Способность материалов проводить электрический ток диэлектрик

Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики

• Что такое проводник
• Что такое диэлектрик
• Что такое полупроводник
• Зонная теория

Что такое проводник

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:

Наверняка вы не знаете:

Что такое диэлектрики и где они используются

Диэлектрики — это вещества, которые не проводят электрический ток, до определенной поры. При определенных условиях проводимость в них зарождается. Этими условиями выступают механические, тепловые — в общем, энергетические виды воздействий. Кроме диэлектриков, вещества также классифицируются на проводники и полупроводники.

Чем отличаются диэлектрики от проводников и полупроводников

Теоретическую разницу между этими тремя видами материалов можно представить, и я это сделаю, на рисунке ниже:

Рисунок красивый, знакомый со школьной скамьи, но что-то практическое из него не особо вытянешь. Однако, в этом графическом шедевре четко определена разница между проводником, полупроводником и диэлектриком.

И отличие это в величине энергетического барьера между валентной зоной и зоной проводимости.

В проводниках электроны находятся в валентной зоне, но не все, так как валентная зона — это самая внешняя граница. Точно, это как с мигрантами. Зона проводимости пуста, но рада гостям, так как у неё полно для них свободных рабочих мест в виде свободных энергетических зон. При воздействии внешнего электрического поля, крайние электроны приобретают энергию и перемещаются в свободные уровни зоны проводимости. Это движение мы еще называем электрическим током.

В диэлектриках и проводниках всё аналогично, за исключением того, что имеется “забор” — запрещенная зона. Эта зона расположена между валентной и зоной проводимости. Чем больше эта зона, тем больше энергии требуется для преодоления электронами этого расстояния. У диэлектриков величина зоны больше, чем у полупроводников. Этому есть даже условие: если дЭ>3Эв (электронвольт) — то это диэлектрик, в обратном случае дЭ

Главными электрическими свойствами диэлектриков являются поляризация (смещение зарядов) и электропроводность (способность проводить электрический ток) Смещение связанных зарядов диэлектрика или их ориентация в электрическом поле называется поляризацией. Это свойство диэлектрических материалов характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε. При поляризации на поверхности диэлектрика образуются связанные электрические заряды.

В зависимости от типа диэлектрика поляризация может быть: электронной, ионной, дипольно-релаксационной, спонтанной. Более подробно про их свойства на инфографике ниже.

Под электропроводностью понимают способность диэлектрика проводить электрический ток. Ток, протекающий в диэлектрике называется током утечки. Ток утечки состоит из двух составляющих — тока абсорбционного и тока сквозного. Сквозные токи обусловлены наличием свободных зарядов в диэлектрике, абсорбционный ток — поляризационными процессами до момента установления равновесия в системе.

Величина электропроводности зависит от температуры, влажности и количества свободных носителей заряда.

При увеличении температуры электропроводность диэлектриков увеличивается, а сопротивление падает.

Зависимость от влажности вновь возвращает нас к классификации диэлектриков. Ведь, неполярные диэлектрики не смачиваются водой и на изменение влажности им нет дела. А у полярных диэлектриков при увеличении влажности повышается содержание ионов, и электропроводность увеличивается.

Проводимость диэлектрика состоит из поверхностной и объемной проводимостей. Известно понятие удельной объемной проводимости, обозначается буквой сигма σ. А обратная величина называется удельное объемной сопротивление и обозначается буквой ро ρ.

Резкое увеличение проводимости в диэлектрике при возрастании напряжения может привести к электрическому пробою. И аналогично, если сопротивление изоляции падает, значит изоляция не справляется со своей задачей и необходимо применять меры. Сопротивление изоляции состоит из поверхностного и объемного сопротивлений.

Под диэлектрическими потерями в диэлектриках понимают потери тока внутри диэлектрика, которые рассеиваются в виде тепла. Для определения этой величины вводят параметр тангенс дельта tgδ. δ — угол, дополняющий до 90 градусов, угол между током и напряжением в цепи с емкостью.

Диэлектрические потери бывают: резонансные, ионизационные, на электропроводность, релаксационные. Теперь подробнее поговорим про каждый тип.

Электрическая прочность это отношение пробивного напряжения к расстоянию между электродами (или толщина диэлектрика). Эта величина определяется минимальной величиной напряженности электрического поля, при которой произойдет пробой.

Пробой может быть электрическим (ударная ионизация, фотоионизация), тепловым (большие диэлектрические потери, следовательно много тепла, и обугливание с оплавлением может произойти) и электрохимическим (в результате образования подвижных ионов).

И в конце таблица диэлектриков, как же без нее.

В таблице выше приведены данные по электрической прочности, удельному объемному сопротивлению и относительной диэлектрической проницаемостью для различных веществ. Также тангенс угла диэлектрических потерь не обошли стороной.

