Усі речовини складаються з атомів, молекул чи іонів. Позитивний іон виходить з атома, що втратив частину електронів. Негативний іон навпаки виходить за рахунок приєднання до атома додаткових електронів. Іонами також можуть бути групи атомів, що втратили або приєднали електрони.
Атоми мають позитивно заряджене ядро та негативну електронну оболонку. Загалом атоми та молекули електрично нейтральні, оскільки несуть однакові позитивні та негативні заряди.
Усі речовини за своїми електричними властивостями діляться на провідники, напівпровідники та діелектрики. Цей поділ визначається структурою атома: чим легше відірвати від нього електрон і тим самим отримати вільні заряди, що утворюють електричний струм у речовині, тим більша його електропровідність.
Всі метали хороші провідники, тому що в твердому стані являють собою кристали, у вузлах решітки яких розташовані позитивно заряджені іони (атоми металу, які втратили електрон), а в проміжках між ними велика кількість вільних електронів, так званий «електронний газ».
Саме наявність вільних електронів призводить до високої електропровідності та теплопровідності металів.
У діелектриках, навпаки, вільні електрони практично відсутні, що обумовлює дуже низьку електропровідність (дивіться також: Чому діелектрики не проводять електричний струм).
Силовий електричний кабель: мідні жили – провідник, ізоляція – діелектрик
Напівпровідники займають проміжне положення між провідниками та діелектриками.
При нулі Кельвіна (273 про C) у напівпровіднику вільні електрони відсутні.Однак якщо напівпровідник нагріти, опромінити, висвітлити і т. д., то частина електронів, отримавши надлишок енергії, стануть вільними, а атоми, що втратили електрони, позитивними іонами.
Утворюються так звані пари електрон-дірка, здатні утворити електричний струм за наявності зовнішнього електричного поля.
Наявність двох типів провідностей (електронної та діркової) призводить до багатьох цікавих властивостей напівпровідників, що забезпечує їх широке поширення у сучасній техніці.
Напівпровідниковий випрямний діод 1n4007
Електричні властивості речовини визначаються як особливостями будови атомів. Наприклад, одні й самі атоми вуглецю можуть утворювати діелектрик (алмаз) і хороший провідник (графіт).
Графітові щітки для електродвигуна постійного струму
Домішки і дефекти кристалічних ґрат теж сильно змінюють електричні властивості твердих тіл, оскільки впливають на здатність атомів втрачати або набувати електрон.
Дефекти кристалічної решітки (наприклад, наявність вакансій – вільних від іонів вузлів решітки) або домішки іонів інших речовин у ґратах можуть сильно змінити електропровідність речовини завдяки підвищеній рухливості іонів у таких ґратах.
Електричний струм у речовині обумовлений переміщення зарядів (у металах – вільних електронів) При переміщенні заряди взаємодіють (зіштовхуються) з атомами речовини, віддаючи їм свою енергію, отриману від зовнішнього електричного поля.
У 1911 році голландський вчений Хейке Камерлінг-Оннес виявив, що при охолодженні до 4,2 K (268,80 про C) опір кільця із замороженої ртуті раптово, різким стрибком впав до нуля – до значення, яке практично не може бути виміряне.
Так було відкрито явище надпровідності, яке у 1930-х роках теоретично пояснив радянський фізик Л. Д. Ландау і лише тепер починає знаходити практичне використання (надпровідні постійні магніти, обмотки спеціальних електричних двигунів та потужних генераторів тощо).
У разі надпровідності утворюються електронні пари, які можуть переміщатися у речовині, не взаємодіючи з нею.
Надпровідний квадрупольний магніт, що використовується для фокусування частинок у ВАК (Великому адронному колайдері)
В даний час ведуться роботи зі створення високотемпературних надпровідників, які б дозволили уникнути необхідності застосування дорогих холодильних установок.
Припускають, що "металевий водень", отриманий з "звичайного" твердого водню впливом на нього надзвичайно високого тиску, може бути високотемпературним надпровідником, здатним працювати при температурах до декількох сотень градусів Кельвіна.
