Przewodniki, półprzewodniki i dielektryki w polu elektrycznym

W elektryczności wyróżnia się trzy główne grupy materiałów - są to przewodniki, półprzewodniki i dielektryki. Ich główną różnicą jest zdolność przewodzenia prądu. W tym artykule przyjrzymy się, czym różnią się te rodzaje materiałów i jak zachowują się w polu elektrycznym.

Co to jest dyrygent

Substancja, w której obecne są nośniki ładunków swobodnych, nazywana jest przewodnikiem. Ruch swobodnych nośników nazywamy termicznym. Główną cechą przewodnika jest jego rezystancja (R) lub przewodność (G) - odwrotność rezystancji.

G = 1 / R

Mówiąc prościej, przewodnik przewodzi prąd.

Substancje te obejmują metale, ale jeśli mówimy o niemetalach, to na przykład węgiel jest doskonałym przewodnikiem, znalazł zastosowanie w stykach ślizgowych, na przykład w szczotce silnika elektrycznego. Mokra gleba, roztwory soli i kwasów w wodzie, ludzkie ciało również przewodzi prąd, ale ich przewodność elektryczna jest często mniejsza niż np. miedzi czy aluminium.

Metale są doskonałymi przewodnikami ze względu na dużą liczbę nośników wolnych ładunków w ich strukturze. Pod wpływem pola elektrycznego ładunki zaczynają się przemieszczać, a także redystrybuować, obserwuje się zjawisko indukcji elektrostatycznej.

Co to jest dielektryk

Dielektryki to substancje, które nie przewodzą prądu ani nie przewodzą, ale bardzo słabo. Nie mają wolnych nośników ładunku, ponieważ wiązanie między cząsteczkami atomu jest wystarczająco silne, aby tworzenie swobodnych nośników, dlatego pod wpływem pola elektrycznego prąd w dielektryku nie powstaje.

Gaz, szkło, ceramika, porcelana, niektóre żywice, tekstolit, karbolit, woda destylowana, suche drewno, guma są dielektrykami i nie przewodzą prądu elektrycznego. W życiu codziennym dielektryki są wszechobecne, na przykład są używane do produkcji skrzynek na urządzenia elektryczne, przełączników elektrycznych, skrzynek na wtyczki, gniazdka i tak dalej. W liniach elektroenergetycznych izolatory wykonane są z dielektryków.

Jednak w obecności pewnych czynników, na przykład zwiększonego poziomu wilgotności, siła pola elektrycznego jest wyższa dopuszczalna wartość i tak dalej - prowadzą do tego, że materiał zaczyna tracić swoje funkcje dielektryczne i staje się konduktor. Czasami można usłyszeć zwroty typu „awaria izolatora” – jest to zjawisko opisane powyżej.

Krótko mówiąc, główne właściwości dielektryka w dziedzinie elektryczności to izolacja elektryczna. Jest to zdolność do zapobiegania przepływowi prądu, która chroni osobę przed obrażeniami elektrycznymi i innymi problemami. Główną cechą dielektryka jest jego wytrzymałość dielektryczna - wartość równa jego napięciu przebicia.

Co to jest półprzewodnik

Półprzewodnik przewodzi prąd elektryczny, ale nie jak metale, ale pod pewnymi warunkami - przekazywanie energii substancji w wymaganych ilościach. Wynika to z faktu, że nośników wolnych ładunków (dziur i elektronów) jest za mało lub nie ma ich wcale, ale jeśli przyłożymy pewną ilość energii, to się pojawią. Energia może przybierać różne formy - elektryczną, cieplną. Również wolne dziury i elektrony w półprzewodniku mogą powstawać pod wpływem promieniowania, na przykład w widmie UV.

Gdzie są używane półprzewodniki? Służą do wytwarzania tranzystorów, tyrystorów, diod, mikroukładów, diod LED i innych. Do takich materiałów należą krzem, german, mieszaniny różnych materiałów, np. arsenek galu, selen, arsen.

Aby zrozumieć, dlaczego półprzewodnik przewodzi prąd elektryczny, ale nie tak jak metale, należy rozważyć te materiały z punktu widzenia teorii pasmowej.

Teoria stref

Teoria pasmowa opisuje obecność lub brak nośników ładunków swobodnych w odniesieniu do pewnych warstw energii. Poziom energii lub warstwa nazywana jest ilością energii elektronów (jąder atomów, cząsteczek - prostych cząstek), są one mierzone w woltach elektronowych (EV).

Poniższy obrazek przedstawia trzy rodzaje materiałów wraz z ich poziomami energii:

Zauważ, że w przewodniku poziomy energii od pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa są połączone w nierozerwalny diagram. Pasmo przewodnictwa i pasmo walencyjne nakładają się na siebie, nazywa się to pasmem nakładania się. W zależności od obecności pola elektrycznego (napięcia), temperatury i innych czynników liczba elektronów może się zmieniać. Dzięki temu elektrony mogą poruszać się w przewodnikach, nawet jeśli otrzymają minimalną ilość energii.

Półprzewodnik ma pewną zabronioną wartość między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa. Pasmo wzbronione opisuje, ile energii należy przekazać półprzewodnikowi, aby prąd mógł płynąć.

W przypadku dielektryka schemat jest podobny do tego, który opisuje półprzewodniki, ale różnica polega tylko na przerwie energetycznej - tutaj jest ona wielokrotnie duża. Różnice wynikają z wewnętrznej struktury i substancji.

Przyjrzeliśmy się trzem głównym rodzajom materiałów i podaliśmy przykłady i cechy. Ich główną różnicą jest zdolność przewodzenia prądu. Dlatego każdy z nich znalazł swoje własne zastosowanie: przewodniki służą do przesyłania energii elektrycznej, dielektryki - do izolacji części pod napięciem, półprzewodniki - do elektroniki. Mamy nadzieję, że dostarczone informacje pomogły Ci zrozumieć, czym są przewodniki, półprzewodniki i dielektryki w polu elektrycznym, a także jaka jest ich różnica.

Na koniec zalecamy obejrzenie przydatnego filmu na ten temat:

Prawdopodobnie nie wiesz:

• Przyczyny utraty mocy na długich dystansach
• Zależność rezystancji przewodnika od temperatury
• Co to jest strata dielektryczna?
• Co to jest ładunek elektryczny?