Провідники, напівпровідники і діелектрики в електричному полі
В електриці виділяють три основні групи матеріалів - це провідники, напівпровідники і діелектрики. Основним їх відмінністю є можливість проводити струм. У цій статті ми розглянемо, чим відрізняються ці види матеріалів і як вони поводяться в електричному полі.
Що таке провідник
Речовина, в якому присутні вільні носії зарядів, називають провідником. Рух вільних носіїв називають тепловим. Основною характеристикою провідника є його опір (R) або провідність (G) - величина зворотна опору.
G = 1 / R
До таких речовин можна віднести метали, але якщо говорити про неметалах то, наприклад, вуглець - відмінний провідник, знайшов застосування в ковзних контактах, наприклад, щітки електродвигуна. Вологий грунт, розчини солей і кислот у воді, тіло людини - теж проводить струм, але їх електропровідність часто менше, ніж у міді або алюмінію, наприклад.
Метали є відмінними провідниками, як раз таки завдяки великому числу вільних носіїв зарядів в їх структурі. Під впливом електричного поля заряди починають переміщатися, а також перерозподілятися, спостерігається явище електростатичної індукції.
Що таке діелектрик
Діелектриками називають речовини, які не проводять струм, або проводять, але дуже погано. У них немає вільних носіїв зарядів, тому що зв'язок частинок атома досить сильна, для утворення вільних носіїв, тому під впливом електричного поля струму в діелектрику не виникає.
Газ, скло, кераміка, фарфор, деякі смоли, текстоліт, карболіт, дистильована вода, суха деревина, гума - є діелектриками і не проводять електричний струм. У побуті діелектрики зустрічаються повсюдно, наприклад, з них робляться корпуси електроприладів, електричні вимикачі, корпуси вилок, розеток та інше. У лініях електропередач ізолятори виконуються з діелектриків.
Однак, при наявності певних факторів, наприклад підвищений рівень вологості, напруженість електричного поля вище допустимого значення та інше - призводять до того, що матеріал починає втрачати свої діелектричні функції і стає провідником. Іноді ви можете чути фрази типу «пробою ізолятора» - це і є описане вище явище.
Якщо сказати коротко, то основними властивостями діелектрика в сфері електрики є електроізоляційні. Саме здатність перешкоджати протіканню струму захищає людину від електротравматизму і інших неприємностей. Основною характеристикою діелектрика є електрична міцність - величина рівна напрузі його пробою.
Що таке напівпровідник
Напівпровідник проводить електричний струм, але не так як метали, а при дотриманні певних умов - повідомленні речовини енергії в потрібних кількостях. Це пов'язано з тим, що вільних носіїв (дірок і електронів) зарядів занадто мало або їх зовсім немає, але якщо докласти якусь кількість енергії - вони з'являться. Енергія може бути різних форм - електричної, теплової. Також вільні дірки і електрони в напівпровіднику можуть виникати під впливом випромінювань, наприклад в УФ-спектрі.
Де застосовуються напівпровідники? З них виготовляють транзистори, тиристори, діоди, мікросхеми, світлодіоди та інше. До таких матеріалів відносять кремній, германій, суміші різних матеріалів, наприклад арсенід-Галія, селен, миш'як.
зонна теорія
Зонна теорія описує наявність або відсутність вільних носіїв зарядів, щодо певних енергетичних шарів. Енергетичним рівнем або шаром називають кількість енергії електронів (ядер атомів, молекул - елементарних частинок), їх вимірюють у величині електронвольт (ЕВ).
На зображенні нижче показано три види матеріалів з їх енергетичними рівнями:
Зверніть увагу, що у провідника енергетичні рівні від валентної зони до зони провідності об'єднані в нерозривний діаграму. Зона провідності і валентна зони накладаються один на одного, це називається зоною перекриття. Залежно від наявності електричного поля (напруги), температури і інших чинників кількість електронів може змінюватися. Завдяки вищеописаному, електрони можуть пересуватися в провідниках, навіть якщо повідомити їм якусь мінімальну кількість енергії.
У напівпровідника між зоною валентності і зоною провідності присутня певна заборонена. Ширина забороненої зони описує, скільки енергії потрібно повідомити напівпровідника, щоб почав протікати струм.
У діелектрика діаграма схожа на ту, яка описує напівпровідники, однак відмінність лише в ширині забороненої зони - вона тут у багато разів більша. Відмінності обумовлені внутрішньою будовою і речовини.
Ми розглянули основні три типи матеріалів і привели їх приклади і особливості. Головним їх відмінністю є здатність проводити струм. Тому кожен з них знайшов свою сферу застосування: провідники використовуються для передачі електроенергії, діелектрики - для ізоляції струмоведучих частин, напівпровідники - для електроніки. Сподіваємося, надана інформація допомогла вам зрозуміти, що собою представляють провідники, напівпровідники і діелектрики в електричному полі, а також у чому їхня відмінність між собою.
Наостанок рекомендуємо переглянути корисне відео по темі:
Напевно ви не знаєте:
Де застосовуються напівпровідники?