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.
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
- В проводнике свободные электроны, подвергающиеся влиянию сил электрического поля, перемещаются по всему объему.
- 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.
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.
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.
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. Для того, чтобы определить численно «это» плохой - хороший пользуются понятием удельного сопротивления. Это сопротивление в Омах кубика с длиной ребра в 1 см, размерность удельного сопротивления при этом получается в Ом/см. Удельное сопротивление некоторых веществ показано ниже. Проводимость это величина обратная удельному сопротивлению, - единица измерения Сименс, - 1См = 1 / Ом.
Хорошую проводимость или малое удельное сопротивление имеют: серебро 1,5*10^(-6), читать, как (полтора на десять в степени минус шесть), медь 1,78*10^(-6), алюминий 2,8*10^(-6). Намного хуже проводимость у сплавов с высоким сопротивлением: константан 0,5*10^(-4), нихром 1,1*10^(-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 H2O. 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. Сколько же свободных электронов существует в кристалле германия при нормальных условиях?
Таких свободных электронов всего не более двух на 10^10 (десять миллиардов) атомов, поэтому германий плохой проводник, или как принято говорить полупроводник. При этом следует заметить, что лишь в одном грамме германия содержится 10^22 (десять тысяч миллиардов миллиардов) атомов, что позволяет «получить» около двух тысяч миллиардов свободных электронов. Кажется, что достаточно для того, чтобы пропустить большой электрический ток. Чтобы разобраться с этим вопросом, достаточно вспомнить, что такое ток силой в 1 A.
Току в 1 A соответствует прохождение через проводник за одну секунду электрического заряда в 1 Кулон, или 6*10^18 (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,
