них много «свободных» электронов, находящихся в состоянии беспорядочного движения и заполняющие объём проводника словно газ. При таком активном движении электроны сталкиваются с ионами неподвижной кристаллической решётки, состоящей из атомов вещества. В следствии чего электроны изменяют направление движения, скорость и свою кинетическую энергию.

Если в проводнике 1-го типа есть электрическое поле, то на заряды проводника действуют силы этого поля, упорядочивая их движение. Свободные электроны двигаются не в хаотическом порядке, а в одном направлении противоположно направлению поля (от минусовой клеммы к плюсовой). Данное упорядоченное движение свободных носителей заряда под действием электрического поля является — электрическим током (проводимости).

Проводники 2-го типа представляют собой растворы или расплавы солей, кислот, щелочей и т. п. в которых не завися от прохождения тока наблюдается электролитическая диссоциация.

Электролитическая диссоциацияэто процесс распада нейтральных молекул на отрицательные и положительные ионы.

Положительные ионами выступают водород и ионы металлов. Отрицательные — гидроксильная группа и кислотные остатки.

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

При возникновении в таком проводнике электрического поля, движение ионов приобретает направленное упорядоченное движение, т. е. через проводник протекает ток (проводимости). Положительные ионы двигаются по направлению поля, а отрицательные против.

Полупроводники

Полупроводникиэто вещества, электропроводность которых зависит от температуры, освещенности, электрических полей и примесей.  К таким материалам относят: кремний, теллур, германий, селен, соединения металлов с серой и окислы металлов. Полупроводники отличаются еще и тем, что кроме электронной проводимости имеют и дырочную электропроводность. Дырочная электропроводность вызывается движением «дырок» из-за влияния электрического поля. «Дырки» — это свободные места в атомах, которые не заняты валентными электронами. Это подобно тому, что положительно заряженные частицы перемещаются так же, как и заряды, равные зарядам электронов. На сегодняшний день, использование полупроводников широко распространено в разных устройствах и приборах, например, в фоторезисторах и полупроводниковых диодах.

Электрические диэлектрики

Диэлектрики это те вещества, в которых при нормальных условиях очень малое количество свободных электрически заряженных частниц. В следствии чего они обладают низкой электропроводностью. К диэлектрикам относятся газы, минеральные масла, лаки и твердые материалы (кроме металлов). Однако, если на диэлектрик будет действовать высокая температура или сильное электрическое поле, то начнется расщепление молекул на ионы, которые потеряют вследствие этого воздействия свои изолирующие свойства.

Более подробно о диэлектриках в электрическом поле читайте в данной статье —>

#1. Как называются вещества с высокой электропроводностью?

#2. Как называется процесс распада нейтральных молекул на отрицательные и положительные ионы?

#3. Чем являются основные носители заряда в металлах?

Результат

Отлично!

Попытайтесь снова(

Чем отличаются диэлектрики от проводников? Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики.

Для того чтобы исследовать явления, которые происходят при введении различных веществ в электрическое поле, рассмотрим свойства этих веществ.

Определение

Проводник — тело, в объёме которого находится большое количество свободных зарядов, которые перемещаются по всему объёму этого тела. Различают проводники с электронной и ионной проводимостью. К первым относятся все металлы и сплавы. Ко вторым — электролиты, то есть водные растворы солей, щелочей, кислот и др.

Диэлектрик — тело, в объёме которого нет свободных зарядов. Диэлектрик состоит из нейтральных атомов или молекул. В нейтральном атоме все заряженные частицы тесно связаны друг с другом, в результате чего даже под воздействием электрического поля они не могут перемещаться по всему объёму тела. Поэтому диэлектрики практически не проводят электрический ток и имеют очень низкую электропроводность. К ним можно отнести стекло, смолы, лаки и т.д.

Сравнение

В проводниках в отличие от диэлектриков, высокая концентрация свободных электрических зарядов. В металлах таковыми являются свободные электроны, которые способны передвигаться по всему объёму вещества. Возникновение свободных электронов обусловлено тем, что валентные электроны в атомах металлов весьма плохо взаимодействуют с ядрами и легко теряют связь с ними.

У диэлектриков, напротив, электроны с атомами крепко связаны и не имеют возможности свободно перемещаться под воздействием электрического поля. И так как количество свободных заряженных носителей в диэлектриках ничтожно мало, из этого следует, что в них отсутствует электростатическая индукция, и напряжённость электрического поля внутри диэлектриков не превращается в ноль, а только уменьшается.

Напряжённость нельзя повышать безгранично, т. к. при определенной величине все заряды могут сместиться настолько, что произойдет изменение структуры материала, иными словами, произойдет пробой диэлектрика. В этом случае он потеряет свои изоляционные свойства.

Выводы сайт

  1. В проводнике свободные электроны, подвергающиеся влиянию сил электрического поля, перемещаются по всему объему.
  2. В отличие от проводника, в диэлектрике (изоляторе) нет свободных зарядов. Изоляторы состоят из нейтральных молекул или атомов. Заряды в нейтральном атоме друг с другом сильно связаны и не могут перемещаться под воздействием электрического поля по всему объёму диэлектрика.

В электронных приборах используются самые разные материалы. Основными элементами, применяемыми для этих устройств, является проводниковая и полупроводниковая продукция. Для более эффективного их использования, необходимо точно знать, чем отличаются проводники от полупроводников. Свойства каждого элемента, применяемые в комплексе, позволяют создавать приборы, обладающие уникальными качествами и характеристиками.

Свойства проводников и полупроводников

Очень многие вещества способны проводить электрический ток. Они могут находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Основными проводниками, применяемыми в электротехнике, являются различные виды металлов или их сплавов. Они отличаются высокими качествами проводимости и электрическим сопротивлением, характерным для каждого материала.

В электротехнике металлы применяются в качестве проводников, конструкционных и контактных материалов, а также для спаивания между собой любых видов проводников. Основным свойством проводников является наличие в них свободных электронов, обеспечивающих прохождение электрического тока.

К категории полупроводников относятся вещества, занимающие промежуточное место между . Эти границы достаточно условны, поскольку под влиянием различных факторов, полупроводники могут иметь свойства и проводников и изоляторов. Например, под влиянием низких температур, они становятся диэлектриками, а при повышении температуры, в них начинают появляться свободные носители зарядов. Это связано с тем, что при росте температуры, возрастают и колебания кристаллической решетки, разрывая определенные валентные связи и образуя свободные электроны, проводящие электрический ток.

Проводники и полупроводники: основные отличия

Для того, чтобы правильно использовать те или иные материалы в электронике и электротехнике, необходимо, прежде всего, знать, чем отличаются проводники от полупроводников. В проводниках всегда имеются свободные электроны, от которых зависит движение тока. В полупроводниках образование свободных электронов происходит только при наличии определенных условий. Это дает возможность технологического управления свободными носителями полупроводника.

Одним из основных отличий является более высокая проводимость проводников в сравнении с полупроводниками. Кроме того, если при повышении температуры проводимость полупроводника резко возрастает, то в проводнике, наоборот, происходит уменьшение этого показателя с одновременным ростом электрического сопротивления. Наличие примесей также оказывает неодинаковое действие: в проводниках они снижают проводимость, а в полупроводниках она повышается. Все эти свойства рационально используются в электронных приборах, позволяя добиваться их максимальной эффективности.

В электротехнике применяются различные материалы. Электрические свойства веществ определяются количеством электронов на внешней валентной орбите. Чем меньше электронов находится на этой орбите, тем слабее они связаны с ядром, тем легче могут отправиться путешествовать.

Под воздействием температурных колебаний электроны отрываются от атома и перемещаются в межатомном пространстве. Такие электроны называют свободными, именно они и создают в проводниках электрический ток. А велико ли межатомное пространство, есть ли простор для путешествия свободных электронов внутри вещества?

Структура твердых тел и жидкостей кажется непрерывной и плотной, напоминающей по структуре клубок ниток. Но на самом деле даже твердые тела больше похожи на рыболовную или волейбольную сеть. На бытовом уровне этого конечно не разглядеть, но точными научными исследованиями установлено, что расстояния между электронами и ядром атомов намного превышают их собственные размеры.

Если размер ядра атома представить в виде шара размером с футбольный мяч, то электроны в такой модели будут размером с горошину, а каждая такая горошина расположена от «ядра» на расстоянии в несколько сотен и даже тысяч метров. А между ядром и электроном пустота — просто ничего нет! Если в таком же масштабе представить расстояния между атомами вещества, размеры получатся вообще фантастические, — десятки и сотни километров!

Хорошими проводниками электричества являются металлы . Например, атомы золота и серебра имеют на внешней орбите всего по одному электрону, поэтому именно они являются наилучшими проводниками. Железо тоже электричество проводит, но несколько хуже.

Еще хуже проводят электричество сплавы с высоким сопротивлением . Это нихром, манганин, константан, фехраль и другие. Такое многообразие высокоомных сплавов связано с тем, что они предназначены для решения различных задач: нагревательные элементы, тензодатчики, образцовые резисторы для измерительных приборов и многое другое.

Для того, чтобы оценить способность материала проводить электричество было введено понятие «удельная электропроводность» . Обратное значение — удельное сопротивление . В механике этим понятиям соответствует удельный вес.

Изоляторы , в отличие от проводников, не склонны терять электроны. В них связь электрона с ядром очень прочная, и свободных электронов почти нет. Точнее есть, но очень мало. При этом в некоторых изоляторах их больше, а качество изоляции у них, соответственно, хуже. Достаточно сравнить, например, керамику и бумагу. Поэтому изоляторы условно можно разделить на хорошие и плохие.

Появление свободных зарядов даже в изоляторах обусловлено тепловыми колебаниями электронов: под воздействием высокой температуры изоляционные свойства ухудшаются, некоторым электронам все-таки удается оторваться от ядра.

Аналогично удельное сопротивление идеального проводника было бы равно нулю. Но такого проводника к счастью нет: представьте себе, как бы выглядел закон Ома ((I = U/R) с нулем в знаменателе!!! Прощай математика и электротехника.

И лишь при температуре абсолютного нуля (-273,2C°) тепловые колебания полностью прекращаются, а самый плохой изолятор становится достаточно хорошим.(-4). Эти сплавы можно назвать плохими проводниками. После всех этих сложных цифр следует подставить Ом/см.

Далее в отдельную группу можно выделить полупроводники: германий 60 Ом/см, кремний 5000 Ом/см, селен 100 000 Ом/см. Удельное сопротивление этой группы больше, чем у плохих проводников, но меньше, чем у плохих изоляторов, не говоря уже о хороших. Наверное, с тем же успехом полупроводники можно было назвать полуизоляторами.

После такого короткого знакомства со строением и свойствами атома следует рассмотреть, как атомы взаимодействуют между собой, как атомы взаимодействуют между собой, как из них получаются молекулы, из которых состоят различные вещества. Для этого снова придется вспомнить об электронах на внешней орбите атома. Ведь именно они участвуют в связи атомов в молекулы и определяют физические и химические свойства вещества.

Как из атомов получаются молекулы

Любой атом находится в стабильном состоянии, если на его внешней орбите находится 8 электронов. Он не стремится забрать электроны у соседних атомов, но не отдает и свои. Чтобы убедиться в справедливости этого достаточно в таблице Менделеева посмотреть на инертные газы: неон, аргон, криптон, ксенон. Каждый из них на внешней орбите имеет 8 электронов, чем и объясняется нежелание этих газов вступать в какие — либо отношения (химические реакции) с другими атомами, строить молекулы химических веществ.