Великі надії покладаються також на полімерні надпровідники – органічні сполуки, в яких можливе існування електронних пар за «звичайних» температур.
Дуже добрим провідником є плазма – особливий стан речовини, коли під дією високої температури відбувається сильна, практично повна його іонізація. Велика кількість електричних зарядів, як позитивних, і негативних, обумовлює високу електропровідність плазми.
Відмінності між провідниками та діелектриками:
Телеграм канал для тих, хто щодня хоче дізнаватися нове та цікаве: Школа для електрика
Діелектрики – це речовини, які проводять електричний струм, до певних умов. За певних умов провідність у них зароджується. Цими умовами виступають механічні, теплові – загалом, енергетичні види впливів. Крім діелектриків, речовини також класифікуються на провідники та напівпровідники.
Чим відрізняються діелектрики від провідників та напівпровідників
Теоретичну різницю між цими трьома видами матеріалів можна уявити, і я це зроблю, на малюнку нижче:
Малюнок гарний, знайомий зі шкільної лави, але щось практичне з нього не надто витягнеш. Однак у цьому графічному шедеврі чітко визначена різниця між провідником, напівпровідником та діелектриком.
І відмінність це у величині енергетичного бар'єру між валентною зоною та зоною провідності.
У провідниках електрони знаходяться у валентній зоні, але не всі, оскільки валентна зона – це найзовніша межа. Точно, це як із мігрантами. Зона провідності порожня, але рада гостям, оскільки в неї повно для них вільних робочих місць у вигляді вільних енергетичних зон. При дії зовнішнього електричного поля крайні електрони набувають енергію і переміщуються у вільні рівні зони провідності. Цей рух ми називаємо електричним струмом.
У діелектриках та провідниках все аналогічно, за винятком того, що є "огорож" – заборонена зона. Ця зона розташована між валентною та зоною провідності. Чим більша ця зона, тим більше енергії потрібно подолати електронами цієї відстані. У діелектриків величина зони більша, ніж у напівпровідників.Цьому є навіть умова: якщо дЕ>3Ев (електронвольт) – то це діелектрик, у протилежному випадку дЕ
У цій статті далі йтиметься тільки про діелектриків. І якщо ми трохи заглибилися в науку, то поговоримо далі про властивості та величини, які характеризують ці електротехнічні матеріали загалом.
Види та типи діелектриків
Класифікація діелектриків досить велика. Тут зустрічаються рідкі, тверді та газоподібні речовини. Далі вони поділяються за певними ознаками. Нижче наведено умовну класифікацію діелектриків з прикладами у формі списку.
- газоподібні
- полярні
- неполярні (повітря, елегаз)
- полярні (вода, аміак)
- рідкі кристали
- центросиментичні
- аморфні
- смоли, бітуми (епоксидна смола)
- скла
- невпорядковані полімери
- нерегулярні кристали
- кераміка
- упорядковані полімери
- ситали
- молекулярні
- ковалентні
- іонні
- параелектрики зміщення
- параелектрики „порядок-безладдя”
- монокристали
- піроелектрики
- сегнетоелектрики зміщення
- сегнетоелектрики „порядок-безладдя”
- лінійні піроелектрики
- з водневими зв'язками
- ковалентні
- іонні
- електронних дефектів
- іонних дефектів
- полярних молекул
- макродиполів
- сегнетоелектричних доменів
- кристалів у матриці
Якщо брати рідкі та газоподібні діелектрики, то основна класифікація лежить у питанні полярності. Різниця у симетричності молекул. У полярних молекулах несиметричні, у неполярних – симетричні. Несиметричні молекули називають диполями. У полярних рідинах провідність настільки велика, що їх неможливо використовувати як ізоляційні речовини. Тому для цих цілей використовують неполярну, теж трансформаторну олію.А наявність полярних домішок навіть у сотих частках значно знижує планку пробою та негативно позначається на ізоляційних властивостях неполярних діелектриків.
кристали є щось середнє між рідиною і кристалом, як випливає з назви.