Электропроводность диэлектриков Электропроводность диэлектриков Электропроводность – способность материала

• Количество слайдов: 27

Электропроводность диэлектриков» src=»https://present5.com/presentacii/20170503/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_images/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_0.jpg» alt=»>Электропроводность диэлектриков» /> Электропроводность диэлектриков

Электропроводность диэлектриков Электропроводность – способность материала проводить электрический ток. » src=»https://present5.com/presentacii/20170503/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_images/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_1.jpg» alt=»>Электропроводность диэлектриков Электропроводность – способность материала проводить электрический ток. » /> Электропроводность диэлектриков Электропроводность – способность материала проводить электрический ток. Электрический ток – направленное движение заряженных частиц. В диэлектриках возможно присутствие: свободных зарядов; связанных зарядов. Направленное перемещение связанных зарядов называется током смещения (iсм) или абсорбцион-ным током (iаб). Направленное движение свободных зарядов называется сквозным током (iскв).

Наличие абсорбционного тока в диэлектрике обусловлено происходящими в нем поляризационными процессами: либо мгновенно протекающими» src=»https://present5.com/presentacii/20170503/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_images/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_2.jpg» alt=»>Наличие абсорбционного тока в диэлектрике обусловлено происходящими в нем поляризационными процессами: либо мгновенно протекающими» /> Наличие абсорбционного тока в диэлектрике обусловлено происходящими в нем поляризационными процессами: либо мгновенно протекающими ( ≈10-13÷10-15с), либо замедленно ( релаксационные виды поляризации). iсм=iаб=iмгн+iр При приложении к диэлектрику электрического поля постоянного напряжения абсорбционный ток протекает только в момент приложения и снятия напряжения. При переменном напряжении iаб протекает постоянно.

Ток , протекающий в диэлектрике, называется током утечки (iут). Ток» src=»https://present5.com/presentacii/20170503/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_images/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_4.jpg» alt=»>Ток , протекающий в диэлектрике, называется током утечки (iут). Ток» /> Ток , протекающий в диэлектрике, называется током утечки (iут). Ток утечки представляет собой сумму сквозного тока и тока абсорбции: iут=iскв+iаб

Электропроводность диэлектриков носит, в основном, ионный характер. Ионы переносят с» src=»https://present5.com/presentacii/20170503/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_images/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_5.jpg» alt=»>Электропроводность диэлектриков носит, в основном, ионный характер. Ионы переносят с» /> Электропроводность диэлектриков носит, в основном, ионный характер. Ионы переносят с собой часть вещества. Сопротивление изоляции определяется величиной сквозного тока: Ток, измеренный через 1 минуту после приложения к диэлектрику постоянного напряжения, принимается за сквозной ток.

Для твердых диэлектриков различают объемную и поверхностную проводимость. Для количественной оценки способности материала» src=»https://present5.com/presentacii/20170503/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_images/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_6.jpg» alt=»>Для твердых диэлектриков различают объемную и поверхностную проводимость. Для количественной оценки способности материала» /> Для твердых диэлектриков различают объемную и поверхностную проводимость. Для количественной оценки способности материала проводить электрический ток используются: удельное объемное сопротивление (ρ) или удельная объемная проводимость (γ); R – объемное сопротивление образца, Ом; S – площадь электрода, м2; h – площадь образца, м.

В процессе эксплуатации диэлектрика сквозной ток через него либо увеличивается, либо уменьшается. » src=»https://present5.com/presentacii/20170503/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_images/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_9.jpg» alt=»>В процессе эксплуатации диэлектрика сквозной ток через него либо увеличивается, либо уменьшается. » /> В процессе эксплуатации диэлектрика сквозной ток через него либо увеличивается, либо уменьшается. Увеличение сквозного тока говорит об участии в электропроводности зарядов, являющихся структур-ными элементами самого материала, т. е. об изменении химического состава материала – старении изоляции (необратимом ухудшении изоляционных свойств). Уменьшение сквозного тока говорит об электри-ческой очистке материала за счет удаления примесей (ионы примесей переносят с собой часть вещества) . Электропроводность диэлектриков зависит от : агрегатного состояния вещества; влажности; температуры.

Электропроводность газов Электропроводность газов очень мала при» src=»https://present5.com/presentacii/20170503/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_images/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_10.jpg» alt=»>Электропроводность газов Электропроводность газов очень мала при» /> Электропроводность газов Электропроводность газов очень мала при небольших значениях напряженности электрического поля. Ток в газах возникает при появлении в них ионов или свободных электронов за счет ионизации молекул. Ионизация молекулы – это распад молекулы на электрон и положительно заряженный ион.

Ионизация нейтральных молекул газа возникает: Под действием внешних факторов: рентгеновские лучи,» src=»https://present5.com/presentacii/20170503/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_images/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_11.jpg» alt=»>Ионизация нейтральных молекул газа возникает: Под действием внешних факторов: рентгеновские лучи,» /> Ионизация нейтральных молекул газа возникает: Под действием внешних факторов: рентгеновские лучи, ультрафиолетовое излучение, нагрев, радиоактивные излучения и т. п. Вследствие соударения разогнанных электри-ческим полем заряженных частиц с молекулами.