Совсем по-другому обстоит дело у тех атомов, у которых на внешней орбите нет заветных 8 электронов. Такие атомы предпочитают объединиться с другими, чтобы за счет них дополнить свою внешнюю орбиту до 8 электронов и обрести спокойное стабильное состояние.

Вот, например, всем известная молекула воды h3O. Она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, как показано на рисунке 1 .

Рисунок 1

В верхней части рисунка показаны отдельно два атома водорода и один атом кислорода. На внешней орбите кислорода находятся 6 электронов и тут же поблизости два электрона у двух атомов водорода. Кислороду до заветного числа 8 не хватает как раз двух электронов на внешней орбите, которые он и получит, присоединив к себе два атома водорода.

Каждому атому водорода для полного счастья не хватает 7 электронов на внешней орбите. Первый атом водорода получает на свою внешнюю орбиту 6 электронов от кислорода и еще один электрон от своего близнеца — второго атома водорода. На его внешней орбите вместе со своим электроном теперь 8 электронов. Второй атом водорода тоже комплектует свою внешнюю орбиту до заветного числа 8. Этот процесс показан в нижней части рисунка 1 .

На рисунке 2 показан процесс соединения атомов натрия и хлора. В результате чего получается хлористый натрий, который продается в магазинах под названием поваренная соль.

Рисунок 2 . Процесс соединения атомов натрия и хлора

Здесь тоже каждый из участников получает от другого недостающее количество электронов: хлор к своим собственным семи электронам присоединяет единственный электрон натрия, в то время, как свои отдает в распоряжение атома натрия. У обоих атомов на внешней орбите по 8 электронов, чем достигнуто полное согласие и благополучие.

Валентность атомов

Атомы, у которых на внешней орбите содержится 6 или 7 электронов, стремятся присоединить к себе 1 или 2 электрона. Про такие атомы говорят, что они одно или двухвалентны. А вот если на внешней орбите атома 1, 2 или 3 электрона, то такой атом стремится их отдать. В этом случае атом считается одно, двух или трехвалентным.

Если на внешней орбите атома содержится 4 электрона, то такой атом предпочитает объединиться с таким же, у которого тоже 4 электрона. Именно так объединяются атомы германия и кремния, использующиеся в производстве транзисторов. В этом случае атомы называются четырехвалентными. (Атомы германия или кремния могут объединяться и с другими элементами, например, кислородом или водородом, но эти соединения в плане нашего рассказа неинтересны.)

На рисунке 3 показан атом германия или кремния, желающий объединиться с таким же атомом. Маленькие черные кружочки — это собственные электроны атома, а светлые кружки обозначают места, куда попадут электроны четырех атомов — соседей.

Рисунок 3 . Атом германия (кремния).

Кристаллическая структура полупроводников

Атомы германия и кремния в периодической таблице находятся в одной группе с углеродом (химическая формула алмаза C,- это просто большие кристаллы углерода, полученные при определенных условиях), и поэтому при объединении образуют алмазоподобную кристаллическую структуру. Образование подобной структуры показано, в упрощенном, конечно, виде на рисунке 4 .

Рисунок 4 .

В центре куба находится атом германия, а по углам расположены еще 4 атома. Атом, изображенный в центре куба, своими валентными электронами связан с ближайшими соседями. В свою очередь угловые атомы отдают свои валентные электроны атому, расположенному в центре куба и соседям, — атомам на рисунке не показанным. Таким образом, внешние орбиты дополняются до восьми электронов. Конечно, никакого куба в кристаллической решетке нет, просто он показан на рисунке, чтобы было понятно взаимное, объемное расположение атомов.

Но для того, чтобы максимально упростить рассказ о полупроводниках, кристаллическую решетку можно изобразить в виде плоского схематического рисунка, несмотря на то, что межатомные связи все-таки расположены в пространстве. Такая схема показана на рисунке 5 .

Рисунок 5 . Кристаллическая решетка германия в плоском виде.

В таком кристалле все электроны крепко привязаны к атомам своими валентными связями, поэтому свободных электронов здесь, видимо, просто нет. Выходит, что перед нами на рисунке изолятор, поскольку нет в нем свободных электронов. Но, на самом деле это не так.

Собственная проводимость

Дело в том, что под воздействием температуры некоторым электронам все же удается оторваться от своих атомов, и на некоторое время освободиться от связи с ядром. Поэтому небольшое количество свободных электронов в кристалле германия существует, за счет чего есть возможность проводить электрический ток.18 (шесть миллиардов миллиардов) электронов в секунду. На этом фоне две тысячи миллиардов свободных электронов, да еще разбросанных по огромному кристаллу, вряд ли могут обеспечить прохождение больших токов. Хотя, благодаря тепловому движению, небольшая проводимость у германия существует. Это так называемая собственная проводимость.

Электронная и дырочная проводимость

При повышении температуры электронам сообщается дополнительная энергия, их тепловые колебания становятся более энергичными, в результате чего некоторым электронам удается оторваться от своих атомов. Эти электроны становятся свободными и при отсутствии внешнего электрического поля совершают хаотические движения, перемещаются в свободном пространстве.

Атомы, потерявшие электроны, беспорядочных движений совершать не могут, а только слегка колеблются относительно своего нормального положения в кристаллической решетке. Такие атомы, потерявшие электроны, называется положительными ионами. Можно считать, что на месте электронов, вырванных из своих атомов, получаются свободные места, которые принято называть дырками.

В целом количество электронов и дырок одинаково, поэтому дырка может захватить электрон, оказавшийся поблизости. В результате атом из положительного иона вновь становится нейтральным. Процесс соединения электронов с дырками называется рекомбинацией.

С такой же частотой происходит и отрыв электронов от атомов, поэтому в среднем количество электронов и дырок для конкретного полупроводника равно, является величиной постоянной и зависимой от внешних условий, прежде всего температуры.

Если к кристаллу полупроводника приложить напряжение, то движение электронов станет упорядоченным, через кристалл потечет ток, обусловленный его электронной и дырочной проводимостью. Эта проводимость называется собственной, о ней уже было упомянуто чуть выше.

Но полупроводники в чистом виде, обладающие электронной и дырочной проводимостью, для изготовления диодов, транзисторов и прочих деталей непригодны, поскольку основой этих приборов является p-n (читается «пэ-эн») переход.

Чтобы получить такой переход, необходимы полупроводники двух видов, двух типов проводимости (p — positive — положительный, дырочный) и (n — negative — отрицательный, электронный). Такие типы полупроводников получаются путем легирования, добавления примесей в чистые кристаллы германия или кремния.

Хотя количество примесей очень мало, их присутствие в немалой степени изменяет свойства полупроводника, позволяет получить полупроводники разной проводимости. Об этом будет рассказано в следующей части статьи.

Борис Аладышкин,

В электричестве выделяют три основных группы материалов – это проводники, полупроводники и диэлектрики. Основным их отличием является возможность проводить ток. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются эти виды материалов и как они ведут себя в электрическом поле.

Что такое проводник

Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению.

Говоря простыми словами – проводник проводит ток.

К таким веществам можно отнести металлы, но если говорить о неметаллах то, например, углерод – отличный проводник, нашел применение в скользящих контактах, например, щетки электродвигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека – тоже проводит ток, но их электропроводность зачастую меньше, чем у меди или алюминия, например.

Металлы являются отличными проводниками, как раз таки благодаря большому числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают перемещаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.

Что такое диэлектрик

Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.

Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков.

Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление.

Если сказать кратко, то основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя.

Что такое полупроводник

Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть различных форм – электрической, тепловой. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.

Где применяются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид-галия, селен, мышьяк.

Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории.

Зонная теория

Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).

На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:

Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия. В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.

У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.

У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая. Различия обусловлены внутренним строением и вещества.

Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток. Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники. Надеемся, предоставленная информация помогла вам понять, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, а также в чем их отличие между собой.

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.

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.

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.

Проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле

Диэлектрики

Диэлектрики имеют полностью заполненную валентную зону и большую ширину запрещенной зоны. Электроны валентной зоны, даже при сильном возбуждении атомов (нагрев, облучение и т.д.), не способны преодолеть запрещенную зону и перейти в зону проводимости.

К диэлектрикам относятся твердые вещества с ковалентной (алмаз, кварц) или ионным типом связи (оксиды MgO, Al2 O3 , TiO2 , соли NaCl, CaF2 и т.д.). Для ионных кристаллов ширина запрещенной зоны превышает DE> 6 эВ. В молекулярных кристаллах энергетические уровни локализованы в пределах молекул и энергетические зоны не возникают, поэтому такие вещества — диэлектрики.

Что такое диэлектрик

Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.

Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков.

Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление.

Если сказать кратко, то основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя.

Проводники на печатных платах

Как вы знаете, все схемы состоят из проводов или печатных дорожек, которые соединяют различные радиоэлементы в единое целое. Например, в статье “самый простой усилитель звука“, я с помощью проводов соединял различные радиоэлементы, и у меня получилась схема, которая усиливала звуковые частоты.

Для того, чтобы все было красиво, эстетично и занимало мало пространства, прямо на платах создают “проводки”, которые уже называются “печатными дорожками”.

В домашних условиях все это делается с помощью технологии ЛУТ (Лазерно-Утюжная-Технология). 

На другой стороне печатной платы уже располагаются радиоэлементы

Так как радиолюбители стараются делать свои устройства как можно меньше по габаритам, то и плотность монтажа возрастает. Поэтому, в некоторых случаях радиоэлементы и печатные дорожки располагают по обе стороны платы.

Промышленные печатные платы уже делают многослойными. Они состоят из слоев, как торт из коржей:

Бум  SMD  технологий вызвал в свою очередь нужду в многослойных печатных платах.

Зонная теория

Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).

На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:

Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия

В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.

У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.

У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая. Различия обусловлены внутренним строением и вещества.

Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток. Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники. Надеемся, предоставленная информация помогла вам понять, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, а также в чем их отличие между собой.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Наверняка вы не знаете:

  • Причины потерь электроэнергии на больших расстояниях
  • Зависимость сопротивления проводника от температуры
  • Что такое диэлектрические потери
  • Что такое электрический заряд

Описание диэлектриков

Диэлектрики также принято называть электроизоляционными веществами.

Все электроизоляционные вещества имеют следующую классификацию:

  • В зависимости от агрегатного состояния диэлектрики могут быть жидкими, твердыми и газообразными.
  • В зависимости от способы получения — естественными и синтетическими.
  • В зависимости от химического состава – органическими и неорганическими.
  • В зависимости от строения молекул – нейтральными и полярными.

К ним относятся газ (воздух, азот, элегаз),  минеральное масло,  любое резиновое и керамическое вещество. Данные вещества характеризуются способностью к поляризации в электрическом поле. Поляризация представляет собой образование на поверхности вещества зарядов с разными знаками.

Пример диэлектрика

В диэлектриках содержится малое количество свободных электронов, при этом электроны имеют сильную связь с ядрами атомов и только в редких случаях отсоединяются от них. Это означает, что данные вещества не обладают способностью проводить ток.

Данное свойство весьма полезно в сфере производства средств, используемых при защите от электрического тока: диэлектрические перчатки, коврики, ботинки, изоляторы на электрическое оборудование и т.п.

«Электрическое поле. Проводники и диэлектрики»

Электрическое взаимодействие отличается от взаимодействия тел, изучаемого механикой, прежде всего тем, что заряженные тела взаимодействуют, находясь на некотором расстоянии друг от друга. Это взаимодействие наблюдается как в вещественной среде, так и в безвоздушном пространстве. Согласно утверждению английских учёных М. Фарадея и Д. Максвелла, в пространстве, в котором находится заряженное тело, существует электрическое поле. Посредством этого поля одно заряженное тело действует на другое.