Ще популярним питанням про властивості та застосування рідких діелектриків буде наступне: вода – діелектрик чи провідник? У чистій дистильованій воді відсутні домішки, які могли б викликати протікання струму. Чисту воду можна створити в лабораторних, промислових умовах.
Створити електричний ланцюг (джерело струму – провід – вода – провід – лампочка – інший провід – джерело струму), в якій однією з ділянок для протікання струму буде посудина з дистильованою водою. .. Ну а якщо загориться, значить вода з домішками.
Тому будь-яка вода, яку ми зустрічаємо: із крана, в озері, у ванній – буде провідником за рахунок домішок, які створюють можливість для протікання струму. Не купайтеся в грозу, не працюйте вологими руками з електрикою.
Для твердих діелектриків класифікація в основному лежить у питанні активності і пасивності. Якщо властивості постійні, то діелектрик використовують як ізоляційний матеріал, тобто він пасивний. застосовують для інших цілей. Папір є діелектриком, якщо вода просочена водою – то струм проводиться і він провідник, якщо папір просочений трансформаторним маслом – це діелектрик.
Фольгою називають тонку металеву пластину, метал – як відомо, є провідником. У продажу є, наприклад, ПВХ-фольга, тут слово фольга для наочності, а слово ПВХ – для розуміння сенсу – адже ПВХ це діелектрик. Хоча у вікіпедії – фольгою називається тонкий лист металу.
Аморфні рідини – це і смола, і скло, і бітум, і віск. При підвищенні температури цей діелектрик тане, це заморожені речовини – це дикі визначення, які характеризують лише одну межу правди.
Полікристали – це ніби зрощені кристали, об'єднані в один кристал. Наприклад, сіль.
Монокристал – це цілісний кристал, на відміну від вищезгаданого полікристалу, що має безперервну кристалічну решітку.
П'єзоелектрики – діелектрики, у яких при механічному впливі (розтягуванні-стисканні), виникає процес іонізації. Застосовується у запальничках, детонаторах, УЗД-обстеженні.
Піроелектрики – при зміні температури у цих діелектриках відбувається мимовільна поляризація. Також вона відбувається при механічному впливі, тобто піроелектрики є ще й п'єзоелектриками, але не навпаки. Прикладами служать бурштин та турмалін.
Фізичні властивості діелектриків
Щоб оцінити якість і рівень придатності діелектрика, необхідно якось описати його параметри. Якщо стежити за цими параметрами, можна вчасно запобігти аварії, замінивши елемент на новий з допустимими параметрами. Цими параметрами виступають: поляризація, електропровідність, електрична міцність та діелектричні втрати. Для кожного з цих параметрів існує своя формула та постійна величина, в порівнянні з якою проводиться висновок про рівень придатності матеріалу.
Головними електричними властивостями діелектриків є поляризація (зміщення зарядів) та електропровідність (здатність проводити електричний струм). Зміщення зв'язаних зарядів діелектрика або їх орієнтація в електричному полі називається поляризацією. Ця властивість діелектричних матеріалів характеризується відносною діелектричною проникністю. ε. При поляризації поверхні діелектрика утворюються пов'язані електричні заряди.
Залежно від типу діелектрика поляризація може бути: електронною, іонною, дипольно-релаксаційною, спонтанною. Більш докладно про їх характеристики на інфографіці нижче.
Під електропровідністю розуміють здатність діелектрика проводити електричний струм. Струм, що протікає в діелектриці називається струмом витоку. Струм витоку складається з двох складових – струму абсорбційного та наскрізного струму. Наскрізні струми обумовлені наявністю вільних зарядів у діелектриці, абсорбційний струм – поляризаційними процесами до моменту встановлення рівноваги у системі.
Величина електропровідності залежить від температури, вологості та кількості вільних носіїв заряду.
При збільшенні температури електропровідність діелектриків збільшується, а опір падає.
Залежність від вологості знову повертає нас до класифікації діелектриків. Адже неполярні діелектрики не змочуються водою і на зміну вологості їм немає справи. А у полярних діелектриків при збільшенні вологості підвищується вміст іонів і електропровідність збільшується.
