Разница между диэлектриками и проводниками

Различие между диэлектриками и полупроводниками с точки зрения

Разница между диэлектриками и проводниками

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.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

каково отличие металлов, полупроводников и диэлектриков с точки зрения зонной теории?

Различают 3 диапазона значений энергии: — валентная зона, — зона проводимости,

— запрещённая зона.

Электроны в валентой зоне связывают атомы в молекулы или в решётку и являются как бы связанными — не могут двигаться по кристаллу.

Электроны с бОльшей энергией не связаны с атомом и могут перемещаться под действием электрического поля.

Запрещённая зона — диапазон энегрии которую электрон не может иметь, этот диапазон между зоной проводимости и валентной зоной.

У металлов нет запрещённой зоны, все электроны могут двигаться свободно, поэтому металлы — проводники.

У полупроводников при низкой температуре нет свободных носителей заряда, все электроны связаны, они в валентой зоне. Но если полупроводник нагреть, то часть электронов из валентной зоны перейдёт в зону проводимости. То есть электрону добавляется энергия больше ширины запрещённой зоны которая в пределе составляет 4 эВ.

Чем отличаются диэлектрики от проводников?

Все вещества состоят из молекул, молекулы из атомов, атомы из положительно заряженных ядер вокруг которых располагаются отрицательные электроны.

При определенных условиях электроны способны покидать свое ядро и передвигаться к соседним. Сам атом при этом становится положительно заряженным, а соседний получает отрицательный заряд.

Передвижение отрицательных и положительных зарядов под действием электрического поля получило название электрического тока.

В зависимости от свойства материалов проводить электрический ток их делят на:

Свойства проводников

Проводники отличаются хорошей электропроводностью. Это связано с наличием у них большого количества свободных электронов не принадлежащих конкретно ни одному из атомов, которые под действием электрического поля могут свободно перемещаться.

Большинство проводников имеют малое удельное сопротивление и проводят электрический ток с очень небольшими потерями.

В связи с тем, что идеально чистых по химическому составу элементов в природе не существует, любой материал в своем составе содержит примеси.

Примеси в проводниках занимают места в кристаллической решетке и, как правило, препятствуют прохождению свободных электронов под действием приложенного напряжения.

Примеси ухудшают свойства проводника. Чем больше примесей, тем сильнее они влияю на параметры проводимости.

Хорошими проводниками с малым удельным сопротивлением являются такие материалы:

Золото и серебро – хорошие проводники, но из-за высокой стоимости применяются там, где необходимо получить хорошие качественные проводники с малым объемом.

Это в основном электронные схемы, микросхемы, проводники высокочастотных устройств у которых сам проводник изготовлен из дешевого материала (медь), который сверху покрыт тонким слоем серебра или золота.

Это дает возможности при минимальном расходе драгоценного металла хорошие частотные характеристики проводника.

Медь и алюминий — более дешевые металлы. При незначительном снижении характеристик этих материалов, их цена на порядки ниже, что дает возможность для их массового применения. Применяют в электронике, в электротехнике.

В электронике – это дорожки печатных плат, ножки радиоэлементов, радиаторы и др.

В электротехнике очень широко применяется в обмотках двигателей, для прокладки электрических сетей высокого и низкого напряжения, разводку электричества в квартирах, домах, в транспорте.

Свойства диэлектриков

Диэлектрики в своей кристаллической решетке содержат очень мало свободных электронов, способных переносить заряде под действием электрического поля.

В связи с этим при создании разности потенциалов на диэлектрике, ток, проходящий через него такой незначительный, что считается равным нулю — диэлектрик не проводит электрический ток. Наряду с этим, примеси, содержащиеся в любом диэлектрике, как правило, ухудшают его диэлектрические свойства.

Ток, проходящий через диэлектрик под действием приложенного напряжения в основном определяется количеством примесей.

Наибольшее распространение диэлектрики получили в электротехнике там, где необходимо защитить обслуживающий персонал от вредного воздействия электрического тока. Это изолирующие ручки разных приборов, устройств измерительной техники. В электронике – прокладки конденсаторов, изоляция проводов, диэлектрические прокладки необходимые для теплоотвода активных элементов, корпуса приборов.

Полупроводники – материалы, которые проводят электричество при определенных условиях, в другом случае ведут себя как диэлектрики.

Особенности зонной структуры диэлектриков, полупроводников и металлов

В отношении зонной теории различие электрических свойств проводников, диэлектриков и полупроводников определено двумя причинами:

  1. Характером расположения энергетических зон, вернее шириной запрещенной зоны.
  2. Разницей в заполнении электронами разрешенных энергетических зон.

Необходимым условием того, что твердое тело может проводить электрический ток является то, что у вещества существуют свободные энергетические уровни, на которые поле может перевести электроны. Под воздействием обычных источников тока электроны могут совершать переходы только внутри зоны.