Электрическое поле материально, наряду с веществом оно представляет собой вид материи. Это означает, что электрическое поле реально, оно существует независимо от нас. Убедиться в реальности электрического поля заряженного тела можно, наблюдая его действие на другие тела.

Электрическая сила

Силу, с которой поле действует на внесённый в него электрический заряд, называют электрической силой. Предположим, что в электрическое поле, существующее вокруг некоторого заряженного тела, вносят электрический заряд. Значение силы, с которой это поле действует на заряд, зависит от расстояния между зарядами и от значения этих зарядов.

Одним из способов электризации тел является электризация через влияние. Предположим, что к шару электрометра поднесли, не касаясь его, отрицательно заряженную палочку. Электрическое поле этой палочки будет действовать на заряды, содержащиеся в электрометре. При этом свободные электроны будут отталкиваться и соберутся на конце стержня и на стрелке, отклонение стрелки покажет наличие заряда. На шаре электрометра при этом будет избыточный положительный заряд. Если палочку убрать, то стрелка электрометра вернётся в ноль.

Для того чтобы на электрометре остался заряд, его нужно заземлить, т.е. соединить с Землёй. Это можно сделать, если коснуться шара электрометра рукой. Тогда электроны, стремясь уйти как можно дальше, переместятся с электрометра в землю. Если теперь убрать руку и палочку, то стрелка покажет, что электрометр заряжен. На нём останется избыточный положительный заряд. Аналогично электрометр может приобрести отрицательный заряд, если поднести к нему положительно заряженную палочку. В этом случае при заземлении на электрометре будет избыток электронов.

Проводники и диэлектрики

В рассмотренном выше опыте электрические заряды перемещались по электрометру. По эбонитовой палочке они не перемещались, в противном случае при касании её рукой она бы разряжалась. Из этого следует, что существуют вещества, по которым заряды могут перемещаться, и вещества, по которым заряды не могут перемещаться.

Первый класс веществ называют проводниками. Хорошими проводниками являются металлы. Это связано с тем, что в металлах существуют электроны, слабо связанные с ядром атома и имеющие возможность свободно перемещаться. Если поместить проводник в электрическое поле так, как это было в рассмотренном опыте с электрометром, то произойдёт разделение зарядов. Электрическое поле в проводниках создаётся и поддерживается источником тока.

Второй класс веществ называют диэлектриками. К ним относятся эбонит, стекло, пластмассы и пр. В диэлектрике нет свободных зарядов. Если внести диэлектрик в электрическое поле, то нейтральный атом в нём примет определённую ориентацию, однако никакого перемещения зарядов не произойдет.

Схема «Проводники и диэлектрики»

Конспект урока «Электрическое поле. Проводники и диэлектрики».

Следующая тема: «Постоянный электрический ток».

Оцените статью:

Сведения о проводниках, диэлектриках, сверхпроводимости, что такое заземляющий проводник

Понятия проводников и диэлектриков получили широкое распространение в связи с использованием электроэнергии. Их суть заключается в различном поведении в электрическом поле и в отношении переноса электрических зарядов. Если не рассматривать идеальные случаи, то граница между проводниками и диэлектриками несколько размыта. При определенных условиях вещество, являющееся проводником, может проявить свойства диэлектрика и наоборот.

Проводники и изоляторы

Проводники

К проводникам относятся вещества, которые способны оказывать наименьшее сопротивление протекающему току. Поскольку электрический ток, например, передаваемый по проводам, представляет собой движение заряженных частиц под действием электрического поля, то проводимость обеспечивается наличием достаточного их количества. Носителями могут выступать:

  • Электроны;
  • Ионы.

Если принять верхнюю границу удельного сопротивления проводников 10-5 Ом·м, то к ним относятся металлы, растворы солей, ионизированный газ (плазма).

Разряд плазмы в тиратроне

Большинство металлов являются хорошими проводниками. Наилучшим проводником является серебро.

Проводники электрического тока, у которых носителями заряда являются электроны, а это, в основном, твердые вещества, в том числе и металлы, относятся к проводникам первого рода. Те вещества, у которых проводимость обеспечивается при помощи ионов (растворы, плазма), относятся к проводникам второго рода.

Такой элемент, как углерод, имея разную структуру, проявляет двоякие свойства. Так, в виде графита или угля он является хорошим проводником, а алмаз – практически идеальным изолятором.

Проводимость большинства веществ сильно зависит от посторонних примесей. Самый простой пример – вода. В зависимости от степени очистки, удельное сопротивление воды может изменяться в десятки и сотни раз. Проводимость воды вызвана наличием ионов при электролитической диссоциации растворенных примесей. Очищенная вода (дистиллят) обладает свойствами диэлектрика.

Свойство воды изменять сопротивление в различных условиях следует учитывать при монтаже заземлителей, поскольку проводящие свойства грунта во многом зависят от наличия в нем влаги и солей. Заземляющие проводники, выполняющие свои функции в обычную погоду, в период засухи или полного промерзания грунта у заземляемых конструкций практически полностью теряют свои функции. Наоборот, те устройства, которые заземлились в неблагоприятных условиях: в засуху или мороз, при обычной погоде многократно повышают безопасность.

Заземление

Диэлектрики

В отличие от проводников, диэлектрики не проводят электроток, то есть являются изоляторами. Принято относить к диэлектрикам материалы, у которых удельное электрическое сопротивление составляет 108 Ом·м и выше.

Диэлектрики характеризуются большим количеством параметров, которые имеют различную степень важности, в зависимости от области применения. До начала развития электроники диэлектрики использовались, в подавляющем большинстве, в качестве изоляционных материалов. В данной области основным параметром диэлектриков являлось их удельное сопротивление, пробивное напряжение (электрическая прочность).

Остальные параметры относятся к физико-химическим свойствам:

  • Плотность;
  • Прочность;
  • Температура плавления;
  • Гигроскопичность.

Последний параметр важен тем, что наличие влаги в составе материала резко снижает удельное сопротивление и в определенных условиях может перенести хороший диэлектрик в область проводников (сухая древесина – влажная древесина).

Диэлектрические перчатки

Диэлектрики, работающие в цепях с высокочастотным током, классифицируются по:

  • Диэлектрической проницаемости;
  • Тангенсу угла потерь.

Данные характеристики являются основополагающими при изготовлении конденсаторов.

Ряд уникальных свойств присутствует только у диэлектриков и позволяет конструировать на их основе радиоэлектронные компоненты специального назначения. Это такие свойства, как:

  • Пьезоэлектричество;
  • Сегнетомагнетизм;
  • Сегнетоэлектричество;
  • Пироэлектричество;
  • Электретность.

Пьезоэлектрический излучатель

Основное назначение диэлектриков, как изоляционных материалов – предохранение утечек тока и предотвращение несчастных случаев и аварий. Данные мероприятия зачастую дублируют, устанавливая заземляющие проводники, которые отводят нежелательный потенциал на корпусе аппаратуры на заземление.

Полупроводники

Данный класс веществ занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Полупроводники характеризуются сильной зависимостью проводимости от концентрации примесей, причем, в отличие от проводников, проводимость может иметь иную природу. Все зависит от того, каким образом атомы примесей встраиваются в кристаллическую решетку исходного вещества.

Если в металлах и жидкостях ток вызван движением свободных электронов или ионов, то в полупроводниках для высвобождения свободных электронов требуется некоторая энергия, поэтому при повышении температуры проводимость полупроводников увеличивается, а при понижении они начинают приобретать свойства диэлектриков. Увеличение сопротивления объясняется отсутствием свободных носителей заряда при низких температурах. Еще одна особенность – наличие «дырочной проводимости». Дырка – это виртуальный положительный заряд, вызванный отсутствием электрона в оболочке атома. Электрон с соседней оболочки может занять это место, и тогда получится, что положительный заряд сместится на его место. К полупроводниковым материалам неприменима формула сопротивления проводников.

К наиболее известным полупроводниковым материалам относятся кремний, германий, галлий, индий, селен. В настоящее время в основном только кремний и германий используются в чистом виде, а во многих областях электроники находят применение сложные полупроводники, которые представляют собой химические соединения: арсенид галлия, сульфид цинка и другие.

Монокристалл германия

Сверхпроводимость

Некоторые вещества, охлажденные до температуры вблизи абсолютного нуля, скачкообразно теряют свое сопротивление току, которое не просто уменьшается, а исчезает полностью. При этом длина проводника может иметь абсолютно любое значение, ограниченное только объемом охлаждающего сосуда. Открытие данного явления положило начало изучению сверхпроводимости и путям его практического использования. Основным препятствием широкому распространению сверхпроводящих материалов являются большие затраты на создание и поддержку низких температур в диапазоне единиц градусов Кельвина (температура жидкого гелия).

В результате исследований созданы материалы, которым свойственна высокотемпературная сверхпроводимость. Температура перехода в сверхпроводящее состояние у таких веществ составляет уже десятки и сотни градусов Кельвина, что позволяет использовать более дешевый сжиженный азот вместо дорогостоящего гелия.

Высокотемпературные сверхпроводники нашли распространение при изготовлении мощных электромагнитов ускорителей частиц. Изготовление источников электромагнитного поля из традиционной меди затрудняется ввиду огромных токов, которые вызывают нагрев обмоток.

Сверхпроводящий материал, не имея сопротивления, не подвержен тепловому действию тока и может коммутировать любую мощность.

Для сверхпроводников характерен эффект Мейснера, который заключается в том, что линии внешнего магнитного поля выталкиваются за пределы сверхпроводника, и внутри его магнитное поле отсутствует.

Сверхпроводящий кабель

Как уже говорилось, проводники и диэлектрики не всегда имеют четкую границу между собой, поэтому для различных сфер применения оговариваются  пределы проводимости для отдельных веществ и материалов с учетом условий применения. Следует учитывать, что многие диэлектрики, оказывающие большое сопротивление постоянному току, могут работать совсем иначе, когда к ним приложено переменное напряжение.

Видео

Оцените статью:

Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики. Большая энциклопедия нефти и газа

При появлении в нашей жизни электричества, мало кто знал о его свойствах и параметрах, и в качестве проводников использовали различные материалы, было заметно, что при одной и той же величине напряжения источника тока на потребителе было разное значение напряжения. Было понятно, что на это влияет вид материала применяемого в качестве проводника. Когда ученные занялись вопросом по изучению этой проблемы они пришли к выводу, что в материале носителями заряда являются электроны. И способность проводить электрический ток обосабливается наличием свободных электронов в материале. Было выяснено, что у некоторых материалов этих электронов большое количество, а у других их вообще нет. Таким образом существуют материалы, которые , а некоторые не обладают такой способностью.
Исходя из всего выше сказанного, все материалы поделились на три группы:

  • проводники;
  • полупроводники;
  • диэлектрики;

Каждая из групп нашла широкое применение в электротехнике.

Проводники

Проводниками являются материалы, которые хорошо проводят электрический ток, их применяют для изготовления проводов, кабельной продукции, контактных групп, обмоток, шин, токопроводящих жил и дорожек. Подавляющее большинство электрических устройств и аппаратов выполнена на основе проводниковых материалов. Мало того, скажу, что вся электроэнергетика не могла б существовать не будь этих веществ. В группу проводников входят все металлы, некоторые жидкости и газы.

Так же стоит упомянуть, что среди проводников есть супер проводники, сопротивление которых практически равно нулю, такие материалы очень редки и дороги. И проводники с высоким сопротивлением — вольфрам, молибден, нихром и т.д. Такие материалы используют для изготовления резисторов, нагревательных элементов и спиралей осветительных ламп.

