Проводники, диэлектрики, полупроводники.

      Понятия проводников и диэлектриков получили широкое распространение в связи с использованием электроэнергии. Необходимо было четко понимать как ведут себя в электрическом поле и в отношении переноса электрических зарядов.

Как таковой границы между проводниками и диэлектриками нет, так как при определенных условиях вещество, являющееся проводником, может проявить свойства диэлектрика и наоборот. Например, углерод в виде графита или угля, является хорошим проводником, но в виде алмаза - практически идеальным диэлектриком. Или, например, вода. Дистиллированная вода является диэлектриком, но стоит добавить в нее немного соли и она становится проводником.

Материалы, с удельным сопротивлением более 10⁸ Ом·м принято относить к диэлектрикам, а материалы с удельным сопротивлением менее 10⁵ Ом·м принято относить к проводникам.

      Конечно, кроме удельного сопротивление есть еще ряд параметров, которые следует учитывать при выборе материала:

• Плотность;
• Прочность;
• Температура плавления;
• Гигроскопичность.

Последний интересен тем, что при определённых условиях может перевести хороший диэлектрик в разряд проводников, например сухая древесина - диэлектрик, но мокрая - проводник.

Проводники

Если просто, то материалы которые проводят ток - называются проводниками, а которые не проводят - диэлектриками. Различие - в наличии свободных зарядов, у проводников они есть, а у диэлектриков нет. В качестве этих свободных зарядов могут выступать электроны или ионы.

В качестве проводников могут выступать металлы, растворы солей, ионизированный газ (плазма)

Металлы, как правило, очень хорошие проводники, лучшим проводником из них является Серебро. В металлах и в твердых веществах, а также в плазме, свободными зарядами являются электроны (рис.2).

      В металлах и твердых веществах положительные ионы, оставшиеся после ухода из них электронов - не могут свободно двигаться, оставаясь как бы привязанными к жёсткой структуре материала, например к его кристаллической решетке (рис.3). Но в жидкостях или газах возможно не только появление свободных электронов, сбежавших от своих атомов, но и самих этих атомов (точнее говоря, положительных ионов) в свободном состоянии - теперь они уже не связаны с какой-либо жёсткой структурой и могут свободно перемещаться в пространстве (рис.4).

Диэлектрики

      Есть вещества, у которых в атомах все электроны прочно связаны с ядром и находятся на своих орбитах, в итоге свободных зарядов вообще нет (рис.1).

Диэлектрики, более интересные материалы чем проводники, и кроме высокого удельного сопротивления, кроме их электрической плотности и диэлектрической проницаемости, есть еще ряд интересных свойств, присущих некоторым диэлектрикам, например:

• Пьезоэлектричество - свойство при сжатии продуцировать электрический заряд (прямой пьезоэффект) или обратное свойство - под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься/расширяться, скручиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект).
  
  
• Сегнетоэлектричество - явление возникновения в определенном интервале температур спонтанной поляризации в кристалле, даже в отсутствии внешнего электрического поля.
  
  
• Пироэлектричество - явление возникновения спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, то есть поляризацией в отсутствие внешних воздействий.
  
  
• Электретность - свойство длительное время сохранять поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, которое привело к поляризации (или заряжению) этого диэлектрика, и создающий в окружающем пространстве квазипостоянное электрическое поле.

Ряд этих уникальных свойств присутствует только у диэлектриков и позволяет конструировать на их основе радиоэлектронные компоненты специального назначения.

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.

      К наиболее известным полупроводниковым материалам относятся кремний, германий, галлий, селен.

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.

Сверхпроводники

      Говоря о проводниках было бы не правильно не вспомнить о том, что некоторые вещества, охлажденные до температуры близкой к температуре абсолютного нуля, скачкообразно теряют свое сопротивление току, которое не просто уменьшается, а становится строго равным нулю. Известны несколько сотен соединений, чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость - квантовое явление.

Нулевое сопротивление - не единственная отличительная черта сверхпроводников. Одним из главных отличий сверхпроводников от идеальных проводников является эффект Мейснера - полное вытеснение магнитного поля из объёма сверхпроводника.

В 2019 году была получена сверхпроводимость у гидрида лантана LaH₁₀ при температуре всего -23°C (250K) и давлении 188 ГПа. При этом наблюдался гистерезис - при повышении температуры свыше 245K сверхпроводимость у LaH₁₀ исчезала.

Сверхпроводники находят применение там, где необходимо получать очень сильные магнитные поля, например кабели в Большом адронном коллайдере (БАК), которые сделаны из низкотемпературного сверхпроводника ниобий-титан и рассчитаны на работу при температуре 1,9 К (-271,3 °C), поддерживаемой с помощью сверхтекучего гелия.

Copyright © R9AL 2020 Все права защищены

---