Vodiče, polovodiče a dielektrika v elektrickém poli

V elektřině se rozlišují tři hlavní skupiny materiálů - jsou to vodiče, polovodiče a dielektrika. Jejich hlavním rozdílem je schopnost vést proud. V tomto článku se podíváme na to, jak se tyto typy materiálů liší a jak se chovají v elektrickém poli.

Co je dirigent

Látka, ve které jsou přítomny volné nosiče náboje, se nazývá vodič. Pohyb volných nosičů se nazývá tepelný. Hlavní charakteristikou vodiče je jeho odpor (R) nebo vodivost (G) - převrácená hodnota odporu.

G = 1/R

Jednoduše řečeno, vodič vede proud.

Mezi tyto látky patří kovy, ale pokud mluvíme o nekovech, tak například uhlík je výborný vodič, našel uplatnění v kluzných kontaktech, například v kartáči elektromotoru. Mokrá půda, roztoky solí a kyselin ve vodě, lidské tělo také vede proud, ale jejich elektrická vodivost je často menší než například u mědi nebo hliníku.

Kovy jsou vynikajícími vodiči díky velkému počtu volných nosičů náboje v jejich struktuře. Pod vlivem elektrického pole se náboje začnou pohybovat a také přerozdělovat, je pozorován jev elektrostatické indukce.

Co je dielektrikum

Dielektrika jsou látky, které nevedou proud, nebo vedou, ale velmi špatně. Nemají žádné volné nosiče náboje, protože vazba mezi částicemi atomu je dostatečně silná tvorba volných nosičů, proto pod vlivem elektrického pole proud v dielektriku ne vzniká.

Plyn, sklo, keramika, porcelán, některé pryskyřice, textolit, karbolit, destilovaná voda, suché dřevo, pryž jsou dielektrika a nevedou elektrický proud. V každodenním životě jsou dielektrika všudypřítomná, vyrábí se z nich například pouzdra na elektrospotřebiče, elektrické vypínače, pouzdra na zástrčky, zásuvky a podobně. V elektrických vedeních jsou izolátory vyrobeny z dielektrik.

Avšak za přítomnosti určitých faktorů, například zvýšené úrovně vlhkosti, je intenzita elektrického pole vyšší přípustná hodnota a tak dále - vedou k tomu, že materiál začíná ztrácet své dielektrické funkce a stává se dirigent. Někdy můžete slyšet fráze jako "rozbití izolátoru" - to je jev popsaný výše.

Stručně řečeno, hlavními vlastnostmi dielektrika v oblasti elektřiny jsou elektrické izolační vlastnosti. Je to schopnost zabránit toku proudu, která chrání člověka před úrazy elektrickým proudem a jinými potížemi. Hlavní charakteristikou dielektrika je jeho dielektrická pevnost - hodnota rovna jeho průraznému napětí.

Co je to polovodič

Polovodič vede elektrický proud, ale ne jako kovy, ale za určitých podmínek - přenos energie do látky v požadovaných množstvích. Je to způsobeno tím, že volných nosičů náboje (díry a elektrony) je příliš málo nebo žádné, ale pokud aplikujete určité množství energie, objeví se. Energie může mít různé formy – elektrická, tepelná. Také volné díry a elektrony v polovodiči mohou vznikat vlivem záření např. v UV spektru.

Kde se používají polovodiče? Používají se k výrobě tranzistorů, tyristorů, diod, mikroobvodů, LED a dalších. Takové materiály zahrnují křemík, germanium, směsi různých materiálů, například arsenid galia, selen, arsen.

Abyste pochopili, proč polovodič vede elektrický proud, ale ne jako kovy, musíte tyto materiály zvážit z hlediska teorie pásem.

Teorie zón

Teorie pásma popisuje přítomnost nebo nepřítomnost volných nosičů náboje vzhledem k určitým energetickým vrstvám. Energetická hladina nebo vrstva se nazývá množství energie elektronů (jader atomů, molekul - jednoduchých částic), měří se v elektronvoltech (EV).

Obrázek níže ukazuje tři typy materiálů s jejich energetickými úrovněmi:

Všimněte si, že ve vodiči jsou energetické hladiny od valenčního pásma k vodivému pásmu sloučeny do nerozbitného diagramu. Vodivostní a valenční pásmo se překrývají, tomu se říká překrývající se pásmo. V závislosti na přítomnosti elektrického pole (napětí), teplotě a dalších faktorech se může počet elektronů měnit. Díky výše uvedenému se elektrony mohou ve vodičích pohybovat, i když jim dávají nějaké minimální množství energie.

V polovodiči mezi valenčním a vodivým pásmem je jistý zakázaný. Pásmová mezera popisuje, kolik energie je třeba předat polovodičům, aby proud procházel.

U dielektrika je schéma podobné tomu, které popisuje polovodiče, ale rozdíl je pouze v šířce zakázaného pásma - zde je mnohonásobně velká. Rozdíly jsou způsobeny vnitřní strukturou a látkou.

Podívali jsme se na hlavní tři typy materiálů a uvedli příklady a vlastnosti. Jejich hlavním rozdílem je schopnost vést proud. Proto si každý z nich našel svou vlastní oblast použití: vodiče se používají k přenosu elektřiny, dielektrika - k izolaci živých částí, polovodiče - pro elektroniku. Doufáme, že vám poskytnuté informace pomohly pochopit, jaké vodiče, polovodiče a dielektrika jsou v elektrickém poli a jaký je mezi nimi rozdíl.

Nakonec doporučujeme zhlédnout užitečné video na toto téma:

Asi nevíš:

• Příčiny ztráty výkonu na dlouhé vzdálenosti
• Závislost odporu vodiče na teplotě
• Co je dielektrická ztráta
• Co je elektrický náboj