Но львиная доля в электротехнической сфере принадлежит рядовым проводникам: медь, серебро, алюминий, сталь, различные сплавы этих металлов. Эти материалы нашли самое широкое и огромное применение в электротехнике, особенно это касается меди и алюминия, так как они сравнительно дешевы, и их применение в качестве проводников электрического тока наиболее целесообразно. Даже медь ограничена в своем использовании, её применяют в качестве обмоточных проводов, многожильных кабелях, и более ответственных устройствах, еще реже встречаются медные шинопроводы. А вот алюминий считается королем среди проводников электрического тока, пускай он обладает более высоким удельным сопротивлением чем медь, но это компенсируется его весьма низкой стоимостью и устойчивостью к коррозии. Он широко применяется в электроснабжении, в кабельной продукции, в воздушных линиях, шинопроводах, обычных проводах и т.д.

Полупроводники

Полупроводники , что-то среднее между проводниками и полупроводниками. Главной их особенностью является их зависимость проводить электрический ток от внешних условий. Ключевым условием является, наличие различных примесей в материале, которые как раз-таки обеспечивают возможность проводить электрический ток. Так же при определенной компоновку двух полупроводниковых материалов. На основе этих материалов на данный момент, произведено множество полупроводниковых устройств: , светодиоды, транзисторы, семисторы, тиристоры, стабисторы, различные микросхемы. Существует целая наука, посвященная полупроводникам и устройствам на их основе: электронная техника. Все компьютеры, мобильные устройства. Да что там говорить, практически вся наша техника содержит в себе полупроводниковые элементы.

К полупроводниковым материалам относят: кремний, германий, графит, графен, индий и т.д.

Диэлектрики

Ну и последняя группа материалов, это диэлектрики , вещества не способные проводить электрический ток. К таким материалам относят: дерево, бумага, воздух, масло, керамика, стекло, пластмассы, полиэтилен, поливинилхлорид, резина и т.д. Диэлектрики получили широкое применение благодаря своим качествам. Их применяют в качестве изолирующего материала. Они предохраняют соприкосновение двух токоведущих частей, не допускают прямого прикосновения человека с этими частями. Роль диэлектриком в электротехнике не менее важна чем роль проводников, так как обеспечивают стабильную, безопасную работу всех электротехнических и электронных устройств. У всех диэлектриков существует предел, до которого они не способны проводить электрический ток, его называют пробивным напряжением. Это такой показатель, при котором диэлектрик начинает пропускать электрический ток, при этом происходит выделение тепла и разрушение самого диэлектрика. Это значение пробивного напряжения для каждого диэлектрического материала разное и приведено в справочных материалах. Чем он выше, тем лучше, надежней считается диэлектрик.

Параметром, характеризующим способность проводить электрический ток является удельное сопротивление R , единица измерения [ Ом ] и проводимость , величина обратная сопротивлению . Чем выше этот параметр, тем хуже материал проводит электрический ток. У проводников он равен от нескольких десятых, до сотен Ом. У диэлектриков сопротивление достигает десятков миллионов ом.

Все три вида материалов нашли широкое применение в электроэнергетике и электротехнике. А так же тесно взаимосвязаны друг с другом.

Каждый человек, постоянно пользуясь электроприборами, сталкивается с со свойствами электропроводности, а именно:

Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики:

1. проводники — которые пропускают электрический ток;

2. диэлектрики — обладают изоляционными свойствами;

3. полупроводники — сочетают в себе характеристики первых двух типов веществ и изменяют их в зависимости от приложенного управляющего сигнала.

К проводникам относят те вещества, которые имеют в своей структуре большое количество свободных, а не связанных электрических зарядов, способных начинать движение под воздействием приложенной внешней силы. Они могут быть в твердом, жидком или газообразном состоянии.Самыми отличными проводниками электрического тока являются металлы. Растворы солей и кислот, влажная почва, тела людей и животных — также хорошие проводники электрических зарядов.

Если взять два проводника, между которыми образована разность потенциалов и подключить внутри них металлическую проволоку, то сквозь нее потечет электрический ток. Его носителями станут свободные электроны, не удерживаемые связями атомов. Они характеризуют величину электрической проводимости или способность любого вещества пропускать через себя электрические заряды — ток.

Значение электрической проводимости обратно пропорционально сопротивлению вещества и измеряется соответствующей единицей: сименсом (См).

1 См=1/1 Ом.

В природе носителями зарядов могут быть:

электроны;

ионы;

дырки.

По этому принципу электропроводность подразделяют на:

электронную;

ионную;

дырочную.

Качество проводника позволяет оценить зависимость протекающего в нем тока от значения приложенного напряжения. Ее принято называть по обозначению единиц измерения этих электрических величин — вольтамперной характеристикой.

Проводники с электронной проводимостью (проводники 1-го рода)

Наиболее распространенным представителем этого типа являются металлы. У них электрический ток создается исключительно за счет перемещения потока электронов.

При прохождении электрического тока через металлические проводники не изменяются ни их масса, ни их химический состав. Следовательно, атомы металлов не участвуют в переносе электрических зарядов. Исследования природы электрического тока в металлах показали, что перенос электрических зарядов в них осуществляется только электронами.

Внутри металлов они находятся в двух состояниях:

связанные силами атомного сцепления;

свободные.

Электроны, удерживаемые на орбите силами притяжения ядра атома, как правило, не участвуют в создании электрического тока под действием внешних электродвижущих сил. Иначе ведут себя свободные частицы.

Если к металлическому проводнику не приложена ЭДС, то свободные электроны движутся хаотически, беспорядочно, в любых направлениях. Такое их перемещение обусловлено тепловой энергией. Оно характеризуется различными скоростями и направлениями перемещения каждой частицы в любой момент времени.

Когда к проводнику приложена энергия внешнего поля с напряженностью Е, то на все электроны вместе и каждый в отдельности действует сила, направленная противоположно действующему полю. Она создает строго ориентированное движение электронов, или другим словами — электрический ток.

Вольтамперная характеристика металлов представляет собой прямую линию, укладывающуюся в действие закона Ома для участка и полной цепи.

Кроме чистых металлов электронной проводимостью обладают и другие вещества. К ним относят:

сплавы;

отдельные модификации углерода (графит, уголь).

Все вышеперечисленные вещества, включая металлы, относят к проводникам 1-го рода . У них электропроводность никоим образом не связана с переносом массы вещества за счет прохождения электрического тока, а обусловливается только движением электронов.

Если металлы и сплавы поместить в среду сверхнизких температур, то они переходят в состояние сверхпроводимости.

Проводники с ионной проводимостью (проводники 2-го рода)

К этому классу относятся вещества, у которых электрический ток создается за счет движения зарядов ионами. Они классифицируются как проводники второго рода.

растворы щелочей, кислот солей;

расплавы различных ионных соединений;

различные газы и пары́.

Электрический ток в жидкости

Проводящие электрический ток жидкие среды, в которых происходит электролиз — перенос вещества вместе с зарядами и осаждение его на электродах, принято называть электролитами, а сам процесс — электролизом.

Он происходит под действием внешнего энергетического поля за счет приложения положительного потенциала к электроду-аноду и отрицательного — к катоду.

Ионы внутри жидкостей образуются за счет явления электролитической диссоциации, которая заключается в расщеплении части молекул вещества, обладающих нейтральными свойствами.

Под действием приложенного напряжения к электролиту катионы начинают двигаться строго к катоду, а анионы — к аноду. Таким способом получают химически чистую, без примесей медь, которая выделяется на катоде.

Кроме жидкостей в природе существуют еще твердые электролиты. Их называют суперионными проводниками (супер-иониками), обладающими кристаллической структурой и ионной природой химических связей, обусловливающую высокую электропроводность за счет движения ионов одного типа.

Проводники с дырочной проводимостью

К ним относятся:

германий;

селен;

кремний;

соединения отдельных металлов с теллуром, серой, селеном и некоторыми органическими веществами.

Они получили название полупроводников и относятся к группе №1, то есть не образуют переноса вещества при протекании зарядов. Для увеличения концентрации свободных электронов внутри них необходимо потратить дополнительную энергию на отрыв связанных электронов. Она получила название энергии ионизации.

В составе полупроводника работает электронно-дырочный переход. За счет его полупроводник пропускает ток в одном направлении и блокирует в обратном, когда к нему приложено противоположное внешнее поле.

Структура полупроводника

Проводимость у полупроводников бывает:

1. собственной;

2. примесной.

Первый тип присущ конструкциям, у которых в процессе ионизации атомов своего вещества появляются носители зарядов: дырки и электроны. Их концентрация взаимно уравновешена.

Электроскоп — это простейший прибор для обнаружения электрических зарядов и приблизительного определения их величины.

Простейший школьный электроскоп изображён на рисунке. В нём металлический стержень (3) с листочками (4) пропущен через пластмассовую пробку (5) (втулку), вставленную в металлический корпус (1). Корпус с обеих сторон закрыт стёклами (2).

Если к положительно заряженному электроскопу поднести тело, заряженное таким же знаком, как электроскоп, то его листочки разойдутся сильнее.

Обрати внимание!

Приближая к электроскопу тело, заряженное противоположным по знаку зарядом, заметим, что угол между листочками электроскопа уменьшится.

Таким образом, заряженный электроскоп позволяет обнаружить, каким зарядом наэлектризовано то или иное тело.

По отклонению листочков электроскопа можно определить также, увеличился или уменьшился его заряд. Чем больше угол, на который разойдутся листочки электроскопа при его электризации, тем сильнее он наэлектризован. Значит, тем больший электрический заряд на нём находится.

Существует ещё один вид электроскопа — электрометр .

В нём вместо лепестков на металлическом стержне укреплена стрелочка. Она, заряжаясь от стержня, отталкивается от него на некоторый угол.

По способности передавать электрические заряды вещества делятся на проводники, полупроводники и непроводники электричества.

Проводниками называют тела, через которые электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Хорошие проводники электричества — это металлы, почва, вода с растворёнными в ней солями, кислотами или щелочами, графит. Тело человека также проводит электричество. Это можно обнаружить на опыте. Дотронемся до заряженного электроскопа рукой. Листочки тотчас опустятся. Заряд с электроскопа уходит по нашему телу через пол комнаты в землю.
Из металлов лучшие проводники электричества — серебро, медь, алюминий.

Непроводниками называют такие тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Непроводниками электричества, или диэлектриками, являются эбонит, янтарь, фарфор, резина, различные пластмассы, шёлк, капрон, масла, воздух (газы). Изготовленные из диэлектриков тела называют изоляторами.

Полупроводниками называют тела, которые по способности передавать электрические заряды занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

К полупроводникам относятся кремний, германий, селен и др. У полупроводников способность проводить электрические заряды резко увеличивается при повышении температуры.

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.

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.

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.

Проводниками электрического тока могут быть совсем разные вещества. Например, и кусок металлической проволоки, и морская вода являются электропроводниками. Но электроток в них различен по своей природе. Поэтому они разделены на две группы:

  • первого рода с проводимостью, основанной на электронах;
  • второго рода с проводимостью, основанной на ионах.

Электропроводники первого рода это все металлы и углерод. Представителями второго рода являются кислоты, щёлочи, растворы и расплавы солей, которые называют «электролитами».

  • Ток в проводниках течёт при любых значениях напряжения и прямо пропорционален величине напряжения.

Наилучшими электропроводниками при обычных условиях являются серебро, золото, медь и алюминий. Медь и алюминий наиболее широко используются для изготовления различных проводов и кабелей из-за более низкой цены. Хорошим жидким проводником первого рода является ртуть. Хорошо проводит электрический ток и углерод. Но из-за отсутствия гибкости его применение невозможно. Однако созданная относительно недавно форма углерода графен позволяет изготавливать нити и шнуры из нитей.

