In der Elektrizität werden drei Hauptgruppen von Materialien unterschieden - das sind Leiter, Halbleiter und Dielektrika. Ihr Hauptunterschied ist die Fähigkeit, Strom zu leiten. In diesem Artikel werden wir uns ansehen, wie sich diese Arten von Materialien unterscheiden und wie sie sich in einem elektrischen Feld verhalten.
Inhalt:
- Was ist ein Dirigent?
- Was ist ein Dielektrikum?
- Was ist ein Halbleiter?
- Zonentheorie
Was ist ein Dirigent?
Ein Stoff, in dem freie Ladungsträger vorhanden sind, wird Leiter genannt. Die Bewegung freier Träger wird als thermisch bezeichnet. Das Hauptmerkmal eines Leiters ist sein Widerstand (R) oder seine Leitfähigkeit (G) - der Kehrwert des Widerstands.
G = 1 / R
Vereinfacht gesagt leitet ein Leiter Strom.
Zu diesen Stoffen gehören Metalle, aber wenn wir von Nichtmetallen sprechen, dann ist beispielsweise Kohlenstoff ein hervorragender Leiter, der in Schleifkontakten Anwendung gefunden hat, zum Beispiel in einer Elektromotorbürste. Nasse Böden, Lösungen von Salzen und Säuren in Wasser, auch der menschliche Körper leitet Strom, aber ihre elektrische Leitfähigkeit ist oft geringer als die von beispielsweise Kupfer oder Aluminium.
Metalle sind ausgezeichnete Leiter, gerade wegen der großen Zahl an freien Ladungsträgern in ihrer Struktur. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes beginnen sich die Ladungen zu bewegen und verteilen sich auch neu, das Phänomen der elektrostatischen Induktion wird beobachtet.
Was ist ein Dielektrikum?
Dielektrika sind Stoffe, die den Strom nicht oder nur sehr schlecht leiten. Sie haben keine freien Ladungsträger, weil die Bindung zwischen den Teilchen des Atoms stark genug ist für Bildung von freien Ladungsträgern, daher unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes der Strom im Dielektrikum nicht entsteht.
Gas, Glas, Keramik, Porzellan, einige Harze, Textolith, Karbolit, destilliertes Wasser, trockenes Holz, Gummi sind Dielektrika und leiten keinen elektrischen Strom. Im Alltag sind Dielektrika allgegenwärtig, zum Beispiel werden sie zur Herstellung von Gehäusen für Elektrogeräte, elektrischen Schaltern, Gehäusen für Stecker, Steckdosen usw. verwendet. In Stromleitungen bestehen Isolatoren aus Dielektrika.
Bei bestimmten Faktoren, zum Beispiel erhöhter Luftfeuchtigkeit, ist die elektrische Feldstärke jedoch höher zulässiger Wert usw. - führen dazu, dass das Material seine dielektrischen Funktionen verliert und wird Dirigent. Manchmal hört man Sätze wie "Durchbruch des Isolators" - das ist das oben beschriebene Phänomen.
Kurz gesagt, die Haupteigenschaften eines Dielektrikums im Bereich der Elektrizität sind die elektrische Isolierung. Es ist die Fähigkeit, den Stromfluss zu verhindern, die eine Person vor elektrischen Verletzungen und anderen Problemen schützt. Das Hauptmerkmal eines Dielektrikums ist seine Durchschlagsfestigkeit – ein Wert, der seiner Durchbruchspannung entspricht.
Was ist ein Halbleiter?
Ein Halbleiter leitet einen elektrischen Strom, aber nicht wie Metalle, sondern unter bestimmten Bedingungen - die Übertragung von Energie an den Stoff in den erforderlichen Mengen. Dies liegt daran, dass zu wenige oder keine freien Ladungsträger (Löcher und Elektronen) vorhanden sind, aber wenn Sie eine bestimmte Energiemenge aufbringen, erscheinen sie. Energie kann verschiedene Formen haben - elektrisch, thermisch. Auch können unter Einwirkung von Strahlung, beispielsweise im UV-Spektrum, freie Löcher und Elektronen in einem Halbleiter entstehen.
Wo werden Halbleiter eingesetzt? Sie werden verwendet, um Transistoren, Thyristoren, Dioden, Mikroschaltungen, LEDs und mehr herzustellen. Solche Materialien umfassen Silizium, Germanium, Mischungen verschiedener Materialien, beispielsweise Galliumarsenid, Selen, Arsen.
Um zu verstehen, warum ein Halbleiter elektrischen Strom leitet, aber nicht wie Metalle, müssen Sie diese Materialien aus Sicht der Bandtheorie betrachten.
Zonentheorie
Die Bandtheorie beschreibt das Vorhandensein oder Fehlen freier Ladungsträger relativ zu bestimmten Energieschichten. Das Energieniveau oder die Schicht wird die Energiemenge der Elektronen (Kerne von Atomen, Molekülen - einfache Teilchen) genannt, sie werden in Elektronenvolt (EV) gemessen.
Das Bild unten zeigt drei Arten von Materialien mit ihren Energieniveaus:
Beachten Sie, dass im Dirigenten die Energieniveaus vom Valenzband zum Leitungsband zu einem unzerbrechlichen Diagramm zusammengefasst sind. Das Leitungsband und das Valenzband überlappen, dies wird als Überlappungsband bezeichnet. Abhängig vom Vorhandensein eines elektrischen Felds (Spannung), der Temperatur und anderer Faktoren kann sich die Anzahl der Elektronen ändern. Dadurch können sich Elektronen in Leitern bewegen, selbst wenn ihnen eine minimale Energiemenge zugeführt wird.
In einem Halbleiter zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband gibt es ein gewisses Verbotenes. Die Bandlücke beschreibt, wie viel Energie dem Halbleiter zugeführt werden muss, damit der Strom fließen kann.
Für ein Dielektrikum ist das Diagramm ähnlich dem, das Halbleiter beschreibt, aber der Unterschied besteht nur in der Bandlücke - sie ist hier um ein Vielfaches groß. Die Unterschiede sind auf den inneren Aufbau und die Substanz zurückzuführen.
Wir haben uns die drei wichtigsten Arten von Materialien angesehen und Beispiele und Funktionen gegeben. Ihr Hauptunterschied ist die Fähigkeit, Strom zu leiten. Daher hat jeder von ihnen sein eigenes Anwendungsgebiet gefunden: Leiter dienen der Übertragung von Elektrizität, Dielektrika - zum Isolieren spannungsführender Teile, Halbleiter - für die Elektronik. Wir hoffen, dass die bereitgestellten Informationen Ihnen geholfen haben zu verstehen, was Leiter, Halbleiter und Dielektrika in einem elektrischen Feld sind und was der Unterschied zwischen ihnen ist.
Abschließend empfehlen wir Ihnen, sich ein nützliches Video zum Thema anzusehen:
Sie wissen es wahrscheinlich nicht:
- Ursachen für Leistungsverlust über lange Distanzen
- Die Abhängigkeit des Widerstands des Leiters von der Temperatur
- Was ist dielektrischer Verlust?
- Was ist elektrische Ladung