Провідність діелектрика складається з поверхневої та об'ємної провідностей. Відомо поняття питомої об'ємної провідності, що позначається буквою сигма σ. А обернена величина називається питомий об'ємний опір і позначається буквою ро ρ.
Різке збільшення провідності в діелектриці у разі зростання напруги може призвести до електричного пробою. І аналогічно, якщо опір ізоляції падає, то ізоляція не справляється зі своїм завданням і необхідно застосовувати заходи. Опір ізоляції складається з поверхневого та об'ємного опорів.
Під діелектричними втратами діелектриках розуміють втрати струму всередині діелектрика, які розсіюються як тепла. Для визначення цієї величини вводять параметр тангенс дельта tgδ. δ – кут, що доповнює до 90 градусів, кут між струмом і напругою в ланцюзі з ємністю.
Діелектричні втрати бувають: резонансні, іонізаційні, електропровідність, релаксаційні. Тепер докладніше поговоримо про кожен тип.
Електрична міцність – це відношення пробивної напруги до відстані між електродами (або товщина діелектрика). Ця величина визначається мінімальною величиною напруженості електричного поля, коли станеться пробою.
Пробою може бути електричним (ударна іонізація, фотоіонізація), тепловим (великі діелектричні втрати, отже багато тепла, і обвуглювання з оплавленням може статися) та електрохімічним (у результаті утворення рухливих іонів).
І в кінці таблиця діелектриків, як без неї.
У таблиці вище наведені дані щодо електричної міцності, питомого об'ємного опору та відносної діелектричної проникністю для різних речовин. Також тангенс кута діелектричних втрат не оминули.
Чим відрізняються між собою провідники, діелектрики та напівпровідники? - Druzhba.v.ua Провідники та діелектрики – два класи речовин, що відіграють ключову роль у роботі всіх електротехнічних пристроїв. Без глибокого розуміння їхньої природи та властивостей неможливе створення сучасної електроніки.У цій статті ми розберемося, що є провідниками і діелектриками, чим вони відрізняються і як взаємодіють.
1. Будова та природа провідників
Провідником називається речовина, що легко проводить електричний струм. Це з наявністю у провіднику великої кількості вільних заряджених частинок, які можуть рухатися під впливом електричного поля.
Існують два основні типи провідників:
- Метали, у яких носіями заряду є вільні електрони.
- Електроліти – водні розчини кислот, лугів та солей, де переміщуються позитивні та негативні іони.
У металах ключову роль грають звані «вільні електрони», які можуть легко переміщатися між атомами металу. Ці особливі електрони забезпечують високу електропровідність.
У електролітах носіями заряду є позитивні і негативні іони, які рухаються до електродів з протилежним знаком при накладенні електричного поля.
2. Основні властивості провідників
Основні характеристики провідників:
- Висока електрична провідність через велику кількість вільних носіїв заряду.
- Малий опір проходженню електричного струму.
- Відсутність електричного поля усередині провідника у рівноважному стані.
- Одинаковий електричний потенціал у всіх точках провідника.
- При приміщенні у зовнішнє поле електричне поле усередині провідника стає перпендикулярним до його поверхні.
Ці особливості визначають широке застосування провідників в електротехніці та електроніці.
3. Застосування провідників
- Для передачі та розподілення електроенергії за допомогою проводів.
- Як контакти та електроди в електричних ланцюгах.
- Для екранування електромагнітних полів.
- У системах заземлення для захисту від ураження електричним струмом.
- При створенні антен та інших пристроїв передачі електромагнітних сигналів.
Завдяки своїм унікальним властивостям, провідники незамінні у всіх сферах, пов'язаних з електрикою.
4. Природа та будова діелектриків
На відміну від провідників, діелектрики дуже погано проводять електричний струм. Це з тим, що у діелектриках майже всі заряджені частинки жорстко пов'язані з атомами не можуть вільно переміщатися.
Такі властивості діелектриків визначаються будовою їх атомів та молекул. Електрони в діелектриках міцно утримуються електронними оболонками атомів і можуть відриватися.
Крім того, молекули діелектриків часто є полярними – з поділом позитивного та негативного зарядів. Це також ускладнює рух зарядів.