Но графеновые шнуры имеют сопротивление, которое для токопроводов является недопустимо большим. Поэтому их используют в электронагревателях. В этом качестве графеновый шнур превосходит металлические проволочные аналоги на основе сплава никеля и хрома, поскольку может обеспечить более высокую температуру. Аналогичным образом используются проволочные электропроводники из вольфрама. Из них изготовлены спирали ламп накаливания и электроды газоразрядных ламп. Вольфрам является самым тугоплавким электропроводником.

Процессы в проводниках

Электрический ток, протекающий в проводнике, оказывает на него определённые воздействия. В любом случае происходит увеличение температуры. Но возможны также и химические реакции, которые приводят к изменению физических и химических свойств. Наибольшим изменениям подвержены электропроводники второго рода. Электрический ток в них вызывает электрохимическую реакцию, называемую электролизом.

В результате ионы проводника второго рода получают вблизи электрических полюсов необходимые заряды и восстанавливаются до состояния, которое было до появления кислоты, щёлочи или соли. Электролиз широко используется для получения многих чистых химических веществ из природного сырья. Способом электролиза расплавов получают чистый алюминий и некоторые другие металлы.

Проводники первого и второго рода могут не только проводить электрический ток при подаче на них внешнего напряжения. При взаимодействии, например свинца с кислотой, то есть проводника первого рода с проводником второго рода, возникает электрохимическая реакция, обеспечивающая выделение электрической энергии. На этом основано устройство аккумуляторов .

Электропроводники первого рода также могут изменяться при контакте друг с другом. Например, контакт медного и алюминиевого проводника является плохим решением без специального покрытия его. Влажности воздуха оказывается достаточно для разрушения в месте контакта электрохимической реакцией. Поэтому рекомендуется защищать подобные соединения лаком или аналогичными веществами.

У некоторых проводников первого рода при значительном охлаждении возникает особое состояние, пребывая в котором они не оказывают электрическому току сопротивление. Это явление называется сверхпроводимостью. Классическая сверхпроводимость соответствует значению температуры, близкой к состоянию жидкого гелия. Однако по мере выполнения исследований обнаружились новые сверхпроводники с более высокими значениями температуры.

  • Экономически оправданное использование сверхпроводимости является одной из приоритетных целей современной энергетики.

Электрический ток может течь не только в проводниках первого и второго рода. Есть ещё полупроводники и газы, которые так же проводят электроток. Но это уже совсем другая история…

Проводники, полупроводники и диэлектрики — материалы для изучения морской инженерии

Физические свойства твердых тел и их электрические свойства определяются степенью заполнения энергетических зон, а не их образованием. С этой точки зрения все кристаллические тела можно разделить на две разные группы.

Проводников

К первой группе относятся вещества, имеющие частично заполненную полосу в своем энергетическом спектре над полностью заполненными энергетическими полосами.Как упоминалось выше, частично заполненная полоса наблюдается в щелочных металлах, верхняя полоса которых образована незаполненными атомными уровнями, а также в щелочноземельных кристаллах. Все вещества, относящиеся к этой группе, являются проводниками.

Полупроводники и диэлектрики

Вторая группа — это вещества с абсолютно пустыми полосами над полностью заполненными полосами. В эту группу также входят кристаллы с ромбовидной структурой, такие как кремний, германий, серое олово и сам алмаз. В эту вторую группу входят полупроводники и диэлектрики.Самая верхняя заполненная зона в этих кристаллах называется валентной зоной, а первая пустая зона над ней — зоной проводимости. Верхний уровень валентной зоны называется вершиной валентной зоны и обозначается Wv. Самый нижний уровень зоны проводимости называется дном зоны проводимости и обозначается Wc.

Разделение на полупроводники и диэлектрики весьма условно и определяется шириной Wg запрещенной запрещенной зоны, отделяющей полностью заполненную зону от пустой.Вещества с шириной запрещенной зоны Wg <2 эВ относятся к подгруппе полупроводников. Германий (Wg »0,7 эВ), кремний (Wg» 1,2 эВ), арсенид галлия (Wg »1,5 эВ) и антимонид индия (Wg» 0,2 эВ) являются типичными полупроводниками. Вещества, для которых Wg> 3 эВ, относятся к диэлектрикам. К хорошо известным диэлектрикам относятся корунд (Wg »7 эВ), алмаз (Wg» 5 эВ). Нитрид бора (W г »4,5 эВ) и другие.

Приложения

Проводники, такие как медь и алюминий, используются для передачи электрического тока различной мощности.Их выбирают исходя из допустимого падения напряжения на концах проводника при заданном токе.

Полупроводники используются в производстве многих электронных устройств, таких как диоды, биполярные транзисторы, полевые транзисторы, КМОП ИС и т. Д. Внешние полупроводники легируют для изготовления полупроводников n-типа и p-типа, которые используются в производстве этих устройств.

Диэлектрики и изоляторы используются там, где недопустимая проводимость. Они используются как изолирующие опоры для токоведущих проводов.Сверхпроводник при комнатной температуре — это еще не открытый материал, который мог бы проявлять сверхпроводящие свойства при температурах выше 0 ° C (273,15 K). Это, конечно, не является, строго говоря, «комнатной температурой» (20–25 ° C), однако ее можно достичь очень дешево.

С момента открытия высокотемпературных сверхпроводников несколько материалов были заявлены как сверхпроводники при комнатной температуре. В каждом случае независимое расследование быстро доказало ложность этих утверждений.В результате большинство физиков конденсированных сред сейчас с крайним скептицизмом приветствуют любые дальнейшие заявления такого рода.

Связанные сообщения

  • 29 апреля 2014 г. Контрольный список для навигации в неблагоприятных погодных условиях
  • 8 мая 2014 г. Загрязнение турбонагнетателей
  • 30 сентября 2015 г. Установка биологической вакуумной очистки сточных вод на судах
  • 11 декабря 2015 г. Вибрации турбокомпрессора — морское машиностроение
  • 27 ноября 2015 г. Расследование по поводу того, что главный двигатель не поддерживает рабочую скорость
  • 30 апреля 2014 г. Продувка котла на кораблях
  • 2 мая 2014 г. Принцип работы и детали генератора постоянного тока
  • 29 апреля 2014 г. Бортовая форма ознакомления
  • 6 июля 2014 г. Проверка прижимных болтов и методы, используемые для проверки герметичности
  • 5 октября 2015 г. Контроль или регулирование производительности холодильного компрессора на кораблях

Физика твердого тела — Как металл и изолятор могут иметь высокие диэлектрические постоянные, но один из них является проводящим, а другой изолирующим?

Привет.

Сначала я объясню, что диэлектрическая постоянная равна , так как я думаю, что вы можете немного запутаться. Затем я отвечу на вопрос, почему мы говорим, что у металлов бесконечная диэлектрическая проницаемость.

Надеюсь, вы знакомы с конденсаторами с параллельными пластинами и емкостью, поскольку я думаю, что это самый простой способ понять это. По крайней мере, здесь я впервые узнал о диэлектрической проницаемости. Если вы не знакомы с емкостью, я предлагаю вам взглянуть на это раньше, а затем вернуться — мой ответ в значительной степени зависит от этого.

Надеюсь, это поможет!


Прежде всего, что такое «диэлектрическая проницаемость»?

Это число, которое определяет емкость конденсатора с параллельными пластинами. масштабируется, когда вы помещаете какой-либо материал между двумя пластинами.

Но это определение суперскучно и не дает никакой физической интуиции .

Почему емкость конденсатора изменяется в первую очередь, когда мы помещаем какой-либо материал между его пластинами?

Должен быть более глубокий ответ.

То, что на самом деле измеряет диэлектрическая проницаемость, — это , насколько поляризуемые атомы в материале находятся под влиянием электрического поля.

Если это предложение не имело никакого смысла, не волнуйтесь! Я объясню.

Когда вы помещаете материал в электрическое поле (то есть между двумя противоположно заряженными пластинами конденсатора с параллельными пластинами) , электроны внутри материала будут стремиться двигаться против электрического поля (к положительно заряженной пластине).

Однако для таких материалов, как резина или стекло, электроны слишком сильно связаны со своими соответствующими атомами, чтобы двигаться далеко, не возвращаясь на место. Они только немного сдвинутся. Это смещение создаст крошечный кусочек электрического поля, которое противодействует электрическому полю между параллельными пластинами конденсатора и, таким образом, уменьшит общее электрическое поле между пластинами на некоторую постоянную. Назовем эту константу величиной уменьшения электрического поля между пластинами на $ p $.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ ПОСТОЯННАЯ ЯВЛЯЕТСЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ $ p $. — Просто продолжайте читать, чтобы понять, почему.

Вот изображение поляризации:

Теперь, как это связано с «… числом, на которое емкость масштабируется на …» ?

Допустим, у нас есть конденсатор с параллельными пластинами с зарядом $ Q $ на пластинах, создающих между ними напряжение $ V $.

Теперь поместим диэлектрик между двумя пластинами.Когда мы это делаем, величина электрического поля между конденсаторами с параллельными пластинами масштабируется в $ p $ раз (обратите внимание, что $ p <1 $) из-за противоположного электрического поля, вызванного поляризацией атомов внутри диэлектрика.

Напряжение между двумя пластинами равно электрическому полю между двумя пластинами, умноженному на расстояние между ними. Расстояние не изменилось. Следовательно, напряжение между двумя пластинами будет масштабировано той же константой: $ p $.

Однако заряд на пластинах не изменился. Тот же заряд $ Q $ на пластинах, который раньше вызывал напряжение $ V $, теперь вызывает меньшее напряжение: $ pV $.

Таким образом, емкость конденсатора изменится с $ \ frac {Q} {V} $ на $ \ frac {1} {p} \ frac {Q} {V} $. Другими словами, он будет разделен на $ p $ или , умноженный на $ \ frac {1} {p} $ .

$ \ frac {1} {p} $ — диэлектрическая проницаемость материала, который мы застряли между пластинами.Обычно мы называем эту константу $ k $.

Если ваш конденсатор подключен к батарее, вместо того, чтобы рассматривать диэлектрическую проницаемость как обратную величину коэффициента, на который напряжение между пластинами масштабируется, когда мы вставляем материал между ними, вы вместо этого должны рассматривать его как Фактор увеличения заряда пластин. Подумайте об этом!


Теперь о металлах и их бесконечной емкости:

Когда мы помещаем металлический блок между двумя параллельными пластинами с противоположным зарядом (создавая между ними почти постоянное электрическое поле), свободные заряды (электроны) внутри металла будут перемещаться под действием электрического поля.

В непроводящих материалах свободных зарядов не было, поэтому и появилась поляризация.

Заряды будут перемещаться к поверхности металлического блока — отрицательные заряды в сторону, более близкую к положительно заряженной пластине, и положительные заряды в сторону, более близкую к отрицательно заряженной пластине (другими словами, некоторые электроны покинут одну сторону от положительно заряженной пластины). металлический блок и некоторые другие электроны распространятся по другой стороне металлического блока) .

Это будет продолжаться до тех пор, пока плотность заряда на поверхности каждой стороны металлического блока не станет равной плотности заряда на пластине конденсатора, которая находится ближе всего к противоположной по знаку стороне. Когда эта плотность заряда достигается, электрическое поле внутри металлического блока становится равным нулю, и электроны не имеют причины продолжать движение.