Электропроводность газов, обусловленная воздействием внешних факторов, называется несамостоятельной. » src=»https://present5.com/presentacii/20170503/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_images/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_12.jpg» alt=»>Электропроводность газов, обусловленная воздействием внешних факторов, называется несамостоятельной. » /> Электропроводность газов, обусловленная воздействием внешних факторов, называется несамостоятельной. В 1 см3 газа при нормальных условиях ежесекундно образуется от 3 до 5 пар заряженных частиц. Часть из них исчезает – рекомбинирует ( положительно заряженный ион и свободный электрон при столкновении образуют нейтральную молекулу). Электропроводность газов, обусловленная ионизацией молекул под действием электрического поля, называется самостоятельной. Самостоятельная электропроводность проявляется только в сильных электрических полях.

Виды ионизации молекул Ударная ионизация – распад молекулы при соударении с» src=»https://present5.com/presentacii/20170503/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_images/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_13.jpg» alt=»>Виды ионизации молекул Ударная ионизация – распад молекулы при соударении с» /> Виды ионизации молекул Ударная ионизация – распад молекулы при соударении с электроном, если энергия приобретенная им под действием электрического поля достаточна для ионизации молекулы. Фотонная ионизация – ионизация молекулы за счет захвата фотонов. За счет захвата молекулой электрона при их столкновении образуются отрицательные ионы (только для электроотрицательных газов).

Зависимость тока в газах от напряжения» src=»https://present5.com/presentacii/20170503/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_images/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_14.jpg» alt=»>Зависимость тока в газах от напряжения» /> Зависимость тока в газах от напряжения

Пояснение графика зависимости тока от напряжения I участок кривой ( до» src=»https://present5.com/presentacii/20170503/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_images/10-4_elektroprovodnosty_dielektrikov.ppt_15.jpg» alt=»>Пояснение графика зависимости тока от напряжения I участок кривой ( до» /> Пояснение графика зависимости тока от напряжения I участок кривой ( до напряжения насыщения — Uн) выполняется закон Ома – ток пропорционален напряжению; II участок (горизонтальный): при напряжении Uн скорость дрейфа ионов настолько возрастает, что вероятность их рекомбинации уменьшается, и, в основном, все ионы устремляются к электродам. Плотность тока насыщения

10-15 А/м2, достигается ток насыщения в воздухе при h=10 мм и E=0,6 В/м. III участок: при напряжении, большем напряжения ионизации (Uи) возникает ударная ионизация и проявляется самостоятельная электропроводность. Для воздуха Еи=105÷106В/м.

Классификация веществ по способности проводить электрический ток

Ответ или решение 2

Электрическим током называется направленное движение заряженных частиц.

Для появления электрического тока необходимо 2 условия:

• наличие заряженных частиц;
• заряженные частицы должны двигаться в одном направлении.

В зависимости от наличия свободных заряженных частиц все вещества разделяются на 3 вида:

1. проводники;
2. полупроводники;
3. диэлектрики.

Проводники

Это вещества, в которых большая концентрация свободных носителей заряда. К ним относятся металлы, электролиты и ионизированный газ.

В металлах свободными носителями заряда являются свободные электроны, в электролитах и ионизированном газе ионы. Положительно заряженные ионы называются катионами, отрицательно заряженные ионы анионы.

Под действием электрического поля электроны в металлах, ионы в электролитах и газе начинают упорядоченно двигаться, образовывая электрический ток. К электролитам относят водные растворы солей и кислот.

У металлов проводимость электронная, в электролитах и ионизированном газе ионная.

Полупроводники

Вещества, концентрация свободных носителей электрического заряда зависит от внешних условий (температуры, освещенности и т.д.).

При повышении температуры (освещенности) у вещества, вследствие теплового движения, некоторые электроны становятся свободными, а их место становится вакантным. Место, которое покинул электрон, называется «дырка», она имеет положительный электрический заряд.

При наличии электрического поля «дырки» и электроны двигаются в противоположенных направлениях, образовывают направленное движения электрических зарядов, то есть электрический ток. У полупроводников электронно-дырочная проводимость электрического тока, которая зависит от внешних факторов.

К полупроводникам относят: германий, кремний, селен.

Диэлектрики

Вещества, в которых свободные носители заряда отсутствуют. Диэлектрики не проводят электрический ток, ни при каких условиях, их еще называют изоляторами. К ним относятся слюда, керамика, стекло, резина.

Вещества по способности проводить электрический ток делятся на 3 группы:

Проводники — вещества, которые хорошо проводят электрический ток.

К ним относятся металлы, растворы солей, кислот, щелочей в воде. Для них характерно наличие свободных заряженных частичек (электронов, ионов), которые под действием электрического поля двигаются.

Полупроводники — вещества, в которых электрическая проводимость зависит от внешних условий. Количество свободных заряженных частиц в них зависит от определенных условий: температуры, освещенности, наличия примесей.

К ним относятся кремний, индий, германий.

Диэлектрики — вещества, которые ни при каких условиях не проводят электрический ток. В них очень маленькая концентрация свободных носителей заряда.