5. Властивості діелектриків
Основні властивості діелектриків:
- Надзвичайно високий питомий електричний опір.
- Дуже низька електропровідність.
- За сильних електричних полів можлива поляризація і навіть іонізація молекул.
- На відміну від провідників у діелектриці існує електричне поле.
- Характеристика діелектрика є його діелектрична проникність.
Ці особливості дозволяють ефективно використовувати діелектрики в електротехніці.
6. Застосування діелектриків
- Для ізоляції струмопровідних частин та запобігання коротким замиканням.
- У конденсаторах накопичення електричної енергії.
- Як підкладки в електронних схемах.
- Як оптичні середовища передачі електромагнітного випромінювання.
- для зберігання статичних електричних зарядів.
Унікальні діелектричні властивості цих матеріалів дуже важливі у багатьох галузях науки та техніки.
7. Електростатична індукція
Явище електростатичної індукції чи поляризації у тому, що з поміщенні провідника чи діелектрика в електричне полі відбувається просторове поділ зарядів.
У провіднику це реалізується з допомогою зміщення вільних електронів, а діелектриці – через орієнтацію полярних молекул.
Знаючи величину та напрямок зовнішнього поля, можна розрахувати індуковані у провіднику та діелектриці заряди.
Електростатична індукція використовується, наприклад, у конденсаторах для посилення електричного поля в діелектриці.
8. Особливі властивості напівпровідників
Напівпровідники займають проміжне положення між діелектриками та провідниками. Їхня електропровідність сильно залежить від температури та інших факторів.
Особливість напівпровідників – наявність електронно-діркової провідності, коли носіями заряду виступають як електрони, так і "дірки" в кристалічній решітці.
Ці ефекти визначають унікальну роль напівпровідників у сучасній електроніці.
Перспективним напрямком є застосування надпровідності, що дозволяє напівпровідникам проводити електроенергію без втрат.
9. Вплив домішок на властивості напівпровідників
Електричні властивості напівпровідників сильно залежать від наявності домішок у їхній кристалічній решітці. Навіть невелика кількість домішкових атомів може радикально вплинути на провідність напівпровідника.
Домішки, що додають зайві електрони у ґрати, називаються донорними. Вони підвищують електронну провідність напівпровідника. А домішки, навпаки, забирають електрони і створюють дірки, звуться акцепторних. Вони збільшують дірочну провідність.
Завдяки введенню спеціально підібраних домішок можна в широких межах змінювати електричні характеристики напівпровідників та створювати матеріали з потрібними властивостями.
10. p-n перехід та напівпровідникові діоди
Найважливішим застосуванням напівпровідників є діоди. Вони створюються з урахуванням p-n переходу – кордону між областями напівпровідника з протилежними типами провідності.
p-області домінує діркова провідність, а в n-області – електронна. На межі цих областей утворюється електричне поле, яке перешкоджає проходженню носіїв заряду.
Такий діод пропускає струм лише в одному напрямку, що використовується для випрямлення змінного струму та демодуляції сигналів.
11. Напівпровідникові транзистори
Ще одне найважливіше застосування напівпровідників – транзистори. Це триелектродні прилади, в яких струм між двома електродами контролюється третім.
У біполярних транзисторах використовуються два послідовні p-n переходи, а в польових – p-n перехід і область зі змінною електропровідністю.
Транзистори є основою цифрової електроніки та обчислювальної техніки, що дозволяє створювати інтегральні схеми величезної складності.
12. Перспективи застосування напівпровідників
Активно ведуться дослідження нових напівпровідникових матеріалів – графену, дихалькогенідів перехідних металів, органічних напівпровідників.
Розробляються методи створення гнучкої та розтяжної електроніки на основі напівпровідників для потреб медицини, робототехніки та обчислювальних пристроїв нового покоління.
Інший важливий напрямок – силова електроніка з використанням швидкодіючих напівпровідникових ключів для енергозберігаючих технологій.
Таким чином, напівпровідники мають колосальний потенціал для подальшого технологічного прориву.
- піроелектрики
- аморфні