Здесь вы, наверное, уже видели подобное изображение раньше, на котором показаны линии поля, заканчивающиеся на одной стороне металла и выходящие из другой:

Причина, по которой силовые линии заканчиваются на поверхности металлов в электрических полях, заключается именно в том, что я сказал выше — заряды внутри металлов могут свободно перемещаться, и они будут делать это до тех пор, пока в металле не исчезнет чистое поле.

Металлический блок снизит напряжение между пластинами. Как?

Величина электрического поля в промежутках между металлическим блоком и пластинами не изменилась, но внутри металлического блока нет электрического поля .

Помните определение напряжения? Это произведение электрического поля и расстояния.

Ну, теперь это просто , как будто мы уменьшили расстояние между пластинами , так как часть пространства между пластинами , пространство, заполненное металлом , не будет иметь внутри электрического поля.

Итак, как и в случае с поляризуемым диэлектрическим материалом, который уменьшал напряжение за счет уменьшения электрического поля между пластинами, металл уменьшал напряжение, не только уменьшая электрическое поле, но и доводя его до нуля на участке пространства между пластинами. две тарелки.

Скажем, на исходных обкладках конденсатора было напряжение $ V_0 $ и расстояние между ними $ d $, и мы вставляем между двумя пластинами металлический блок толщиной $ t $, затем новое напряжение (при условии, что мы этого не сделаем). позволить изменению плотности заряда на пластинах конденсатора) будет $ V_1 = V_0 (1- \ frac {t} {d}) $.

(Я оставлю это в качестве упражнения, чтобы вы убедились в этом… это не должно быть слишком сложно.)

Если $ t $ действительно близко к $ d $, напряжение между пластинами приближается к нулю (и если $ t = d $, то металлический блок касается обоих листов, а конденсатор просто превратился в отрезок провода. с очень толстой площадью поперечного сечения — просто проигнорируйте этот сценарий).

Используя другие непроводящие (изолирующие) материалы, мы могли бы заполнить пространство между пластинами, и, конечно же, поляризация атомов внутри материалов уменьшила бы величину электрического поля внутри пластин на некоторую константу и, таким образом, уменьшила бы разность напряжений между пластинами (вызывающая увеличение емкости конденсатора, так как теперь с уменьшенным электрическим полем такое же количество заряда на пластинах вызывает меньшее напряжение…блаблабла, как я объяснил вверху).

Но поскольку у металлов есть свободные электроны , если мы поместим металлический блок между двумя противоположно заряженными пластинами, он не будет просто частично блокировать электрическое поле — он полностью заблокирует его в пространстве внутри металл!

Вот почему мы говорим, что у металлов бесконечная диэлектрическая проницаемость — они не просто поляризуют и немного блокируют электрическое поле — они делают это полностью!

Надеюсь, что это помогло!

Диэлектрический-полупроводниковый интерфейс — обзор

24.2.1 Малые молекулы

Среди OSC фталоцианины ( шт. ) обладают особенно хорошей термической и химической стабильностью. Лаурс и Хейланд изготовили устройства на основе различных фталоцианинов, чтобы изучить их реакцию на окисляющие газы. Эта работа предшествует терминологии «транзисторы», применяемой к устройствам на базе OSC. Текущие изменения наблюдались в ответ на окисляющие газы (Laurs and Heiland, 1987). Добавление сильной кислоты Льюиса, трис- (пентафторфенил) борана (TPFB) к полупроводниковому слою CuPc или CoPc может снизить подвижность OFET, а также действовать как рецептор аммиака (NH 3 ); оба эти действия могут увеличить чувствительность к NH 3 .Используя эту стратегию, высокая чувствительность к NH 3 была достигнута с помощью OFET (Huang et al., 2012).

Слои фталоцианина можно сделать тоньше, нанеся их методом Ленгмюра-Блоджетт (Лу и др., 1994; Гранито и др., 1996; Ху и др., 2000) или приготовив наноструктурированный полупроводник (Ким и др., 2011; Чжан и Ху, 2009). Нанопроволоки CuPc использовались в газо-диэлектрическом датчике на полевых транзисторах для обнаружения молекул диоксида серы (SO 2 ) (рис. 24.4A) (Shaymurat et al., 2013).С одной стороны, поверхности нанопроволоки CuPc могут подвергаться воздействию молекул SO 2 , что частично отвечает за резко улучшенные чувствительные свойства. С другой стороны, полярные молекулы SO 2 могут напрямую взаимодействовать с мелкими ловушками на границе OSC / диэлектрик, вызывая значительно увеличенные I на и подвижность (рис. 24.4B). Большое увеличение подвижности (от 0,005 до 0,05 см 2 / В · с при 20 ppm) отличается от более частого случая использования V th для обнаружения газов.

Рис. 24.4. (A) Схема газодиэлектрического датчика OFET на основе монокристаллических нанопроволок CuPc. (B) Параметр изменяется с увеличением концентрации SO 2 , извлеченной из кривых переноса.

Перепечатано с разрешения Shaymurat, T., Tang, Q., Tong, Y., et al. 2013. Газовый диэлектрический транзистор из монокристаллической нанопроволоки CuPc для обнаружения SO₂ до уровней ниже ppm при комнатной температуре. Adv. Матер. 25 (16), 2269–2273. Авторское право 2013 Wiley.

Обработка поверхности диэлектриком может изменить межфазную плотность ловушек транзисторов (Salleo et al., 2002). Недавно Marks et al. сообщили о зондировании диоксида азота (NO 2 ) на основе транзистора CuPc с полимерным диэлектриком затвора, обработанным ультрафиолетовым озоном (UVO) (Huang et al., n.d.). NO 2 может диффундировать через границы зерен CuPc и поглощаться кислородсодержащими группами на поверхности полистирола, обработанного UVO. Подвижность устройств увеличивается с увеличением времени обработки УФО с увеличением концентрации NO 2 . Например, подвижность незначительно увеличивается по сравнению с ее первоначальным значением при воздействии 30 ppm NO 2 без обработки UVO, в то время как она удваивается при обработке UVO в течение 300 с при той же экспозиции, указывая на то, что при обработке UVO создаются мелкие ловушки.

Морфология OSC пентацена легко регулируется, что позволяет настраивать компромисс между чувствительностью и стабильностью (Han et al., 2014). Маллиарас (Zhu et al., 2002) приготовил OFET с пентаценом, для которых ток насыщения уменьшался с увеличением влажности. Например, подвижность падает до 9 × 10 — 4 см 2 / В · с после 30-минутного воздействия относительной влажности (RH) 72%. Размер зерен пентацена сильно зависит от диэлектрического слоя, что приводит к различной плотности захвата носителей заряда на границе полупроводник-диэлектрик (Han et al., 2014; Ю. и др., 2012; Shi et al., 2017). Низкая полярность диэлектрических слоев способствует относительно меньшему размеру зерен пентацена и низкой плотности поверхностных ловушек, улучшая характеристики датчиков NH 3 .

Используя сверхтонкопленочный транзистор с многослойным пентаценом, Chao et al. увеличил чувствительность к NO 2 на три порядка по сравнению с толстослойным сенсорным устройством, потому что границы зерен были более доступными и более электронно активными (Mirza et al., 2015). Подвижность изменяется от 0,038 до 0,045 см 2 / В · с при 10 ppm NO 2 . Кроме того, ТПТ на основе пентацена могут работать в воде и при этом сохранять умеренную подвижность и соотношение включения / выключения (Cramer et al., 2012).

OFET был изготовлен для обнаружения NH 3 путем распыления бис (триизопропилсилилэтинил) пентацена (TIPS-пентацена) (осажденного из раствора, но все еще высококристаллического производного пентацена) на диэлектрик из полиметилметакрилата (ПММА). слой (Yu et al., 2013). Адсорбция NH 3 снижает ток насыщения. Средняя подвижность оригинальных устройств снижается с 0,068 до 0,05 см 2 / В с при увеличении концентрации газа NH 3 до 100 ppm. Соотношение включения / выключения также снижается с 10 4 до 10 3 . Динафто [2,3-b: 2 ‘, 3’-f] тиено [3,2- b ] тиофен (ДНТТ) можно рассматривать как аналог пентацена, в котором один бензол заменен тиено [3, 2- b ] тиофеновая группа. Хуанг и др.подготовили пористую пленку DNTT простым методом вакуумной сублимационной сушки темплатом (Lu et al., 2017). В этом случае в поры добавляется доступность анализируемых газов. Модификация структуры DNTT путем добавления боковых цепей делает это соединение пригодным для обработки в растворе. Чан и др. сообщили о монослойных кристаллах 2,9-дидецилдинафто [2,3-b: 2 ‘, 3’-f] тиено [3,2- b ] тиофена (C10-DNTT) (с солюбилизирующими алкильными цепями (Kang et al. al., 2011)) с примерной подвижностью носителей до 10,4 см 2 / В · с за счет использования нового двойного метода сдвига раствора (Peng et al., 2017). Благоприятны высокая начальная подвижность и тонкость слоев.

Олиготиофеновые материалы демонстрируют широкие возможности изменения своих электрических свойств в зависимости от границ зерен или толщины (Tian et al., 2005; Huang et al., 2008; Torsi et al., 2002). Эти вариации позволяют проектировать массивы OFET, которые по-разному реагируют на различные аналиты и создают уникальные шаблоны ответов (Crone et al., 2001). Изменяя длину канала OFET на основе α , ω -дигексил-четвертиофена (DH α 4T) на той же пленке, Katz et al.систематически скорректировал количество границ зерен на устройство и обнаружил, что зондирование паров происходит в основном на границах зерен, потому что реакция увеличивается с увеличением количества границ зерен в канале (Someya et al., 2002).

Ранний устойчивый к окружающей среде полупроводниковый диимид нафталина (NDI) типа n был описан Katz et al. (2000) с производным H, H-NDI-Ch3C7F15 ( μ = 0,1 см 2 / В · с; вкл / выкл = 10 5 ) (Katz et al., 2000a). Подвижность можно довести до 0.7 см 2 / В с с отношением включения / выключения 10 7 за счет дополнительной модификации поверхности (Katz et al., 2000b). OFET на основе прекурсора NDI, 1,4,5,8-нафталинтетракарбоновой диангидрида (NTCDA), может быть использован в качестве нового датчика O 2 и H 2 O. Этот материал типа n демонстрирует стабильную подвижность 1 × 10 — 4 см 2 / В · с с отношением включения / выключения 10 4 . Значения тока включения и отключения транзистора уменьшаются при воздействии кислорода, поскольку хемосорбированный кислород действует как глубокая ловушка для электронов (Torsi et al., 2000). NH 3 -адсорбированные производные NDI (NDI (2OD) (4tBuPh) -DTYM2) неожиданно вызывают реакцию на HCl (рис. 24.5A) (Zang et al., 2014). Такие устройства также могут быть гибкими (рис. 24.5B) (Zang et al., 2016).

Рис. 24.5. (A) Устройство устройства и чувствительный механизм. (B) Прозрачные и гибкие ультратонкие транзисторные датчики на основе тонкой пленки NDI (2OD) (4tBuPh) -DTYM2.

(A) Перепечатано с разрешения Zang, Y., Zhang, F., Huang, D., et al. 2014. Специальные и воспроизводимые газовые сенсоры, использующие газофазную химическую реакцию на органических транзисторах.Adv. Матер. 26 (18), 2862–2867. Авторские права 2014 Wiley. (B) Перепечатано с разрешения Zang, Y., Huang, D., Di, C.-A., et al. 2016. Устройство разработало органические транзисторы для гибких измерительных приложений. Adv. Матер. 28 (22), 4549–4555. Авторское право 2016 Wiley.