Зонная структура диэлектриков

Валентная зона, которая объединяет внешние электроны атомов или ионов заполнена полностью, высокие зоны не имеют электронов (рис.1), перекрытия зон нет. Подобное вещество является диэлектриком, который ток не проводит.

Например, кристаллическая поваренная соль (NaCl). Ее молекулы имеют ионную химическую связь. В молекуле соли внешний электрон атома натрия переходит на внешнюю оболочку атома хлора. Возникают ионы: $+\ и\ -$. Внешние оболочки полностью заполнены электронами. При образовании соли появляется валентная зона иона хлора.

Она полностью заполнена электронами. Выше нее на 6эВ находится зона энергетических состояний иона натрия, которая не имеет электронов (рис.2). Электрическое поле источника не может перевести электроны из полностью заполненной зоны иона хлора в свободную зону проводимости иона натрия.

Так, кристалл поваренной соли является диэлектриком.

SA. Проводники и диэлектрики

Разница между диэлектриками и проводниками

  • Проводниками называются вещества, по которым могут свободно перемещаться электрические заряды. Термин «проводник» является переводом с английского слова сonductor, который ввел Ж.Т.Дезагюлье в 1739 г. для обозначения «тел, действующих как каналы для транспорта электрической силы».

Проводниками являются металлы, электролиты (растворы, проводящие ток) плазма.

В металлах носителями зарядов являются свободные электроны, в электролитах – положительные и отрицательные ионы, в плазме – свободные электроны и ионы.

У большинства металлов практически каждый атом теряет электрон и становится положительным ионом. Например, у меди в 1 м3 свободных электронов 1029. Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном беспорядочном движении. Скорость такого движения примерно равна 105 м/с (100 км/с).

Не смотря на наличие внутри тела зарядов (свободных электронов и ионов), электрического поля внутри проводника нет. Отдельные заряженные частицы создают микроскопические поля. Но эти поля внутри проводника в среднем компенсируют друг друга (рис. 1).

  • Если бы это условие не выполнялось, то свободные заряды, под действием кулоновских сил, пришли бы в движение. Они двигались бы до тех пор, пока действующая на них сила не обратилась бы в нуль.

Поместим незаряженный проводник, например, металл, в однородное электростатическое поле с напряженностью \(~\vec E_0\). На свободные электроны начинают действовать электрические силы \(\vec F\), под действием которых электроны приходят в движение (рис. 2). Продолжая беспорядочное движение, электроны начинают смещаться в сторону действия силы (скорость смещения порядка 0,1 мм/с).

На одной поверхности проводника образуется область с недостатком электронов, на противоположной – с избытком электронов. Это приводит к появлению еще одного электрического поля с напряженностью \( \vec E_{np}\) (рис. 3).

Общая напряженность \( \vec E\) электрического будет равна

\( \vec E = \vec E_0 + \vec E_{np}, \;\; E = E_0 – E_{np}.\)

Электрическая сила \(F\), действующая на свободные электроны с зарядом q:

\(F = q \cdot E.\)

По мере смещения электронов, заряд на поверхности увеличивается. Это приводит к увеличению напряженности \(E_{np}\) и уменьшению общей напряженности \(E\) (т.к. \(E = E_0 – E_{np}\)). И в какой-то момент напряженность \(E_{np}\) становится равной напряженности внешнего поля \(E_0\), т.е. \(E_{np} = E_0\), и общая напряженность поля внутри проводника становится равной нулю.

Электрическая сила \(F\) в этот момент также становится равной нулю, электроны перестают смещаться, но беспорядочное движение не прекращается. На поверхности проводника остаются электрические заряды.

Явление возникновения электрических зарядов на поверхности проводника под воздействием электрического поля называется электростатической индукцией, а возникшие заряды – индуцированными.

  • Доля электронов, которые оказались на поверхности, очень мала. Например, если к медной пластинке толщиной в 1 см приложить напряжение в 1000 В, то эта доля составляет 10–10 % от всех свободных электронов.

Каким бы способом ни был заряжен проводник, внутри него поле отсутствует. Это позволяет использовать заземленные полые проводники со сплошными или сетчатыми стенками для электростатической защиты от внешних электростатических полей. Так, например, для защиты военных складов, служащих для хранения взрывчатых веществ, от удара молнии их окружают заземленной проволочной сетью.

  • Впервые явление электростатической защиты было обнаружено М.Фарадеем в 1836 году. Он провел интересный опыт. Большая деревянная клетка была оклеена тонкими листами олова, изолирована от земли и сильно заряжена. В клетке находился сам Фарадей с очень чувствительным электроскопом. Несмотря на то, что при приближении к клетке тел, соединенных с землей, проскакивали искры, внутри клетки электрическое поле не обнаруживалось.

