Электропроводность

метки: Металл, Проводимость, Электрический, Электропроводность, Электрон, Свободный, Температура, Проводник

Проводники, полупроводники и диэлектрики

Все тела в зависимости от электропроводности можно разделить на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики (изоляторы).

Проводником принято называть такое тело, в объёме которого имеется много свободных зарядов. Зарядов, способных перемещаться внутри этого объёма. Различают проводники с электронной проводимостью (проводники первого рода) и проводники с ионной проводимостью (проводники второго рода).

К проводникам первого рода относятся все металлы и металлические сплавы. В объёме металлического тела имеется много свободных электронов, которые являются носителями электричества в таких проводниках. К проводникам второго рода относятся электролиты, представляющие собой водные растворы кислот, щелочей, солей и др. В электролитах носителями электричества являются ионы, на которые распадаются молекулы растворённого вещества.

В соответствии с принципом Паули при ограниченном числе электронов, заполненными окажутся лишь несколько наиболее низких энергетических зон. Все остальные зоны будут пусты (свободные зоны).

Наполовину заполненной валентной зоне при Т = 0 К соответствуют наполовину заполненные s-орбитали атомов, например, в Na (рис. слева).

Внешние s-электроны полностью заполняют валентную зону, которая перекрывается со следующей, образованной p-орбиталями этого же уровня, например, в Mg (рис. справа).

Диэлектриками называются тела, в объёме которых содержится очень мало свободных электронов. Поэтому они почти не проводят электрический ток и говорят что у них очень низкая электропроводность вещества. К диэлектрикам относятся смолы, лаки, стекло и т.п.

Валентная зона заполнена полностью и отделена от следующей за ней свободной зоны широкой (Eg > 2¸3 эВ) запрещенной зоной – энергетической щелью. Внешнее электрическое поле не создает электрического тока, так как электроны заполненной зоны не могут перейти в свободную. Такие вещества являются диэлектриками:

К полупроводникам относятся такие тела, которые по своим проводящим свойствам занимают среднее положение между проводниками и диэлектриками. Например германий, кремний, селен и ряд искусственных соединений.

Проводники, полупроводники и диэлектрики

... (в зону проводимости), является одним из главных критериев разделения тел на проводники, полупроводники и диэлектрики. 1. ... называют проводниками с электронной электропроводностью или проводниками первого рода. Электрическое сопротивление проводников Электрическое сопротивление обусловлено тем, ... 3Л 1.4. Проводниковые бронзы Проводниковые бронзы относятся к медным сплавам, необходимость применения ...

Если валентная зона полностью заполнена и ширина запрещенной зоны Eg < < 2-3 эВ, то такие вещества называются полупроводниками. В полупроводниках за счет тепловой энергии kBT заметное число электронов оказывается переброшенным в свободную зону (зону проводимости).

При наложении внешнего электрического поля возникает электрический ток, который много слабее, чем в металлах, из-за низкой концентрации носителей заряда. При очень низких температурах любой полупроводник становится диэлектриком.

Между металлами и диэлектриками существует качественное различие, а между диэлектриками и полупроводниками – лишь количественное.

Виды электропроводности

В зависимости от вида и природы зарядоносителей проводимость бывает электронной, ионной и дырочной.

Электронной проводимостью обладают металлы. Существует такая проводимость и в верхних слоях атмосферы, где плотность вещества невелика, благодаря чему электроны могут свободно перемещаться, не соединяясь с положительно заряженными ионами.

Жидкие электроны обладают ионной проводимостью. Ионы, являющиеся зарядоносителями, при движении перемещают вещество, в результате чего происходит выделение его на электродах.

Возможен механизм проводимости, обусловленный разрывом валентной связи, приводящим к появлению вакантного места с отсутствующей связью. Такое “пустые” место с отсутствующими электронами связи получило название — дырка. Возникновение дырки в кристалле проводника создаёт дополнительную возможность для переноса заряда. Этот процесс, сопровождающийся перемещением электронов, получил название дырочной проводимостью.

Электрическая проводимость различных материалов

Электропроводность металлов

Экспериментально показано, что в металлах ионы не принимают участия в перенесении электрических зарядов, так как в противном случае электрический ток обязательно сопровождался бы переносом материала, что не наблюдалась. В опытах с инерцией электронов было установлено, что электрический ток в металлах обусловлен упорядоченным движением свободных электронов.

Если внутри металла нет электрического тока, то электроны проводимости совершают беспорядочное движение (тепловое): в каждый момент времени они имеют неодинаковые скорости и различные направления.

Суммарный заряд, проходящий через любую площадку внутри металла, в отсутствие внешнего поля равен нулю. Если к концам проводника присоединить разность потенциалов, т.е. создать внутри проводника поле напряженностью Э, то на каждый электрон будет действовать сила, направленная противоположно полю. В результате возникает электрический ток. На основании представлений об электрическом газе легко объясняется большая теплопроводимость металлов. В самом деле, свободные электроны, участвуя в тепловом движении и обладая большой подвижностью, будут способствовать выравниванию различий в температуре тела.

В металлах концентрация электронов проводимости почти не зависит от температуры. Существует группа материалов, в которых электрический ток также обусловлен перемещением свободных электронов, однако концентрация этих электронов зависит от температуры: удельное сопротивление таких материалов при понижении температуры сильно возрастает, а при повышении температуры – значительно уменьшается. Такие материалы являются электронными проводниками. К полупроводником относятся: кремний, германий, селен и многие соединения металлов с серой, селеном, теллуром, а также некоторые органические соединения. В полупроводниках, как и в металлах, при прохождении тока не происходит никаких химических изменений. Это свидетельствует о том, что ионы не принимают участия в перенесении зарядов.

Элементы квантовой теории металлов

... вносит квантовая теория? Нетрудно понять, что закон Больцмана, действительно, неприменим к электронам проводимости металла. Это ... металлах являются одни и те же частицы--свободные электроны, которые, перемещаясь в металле, переносят не только электрический ... проводимости () для всех металлов при одной и той же температуре одинаково и увеличивается пропорционально термодинамической температуре: ...

Для того чтобы увеличить концентрацию свободных электронов в полупроводниках, необходимо затратить некоторую энергию для отрыва связанных электронов. Её называют энергией ионизации. При повышении температуры увеличивается количество электронов с тепловой энергией, превышающей, т.е. растёт доля свободных электронов.

С внешней стороны металлы, как известно, характеризуются прежде всего особым “металлическим” блеском, который обусловливается их способностью сильно отражать лучи света. Однако этот блеск наблюдается обыкновенно только в том случае, когда металл образует сплошную компактную массу. Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучи превращенными в порошок, но большинство металлов в мелкораздробленном виде имеет черный или темно-серый цвет. Затем типичные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, причем по способности проводить тепло и ток располагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники — серебро и медь, худшие — свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность падает, при понижении температуры, наоборот, увеличивается.

Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются в проволоку, прокатываются в листы и т.п.

Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры. Согласно современным воззрениям, кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Весь кристалл можно себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроны не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности потенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е. возникает электрический ток.

Наличием свободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, от них — следующим и т.д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает одинаковую температуру.

Электрическая проводимость газов

В явлениях электрического разряда в газах большую роль играет ионизация атомов электронными ударами. Этот процесс заключается в том, что движущийся электрон, обладающий достаточной кинетической энергией, при соударении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газе появляются новые электроны (об этом будет рассмотрено позднее).

Электрический ток в жидкостях, газах и плазме

... подвижности электронов проводимости в металле. Так как и концентрация ионов обычно не велика по сравнению с концентрацией электронов в металле, то электрическая проводимость у электролитов всегда существенно меньше электрической проводимости металлов. Вследствие сильного нагревания током в электролитах ...

Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. При отсутствии внешнего поля заряженные частицы, как и нейтральные молекулы движутся хаотически. Если ионы и свободные электроны оказываются во внешнем электрическом поле, то они приходят в направленное движение и создают электрический ток в газах.

Таким образом, электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов к аноду. Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к аноду, и потока, направленного к катоду. Процесс прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Если электропроводность газа создается внешними ионизаторами, то электрический ток, возникающий в нем, называется несамостоятельным газовым разрядом. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается. Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа.

Электрический разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом . Для его осуществления необходимо, чтобы в результате самого разряда в газе непрерывно образовывались свободные заряды. Основным источником их возникновения является ударная ионизация молекул газа.

Если после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока при достаточно большом напряжении станет резко возрастать.

Это означает, что в газе появляются дополнительные ионы, которые образуются за счет действия ионизатора. Сила тока может возрасти в сотни и тысячи раз, а число заряженных частиц, возникающих в процессе разряда, может стать таким большим, что внешний ионизатор будет уже не нужен для поддержания разряда.

Положительные ионы, образовавшиеся при столкновении электронов с нейтральными атомами, при своем движении к катоду приобретают под действием поля большую кинетическую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод с поверхности катода выбиваются электроны.