Тетракарбоновые диимиды перилена (PDI) представляют собой OSCs типа n , которые могут иметь подвижность, сравнимую с их аналогами типа p (Wurthner and Stolte, 2011). Добавление электроноакцепторной сопряженной нитрильной группы позволяет PTCDI-CN 2 C 12 быть высокочувствительным к молекулам NH 3 даже при воздействии воздуха в течение 14 дней (Huang et al., 2011). Снижение электропроводности, связанное с изменением либо подвижности носителей заряда μ , либо концентрации носителей заряда, наблюдалось при адсорбции O 2 , этанола, ацетона или n -бутана на производных PDI MePTCDI или Cl 4 MePTCDI (Graaf, Schlettwein, 2006). Диффузия молекул газа в объем увеличивает расстояние центров прыжка между двумя зернами, таким образом увеличивая энергетический барьер и, наконец, приводя к уменьшению μ .

Избирательность можно получить, используя упомянутую выше стратегию «массив и шаблон ответа». Группа Каца создала небольшую матрицу датчиков, объединяющую транзистор CuPc с двумя другими органическими транзисторами, чтобы распознавать восемь аналитов, анализируя направление и различные реакции изменения тока, подвижности и порогового напряжения (Huang et al., 2013). Они также изготовили транзистор с двухслойной смесью в качестве активного слоя (рис. 24.6), в котором смешанный слой смешивал гидроксилированные и негидроксилированные полупроводники в качестве верхнего слоя поверх 5,5′-бис (4-n- слой гексилфенил) -2,2′-битиофена (6PTTP6) (Huang et al., 2007). По сравнению с устройством с одним 6PTTP6 или одной смесью в качестве активного слоя, эта гетероструктура показывает более высокую чувствительность к аналиту диметилметилфосфонату (DMMP). Вместо микроструктурного эффекта, улавливающие носители заряда, диффундирующие из верхнего слоя, вероятно, проникают в проводящий канал между зернами, где адсорбируется DMMP, что улучшает характеристики восприятия. Кроме того, время отклика этих датчиков было значительно сокращено за счет уменьшения толщины пленки (Huang et al., 2008).

Рис. 24.6. Приборные структуры и молекулярные структуры полупроводников. Однослойное 6PTTP6 (устройство 1), однослойное (устройство 2) и двухслойное (устройство 3).

Перепечатано с разрешения Хуанга Дж., Мираглиотта Дж., Бекнелла А. и др. 2007. Полевые транзисторы на основе органических полупроводников с концевыми гидроксильными группами для обнаружения паров фосфонатов. Варенье. Chem. Soc. 129 (30), 9366–9376. Авторское право 2007 ACS Publishing.

Torsi et al. сообщили, что другой вид двуслойного OFET (Torsi et al., 2008), содержащие l-фенилаланиновые аминокислотные группы или β-d-глюкозидные единицы в качестве хиральных элементов во внешнем слое, могут различать оптические изомеры. Двойной гетеропереход, созданный группой Яна (Ji et al., 2013), содержал ванадилфталоцианин (VOPc), выращенный на ультратонкой гетеропереходной поверхности диимида N, N’-дифенилперилентетракарбоновой кислоты (PTCDI-Ph) и пара-гексафенила. ( с. -6P). С одной стороны, высокоупорядоченный проводящий слой гетероперехода PTCDI-Ph / p -6P улучшает транспорт носителей заряда; с другой стороны, VOPc является очень чувствительным материалом типа p к NO 2 .Эти комбинации делают относительный отклик в пять раз больше, чем у устройства с одним гетеропереходом. В другом органическом соединении p n впервые было достигнуто прямое обнаружение твердых химических аналитов с помощью OFET (Huang et al., 2017). Этот принцип может быть применен также к анализируемым веществам в паровой фазе. Благодаря этой горизонтальной диодной структуре, расположенной бок о бок, твердые химические вещества могут напрямую взаимодействовать с носителями заряда вблизи поверхности слоя OSC. На рис. 24.7 приведены упомянутые здесь низкомолекулярные ОСЗ.

Рис. 24.7. Маломолекулярные полупроводники.

Расчет диэлектрических характеристик — FlexEnable

Джайлз Ллойд, руководитель отдела материалов

7 октября 2021 г.

Как многие из нас узнали в школьные годы, электронные системы содержат три типа материалов: проводники, полупроводники и изоляторы (также известные как диэлектрики).

Это также верно для дисплеев, которые сами содержат транзисторы. Электронный переключатель внутри каждого пикселя жидкокристаллического телевизора сконструирован с использованием всех трех типов материалов, причем диэлектрик обычно является наиболее распространенным, поскольку обычно в одном устройстве используется несколько типов диэлектрика.Диэлектрики определяют границы проводника, обеспечивая контролируемые пути прохождения электрического заряда по цепи. Они позволяют накладывать разные проводники друг на друга, разделенные диэлектриком, с минимальным взаимодействием между проводниками, или, в некоторых случаях, образуют критическую границу раздела, разделяющую проводник и полупроводник (транзистор).

Электрические характеристики

В предыдущих блогах мы обсуждали принципиально важный и очень ценный полупроводниковый материал.Этим материалом можно управлять для переключения из состояния, в котором электрический заряд не может проходить через него, в другое состояние, в котором заряд будет течь. Как нам это контролировать? Благодаря использованию диэлектрических материалов с высокими техническими характеристиками. Эти диэлектрики способны переносить электрическое поле через свою массу без утечки электрического заряда. Это создает «полевой эффект» внутри полупроводника, притягивая или отталкивая заряд близко к поверхности полупроводника, контактирующей с диэлектриком, вызывая переключение в состояние проводимости.Этот так называемый диэлектрик затвора является одним из примеров ключевой роли, которую диэлектрики играют в тонкопленочном транзисторе (TFT), расположенном на каждом пикселе дисплея. Портфель FlexiOM включает эти высокотехнологичные затворные диэлектрики для использования вместе с органическими полупроводниками FlexiOM для определения ключевого интерфейса, в котором происходит волшебство.

Структурные свойства

Дело не только в электрических свойствах диэлектрика; структурные свойства также имеют решающее значение.Физические и структурные свойства всего электронного устройства в основном определяются различными диэлектриками (включая подложку), поскольку они составляют основную массу. Структурные свойства диэлектриков будут определять не только качество конечного устройства, но и технологичность материала во время производства устройства. Например, возможность создания физического отверстия в диэлектрическом слое (сквозное отверстие) важна для того, чтобы проводники могли соединяться между слоями, чтобы сформировать схему и требуемые межсоединения.Для создания таких сквозных отверстий обычно используется фото-узор, поэтому определенные диэлектрики должны быть спроектированы с учетом совместимости с этим типом процесса. Серия FlexiOM D320 представляет собой затворный диэлектрический материал очень высокой степени чистоты, который устанавливается непосредственно поверх органического полупроводника для создания идеального интерфейса, необходимого для стабильной работы устройства. Серия FlexiOM D048X является вторым затворным диэлектриком высокой чистоты, но предназначена для создания фото-рисунка (для формирования сквозных отверстий и других функций) и является идеальным дополнением как к органическим полупроводникам FlexiOM, так и к серии D320.

Оптические свойства

Наряду с электрическими и структурными свойствами диэлектрика для многих приложений, включая жидкокристаллические дисплеи, оптические характеристики также являются ключевым свойством, особенно потому, что диэлектрические слои имеют тенденцию формировать основную часть изготовленного пакета электронной схемы. Подсветка, используемая в ЖК-телевизорах, должна проходить через эти диэлектрики без потерь. Затворные диэлектрики обычно очень тонкие, несколько сотен нанометров, и, как правило, чем тоньше оптический слой, тем меньше возможностей для поглощения света.Другие диэлектрические слои в стопке материалов, образующих схему отображения, обычно намного толще, до нескольких микрометров. В этом масштабе оптические характеристики имеют решающее значение для световых и цветовых характеристик конечного дисплея и являются фундаментальной частью конструкции молекул и состава диэлектриков.

Проектирование полимерных диэлектриков

При разработке новых пленок из диэлектрических материалов как конструкция самого материала, так и его рецептура являются важными инструментами для производства тонкопленочных диэлектрических изделий с высоким выходом, легко обрабатываемых.

Как обсуждалось в предыдущих блогах, полимерные материалы представляют собой длинные цепочки повторяющихся звеньев основной химической молекулы. Состав этой основной молекулы может варьироваться в зависимости от требований приложения. Регулируя компоненты этой основной молекулы или чередуя основную молекулу с различными дополнительными компонентами, мы можем регулировать физические свойства материала. Этот подход очень эффективен в диэлектриках, особенно при проектировании физических параметров, таких как способность к фотошаблону.

Свойства пленки, которая должна быть нанесена на основе этого полимера, затем можно дополнительно контролировать или изменять с помощью конструкции рецептуры. Это часто достигается за счет использования «добавок» в растворе диэлектрического материала, где он растворен или диспергирован в растворителе. Добавки могут быть специфическими молекулами, которые обеспечивают дополнительную функциональность, такую ​​как повышенная светочувствительность или изменение свойств жидкости для покрытия и сушки диэлектрика (морфология пленки). Современные рецептурные продукты могут легко включать 15-20 различных компонентов, каждый из которых индивидуально поддерживает различные важные параметры.Химический состав рецептур используется в широком спектре потребительских товаров, от шампуней и гелей для душа до жидких кристаллов внутри ЖК-телевизоров! Эта концепция особенно актуальна для тех диэлектриков FlexiOM, которые расположены вдали от границы раздела органических полупроводников. Примерами являются второй слой затворных диэлектриков (например, серия FlexiOM D048X), слои планаризации (непосредственно под электронной схемой) и слои пассивирования (непосредственно над схемой).

Портфель диэлектрических материалов

FlexEnable был разработан с использованием этих основных элементов дизайна для создания высокоэффективных материалов, оптимизированных для наших приложений в дисплеях и жидкокристаллической оптике, а также в нашем более широком и постоянно растущем портфеле специальных органических химикатов для производства гибких дисплеев и жидкокристаллической оптики.Недорогие гибкие дисплеи и электроника полностью созданы с помощью материалов FlexiOM. Запросы о продуктах и ​​дополнительную информацию можно получить по адресу [email protected]

Поделитесь этой статьей:

Разница между проводником, полупроводником и изолятором

В чем разница между проводниками, полупроводниками и изоляторами?

Основное различие между проводником, полупроводником и изолятором заключается в его состоянии проводимости.Проводники всегда проводят электрический ток, а изоляторы не проводят. Однако полупроводник проводит и блокирует в разных условиях.

Что такое проводник ?

В области электротехники и электроники проводник — это материал, который пропускает заряд, также известный как электрический ток. Чаще всего электрические проводники изготавливаются из металлов. Такие материалы позволяют протекать току из-за наличия свободных электронов или ионов, которые начинают двигаться при приложении напряжения.

Проводники имеют очень низкое электрическое сопротивление, т.е. противодействуют току и зависят от длины и ширины проводника. Он увеличивается с повышением температуры.

Что такое полупроводник ?

Полупроводники — это материалы, которые обладают промежуточной проводимостью между проводниками и изоляторами. Они могут блокировать или разрешать текущий поток, обеспечивая полный контроль над ним. В основном они модифицируются путем добавления примесей, называемых легированием. Он изменяет свои свойства, такие как однонаправленный ток, усиление, преобразование энергии и т. Д.

Электропроводность внутри полупроводников обусловлена ​​движением электронов и дырок.

Что такое изолятор ?

Изолятор — это материал, который имеет очень высокое электрическое сопротивление и не пропускает ток. В изоляторах нет свободных электронов, поэтому они не проводят электричество. Таким образом они используются для защиты от ударов.

