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.
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.
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.
Задание
Copyright © R9AL 2021 Все права защищены