Диэлектрики в электростатическом поле

  • Диэлектрики (изоляторы) — это вещества, в которых практически отсутствуют свободные носители зарядов. Термин «диэлектрик» происходит от греческого слова dia — через, сквозь и английского слова electric — электрический. Этот термин ввел М. Фарадей в 1838 г. для обозначения веществ, в которые проникает электрическое поле.

Резкой границы между проводниками и диэлектриками нет, так как все вещества в той или иной степени способны проводить электрический ток.

Но если в веществе свободных зарядов в 1015-1020 раз меньше, чем в металлах, то в таких случаях слабой проводимостью вещества можно пренебречь и считать его идеальным диэлектриком.

Почти все заряженные частицы внутри диэлектрика связаны между собой и не способны передвигаться по объему тела. Они могут только незначительно смещаться относительно своих равновесных положений.

Диэлектриками являются все неионизированные газы, многие чистые жидкости (дистиллированная вода, масла, бензины) и твердые тела (пластмассы, стекла, керамика, кристаллы солей, сухая древесина).

Существуют полярные и неполярные диэлектрики.

Неполярный диэлектрик

Рассмотрим схему простейшего атома – атома водорода (рис. 4).

Положительный заряд атома, заряд его ядра, сосредоточен в центре атома. Вокруг ядра движется электрон со скоростью порядка 106 м/с и уже за 10–9 с успевает совершить миллион оборотов.

Поэтому орбиту электрона можно рассматривать как электронное облако, расположенное симметрично относительно ядра.

Следовательно, даже за очень малый промежуток времени центр распределения отрицательного заряда приходится на середину атома, т.е. совпадает с положительно заряженным ядром.

  • Диэлектрики, состоящие из атомов и молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают, называются неполярными.

Примерами таких веществ являются одноатомные благородные (инертные) газы; газы, состоящие из симметричных двухатомных молекул (кислород, водород, азот); различные органические жидкости (масла, бензины); некоторые твердые тела (пластмассы).

Поместим такой диэлектрик в однородное электростатическое поле с напряженностью \(\vec E_0\) .

На отрицательно и положительно заряженные частицы начинают действовать силы, направленные в противоположные стороны (рис. 5).

В результате молекула растягивается и происходит незначительное смещение центров положительного и отрицательного зарядов.

Образуется система двух точечных зарядов q, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии l друг от друга (рис. 6). Такую нейтральную в целом систему зарядов называют электрическим диполем.

Электрический диполь создает электрическое поле напряженностью Едi, которая направлена против напряженности внешнего поля Е0.

В диэлектрике, состоящем из множества таких диполей, с напряженность Едi, общая напряженность Е становится меньше напряженности внешнего поля Е0 (рис. 7).

Вследствие смещения зарядов на одной поверхности диэлектрика появляются преимущественно отрицательные заряды диполей, а на другой – положительные (рис. 8). Внутри любого объема диэлектрика суммарный электрический заряд молекул в этом объеме равен нулю.

  • Заряды, которые образуются на поверхности диэлектрика, помещенного в электрическое поле, называются связанными.
  • Смещение связанных положительных и отрицательных зарядов диэлектрика в противоположные стороны под действием приложенного внешнего электростатического поля называют поляризацией.
  • Поляризация диэлектрика, в результате которой происходит смещение электронных оболочек, называется электронной поляризацией.

Электронная поляризация происходит в атомах любого диэлектрика, помещенного в электрическое поле.

Полярный диэлектрик

Многие диэлектрики (H2O, H2S, NO2) образованы из молекул, каждая из которых является электрическим диполем и в отсутствии внешнего электрического поля. Такие молекулы и образованные ими диэлектрики называются полярными.

Например, молекула поваренной соли NaCl. При образовании молекулы единственный валентный электрон натрия захватывается хлором. Оба нейтральных атома превращаются в систему из двух ионов с зарядами противоположных знаков. Центр положительного заряда молекулы приходится на ион натрия (Na), а отрицательного – на ион хлора (Cl) (рис. 9).

При отсутствии внешнего поля молекулярные диполи из-за теплового движения расположены хаотично, поэтому их суммарный дипольный момент равен нулю.

Поместим полярный диэлектрик в однородное электростатическое поле с напряженностью \(\vec E_0\) . Со стороны этого поля на диполь будут действовать две силы, одинаковые по модулю и противоположные по направлению.

Эти силы создают вращающий момент, стремящийся повернуть диполь так, чтобы его ось была направлена по линии напряженности поля (рис. 10). Но этому препятствует тепловое движение.

В результате молекула поворачивается лишь частично (рис. 11).

  • Рис. 10
  • Рис. 11

Поворот электрических диполей приводит к появлению еще одного электрического поля с напряженностью Едi, которая направлена против напряженности внешнего поля Е0. В таком диэлектрике общая напряженность Е становится меньше напряженности внешнего поля Е0.

Вследствие поворота молекул на одной поверхности диэлектрика появляются преимущественно отрицательные заряды диполей, а на другой – положительные (см. рис. 11). Такие заряды называются связанные.

Внутри диэлектрика отрицательные и положительные заряды диполей компенсируют друг друга и средний электрический заряд диэлектрика равен нулю.

  • Такой механизм поляризации называется ориентационным.
  • Полная ориентация диполей (состояние насыщения) может быть достигнута лишь в сильных полях при температурах, близких к абсолютному нулю.
  • Для насыщение при комнатных температурах необходимы поля напряженностью 1010 – 1012 В/м. Но чаще всего, даже при значительно меньших напряженностях, наступает пробой диэлектрика.

У полярных диэлектриков, наряду с ориентационной поляризацией, наблюдается и электронная поляризация. Однако эффект ориентации диполей на несколько порядков превосходит эффект смещения зарядов, поэтому последним часто пренебрегают.

Диэлектрическая проницаемость

Таким образом, во всех диэлектриках, помещенных в электростатическое поле, происходит уменьшение напряженности этого поля. Степень ослабления поля зависит от свойств диэлектрика. Для характеристики электрических свойств диэлектриков вводится особая величина, называемая диэлектрической проницаемостью.

  • Диэлектрическая проницаемость ε — это физическая величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля E0 в вакууме к модулю напряженности электростатического поля Ε внутри однородного диэлектрика

\(~\varepsilon = \dfrac{E_0}{E} .\)

Диэлектрическая проницаемость некоторых веществ приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Диэлектрическая проницаемость

Веществоε Веществоε
Бензин2,0Масло2,5
Вакуум, воздух1,0Парафин2,0
Вода дистиллированная81Резина4,5
Дерево сухое2,9Спирт26
Капрон4,3Стекло7,0
Керосин2,1Фарфор5,6
Лед70Эбонит3,1

В диэлектриках при расчете кулоновских сил, напряженностей и потенциалов полей необходимо учитывать ослабление электрического поля в ε раз. Например,

\(F=\dfrac{k\cdot \left|q_{1} \right|\cdot \left|q_{2} \right|}{\varepsilon \cdot r{2} } ,\, \, \, E=\dfrac{k\cdot \left|q\right|}{\varepsilon \cdot r{2} } ,\, \, \, \varphi =\dfrac{k\cdot q}{\varepsilon \cdot r}.\)

Чем отличаются диэлектрики от проводников?

Разница между диэлектриками и проводниками

Все вещества состоят из молекул, молекулы из атомов, атомы из положительно заряженных ядер вокруг которых располагаются отрицательные электроны.

При определенных условиях электроны способны покидать свое ядро и передвигаться к соседним. Сам атом при этом становится положительно заряженным, а соседний получает отрицательный заряд.

Передвижение отрицательных и положительных зарядов под действием электрического поля получило название электрического тока.

В зависимости от свойства материалов проводить электрический ток их делят на:

  1. Проводники.
  2. Диэлектрики.
  3. Полупроводники.

Таблица: чем отличаются проводники и диэлектрики?

ПроводникДиэлектрик
Наличие свободных электроновПрисутствуют в большом количествеОтсутствуют, или присутствуют, но очень мало
Способность материалов проводить электрический токХорошо проводитНе проводит, или ток незначительно мал
Что происходит при увеличении приложенного напряжениеТок, проходящий через проводник, увеличивается согласно закону ОмаТок, проходящий через диэлектрик изменяется незначительно и, при достижения определенного значения, происходит электрический пробой
МатериалыЗолото, серебро, медь и ее сплавы, алюминий и сплавы, железо и другиеЭбонит, фторопласт, резина, слюда, различные пластмассы, полиэтилен и другие материалы
Сопротивлениеот 10-5 до 10-8 степени Ом/м1010 – 1016 Ом/м
Влияние посторонних примесей на сопротивление материалаПримеси ухудшают свойство проводимости материала, что ухудшает его свойстваПримеси улучшают проводимость материала, что ухудшает его свойства
Изменение свойств при изменении температуры окружающей средыПри увеличении температуры – сопротивление увеличивается, при снижении – уменьшается. При очень низких температурах – сверхпроводимость.При увеличении температуры – сопротивление уменьшается.

Проводники и диэлектрики

Разница между диэлектриками и проводниками

> Теория > Проводники и диэлектрики

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

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:

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.

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).

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.

https://www.youtube.com/watch?v=OH5UN-AZfQc

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.

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.

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.

Электрическое поле – это?

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.