Различия между проводниками, полупроводниками и изоляторами: 9048 течение заряда при подаче напряжения.
Характеристики Проводник Полупроводник Изолятор Полупроводник — это материал, проводимость которого находится между проводником и изолятором. Изолятор — это материал, который не пропускает ток.
Температурная зависимость Сопротивление проводника увеличивается с увеличением температуры. Сопротивление полупроводника уменьшается с повышением температуры. Таким образом, он действует как изолятор при абсолютном нуле. Изолятор имеет очень высокое сопротивление, но оно все равно уменьшается с температурой.
Проводимость Проводники имеют очень высокую проводимость ( 1 0 -7 / м ), поэтому они могут легко проводить электрический ток. Они имеют промежуточную проводимость ( (10 -7 / м от до 10 -13 Ʊ / м ), поэтому они могут действовать как изолятор и проводник в различных условиях. Они имеют очень с низкой проводимостью ( 10 -13 Ʊ / м ) , , таким образом, они не допускают протекания тока.
Проводимость Проводимость в проводниках обусловлена ​​свободными электронами в металлических связях. Проводимость в полупроводнике обусловлена ​​движением электронов и дырок. Нет свободных электронов или дырок, следовательно, нет проводимости.
Ширина запрещенной зоны Между зоной проводимости и проводимости проводника отсутствует или имеется малоэнергетическая щель . Он не требует дополнительной энергии для состояния проводимости. Ширина запрещенной зоны полупроводника больше, чем у проводника, но меньше, чем у изолятора, т. Е. 1 эВ . Их электронам требуется немного энергии для состояния проводимости. Ширина запрещенной зоны в изоляторе огромна ( +5 эВ, ), что требует огромного количества энергии, как молния, чтобы протолкнуть электроны в зону проводимости.
Удельное сопротивление Низкое ( 10 -5 Ом / м ) Нормальное ( 10 -5 Ом / м до 10 5 Ом / м ) Очень высокий ( 10 5 Ом / м )
Коэффициент удельного сопротивления Он имеет положительный коэффициент удельного сопротивления i.е. его сопротивление увеличивается с температурой Он имеет отрицательный коэффициент сопротивления . Коэффициент удельного сопротивления изолятора также равен отрицательным , но он имеет очень большое сопротивление.
Абсолютный ноль Некоторые специальные проводники превращаются в сверхпроводники при переохлаждении до абсолютного нуля, в то время как другие имеют конечное сопротивление. Полупроводники превращаются в изолятор при абсолютном нуле. Сопротивление изолятора увеличивается при охлаждении до абсолютного нуля.
Валентный электрон во внешней оболочке 1 Валентный электрон во внешней оболочке. 4 Валентный электрон во внешней оболочке. 8 Валентный электрон во внешней оболочке.
Примеры Золото, медь, серебро, алюминий и т. Д. Кремний, германий, селен, сурьма , Арсенид галлия (известный как полуизолятор), бор и т. Д. Резина, стекло, дерево, воздух, слюда , Пластик, бумага и т. Д.
Применение Металлы, такие как железо, медь и т. Д.которые могут проводить электричество, превращаются в провода и кабель для передачи электрического тока. Полупроводники используются в повседневных электронных устройствах, таких как сотовые телефоны, компьютеры, солнечные панели и т. Д. В качестве переключателей, преобразователей энергии, усилителей и т. Д. Изоляторы используются для защиты от высоких напряжений и предотвращения короткого замыкания между кабелями в цепях.

Связанные сообщения:

Теория зон и проводники, изоляторы и полупроводники — Проводники, полупроводники и изоляторы — Высшая физическая версия

Проводники

В проводнике нет запрещенных зон между валентной зоной и зоной проводимости.В некоторых металлах частично перекрываются зоны проводимости и валентная зона. Это означает, что электроны могут свободно перемещаться между валентной зоной и зоной проводимости.

Зона проводимости заполнена только частично. Это означает, что есть места для движения электронов. Когда электроны валентной зоны переходят в зону проводимости, они могут двигаться свободно. Это позволяет проводить.

Изоляторы

Изолятор имеет большой зазор между валентной зоной и зоной проводимости.

Валентная зона заполнена, поскольку электроны не могут перемещаться в зону проводимости. В результате зона проводимости пуста.

Только электроны в зоне проводимости могут легко перемещаться, поэтому, поскольку в зоне проводимости изолятора нет электронов, материал не может проводить.

Полупроводники

В полупроводнике промежуток между валентной зоной и зоной проводимости меньше. При комнатной температуре имеется достаточно энергии, чтобы переместить часть электронов из валентной зоны в зону проводимости.Это позволяет иметь место некоторой проводимости.

Повышение температуры увеличивает проводимость полупроводника, потому что большее количество электронов будет иметь достаточно энергии для перехода в зону проводимости.

Разница между изоляторами и полупроводниками обусловлена ​​небольшим количеством примесей, добавленных в полупроводник, которая влияет на энергетические зоны. Этот процесс называется допингом.

Глава 5 Проводники, диэлектрики и емкость. Ток и плотность тока.

Презентация на тему: «Глава 5 Проводники, диэлектрики и емкость. Ток и плотность тока.»- стенограмма презентации:

ins [data-ad-slot = «4502451947»] {display: none! important;}} @media (max-width: 800px) {# place_14> ins: not ([data-ad-slot = «4502451947»]) {display: none! important;}} @media (max-width: 800px) {# place_14 {width: 250px;}} @media (max-width: 500 пикселей) {# place_14 {width: 120px;}} ]]>

1 Глава 5 Проводники, диэлектрики и емкость Ток и плотность тока

2

3 Пример D5.1

4 Непрерывность тока Это уравнение показывает, что ток, расходящийся от небольшого объема на единицу объема, равен временной скорости уменьшения заряда на единицу объема в каждой точке.

5 Проводники, диэлектрики, полупроводники Структура энергетических зон в трех различных типах материалов при 0K a) В проводнике отсутствует энергетический зазор между валентной зоной и зоной проводимости.б) Изолятор показывает большую запрещенную зону. в) Полупроводник имеет только маленькую запрещенную зону.

6 Таблица 2.1 Электрическая классификация твердых материалов Материалы Резистивная способность (-см) Изоляторы 10 5 < <Полупроводники 10 -3 < <10 5 Проводники  <10 -3 Проводники, диэлектрики, полупроводники

7 Металлические проводники В проводнике электрический ток может течь свободно, а в изоляторе — нет.Металлы, такие как медь, являются типичными проводниками, в то время как большинство неметаллических твердых тел считаются хорошими изоляторами, имеющими чрезвычайно высокое сопротивление потоку заряда через них. «Проводник» означает, что внешние электроны атомов слабо связаны и могут свободно перемещаться через материал. Большинство атомов крепко держатся за свои электроны и являются изоляторами. В меди валентные электроны практически свободны и сильно отталкиваются друг от друга. Любое внешнее воздействие, которое перемещает один из них, вызовет отталкивание других электронов, которые распространяются по проводнику по типу домино.

8 Металлические проводники

9 Свойства проводника и граничные условия Граничные условия Граница пространства без проводника в электростатике 1 — Напряженность статического электрического поля внутри проводника равна нулю 2 — Статическое электрическое поле на поверхности проводника везде направлено перпендикулярно этой поверхности 3 — Поверхность проводника является эквипотенциальной поверхностью E = 0 внутри проводника

10

11 Метод изображений

12

13

14 Полупроводники Проводимость зависит от концентрации и подвижности как дырок, так и электронов.

15 Полупроводниковые материалы Полупроводниковая ширина запрещенной зоны E G (эВ) Углерод (алмаз) 5.47 Кремний 1,12 Германий 0,66 Олово 0,082 Арсенид галлия 1,42 Фосфид индия 1,35 Нитрид бора 7,50 Карбид кремния 3,00 Селенид кадмия 1,70 Проводники, диэлектрики, полупроводники

16

17 Двумерная решетка кремния с общими ковалентными связями. При температурах, приближающихся к 0 К, все связи заполнены, а внешние оболочки атомов кремния полностью заполнены.Проводники, диэлектрики, полупроводники

18 При разрыве ковалентной связи образуется электронно-дырочная пара. Проводники, диэлектрики, полупроводники.

19

20

21 год Кристалл кремния несколько отличается от изолятора, потому что при любой температуре выше абсолютного нуля существует конечная вероятность того, что электрон в решетке будет выбит со своего места, оставив после себя дефицит электронов, называемый «дыркой».Если приложено напряжение, то и электрон, и дырка могут способствовать протеканию небольшого тока. Термин «внутренний» здесь различает свойства чистого «собственного» кремния и резко отличающиеся свойства легированных полупроводников n-типа или p-типа. Полупроводники

22 Природа диэлектрических материалов Большинство твердых материалов классифицируются как изоляторы, поскольку они обладают очень большим сопротивлением прохождению электрического тока.-8 -Диэлектрик в электрическом поле можно рассматривать как расположение в свободном пространстве микроскопических электрических диполей, которые состоят из положительных и отрицательных зарядов, центры которых не совсем совпадают. Несвободные заряды — они связывают заряды. Они являются источниками электростатических полей. Модель — поляризация P и проницаемость.

23 Если материал содержит полярные молекулы, они, как правило, будут иметь случайную ориентацию без приложения электрического поля.Приложенное электрическое поле поляризует материал, ориентируя дипольные моменты полярных молекул. Это уменьшает эффективное электрическое поле между пластинами и увеличивает емкость параллельной пластинчатой ​​конструкции. Диэлектрик должен быть хорошим электрическим изолятором, чтобы минимизировать любой ток утечки постоянного тока через конденсатор. Полярные молекулы имеют постоянное смещение, существующее между центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов, и каждая пара зарядов действует как диполь.Диполи ориентированы случайным образом. Неполярная молекула не имеет этого дипольного расположения, пока не будет приложено поле. Диполь можно описать его дипольным моментом p p = Qd, где d — вектор от отрицательного заряда к положительному. p в кулонах-метрах P = поляризация Природа диэлектрических материалов

24 Электрические свойства ASTM Standard Unit Teflon ® PTFE Powder Paste Disper. Порошковая паста диспергирующая.Teflon® FEP FEP Teflon® PFA PFA Tefzel Tefzel® Диэлектрическая постоянная D1501 МГц2,1 2,6 Коэффициент рассеяния D1501MHz <0,00010,00060,00010,007 Сопротивление дуги D495sec> 300> 180122 Объемное сопротивление D257ohm · см> 10 18> 10 17 Ом · Удельное сопротивление поверхности · D257 16> 10 17> 10 15 Природа диэлектрических материалов

25 Электрические свойства полиимидной пленки Kapton® типа HN Природа диэлектрических материалов Значение свойства — Толщина пленки, мил (мкм) 0.30 (7,6) 0,50 (12,7) * 1,00 (25,4) * 2,00 (50,8) * 3,00 (76,2) * 5,00 (127) * Диэлектрическая прочность, переменный ток, В / мил (кВ / мм), мин. 3000 (118) 6000 (236) 5000 (197) 4500 (177) 3000 (118) Объемное удельное сопротивление, Ом-см при 200 ° C (392 ° F), мин. 10 12 Диэлектрическая проницаемость при 1 кГц, макс. 4,0 3,9 Коэффициент рассеяния при 1 кГц, макс. 0,00700,00500,0036

26 год Природа диэлектрических материалов

27 Граничные условия для идеальных диэлектрических материалов

28 год

29 Природа диэлектрических материалов

30 Емкость Емкость двухпроводных систем как отношение величины общего заряда на любом проводе к отношению разности потенциалов между проводниками.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *