Laidininkai, puslaidininkiai ir dielektrikai elektriniame lauke

Elektroje išskiriamos trys pagrindinės medžiagų grupės – tai laidininkai, puslaidininkiai ir dielektrikai. Pagrindinis jų skirtumas yra gebėjimas pravesti srovę. Šiame straipsnyje apžvelgsime, kuo skiriasi šių tipų medžiagos ir kaip jos veikia elektriniame lauke.

Kas yra dirigentas

Medžiaga, kurioje yra laisvųjų krūvininkų, vadinama laidininku. Laisvųjų nešėjų judėjimas vadinamas terminiu. Pagrindinė laidininko charakteristika yra jo varža (R) arba laidumas (G) – varžos atvirkštinė vertė.

G = 1/R

Paprastais žodžiais tariant, laidininkas praleidžia srovę.

Šios medžiagos apima metalus, bet jei mes kalbame apie nemetalus, tai, pavyzdžiui, anglis yra puikus laidininkas, rastas pritaikymas slankiojančiuose kontaktuose, pavyzdžiui, elektros variklio šepetyje. Drėgnas dirvožemis, druskų ir rūgščių tirpalai vandenyje, žmogaus organizmas taip pat laido srovę, tačiau jų elektrinis laidumas dažnai būna mažesnis nei, pavyzdžiui, vario ar aliuminio.

Metalai yra puikūs laidininkai, nes jų struktūroje yra daug laisvųjų krūvininkų. Veikiant elektriniam laukui, krūviai pradeda judėti, o taip pat persiskirsto, stebimas elektrostatinės indukcijos reiškinys.

Kas yra dielektrikas

Dielektrikai yra medžiagos, kurios nelaidžia srovės arba laidos, bet labai prastai. Jie neturi laisvų krūvininkų, nes ryšys tarp atomo dalelių yra pakankamai stiprus laisvųjų nešėjų susidarymas, todėl, veikiant elektriniam laukui, srovė dielektrike neveikia kyla.

Dujos, stiklas, keramika, porcelianas, kai kurios dervos, tekstolitas, karbolitas, distiliuotas vanduo, sausa mediena, guma yra dielektrikai ir nelaidi elektros srovės. Kasdieniame gyvenime dielektrikai yra visur, pavyzdžiui, iš jų gaminami elektros prietaisų dėklai, elektros jungikliai, dėklai kištukams, rozetėms ir pan. Elektros linijose izoliatoriai gaminami iš dielektrikų.

Tačiau esant tam tikriems veiksniams, pavyzdžiui, padidėjusiam drėgmės lygiui, elektrinio lauko stiprumas būna didesnis leistina vertė ir pan. - veda prie to, kad medžiaga pradeda prarasti savo dielektrines funkcijas ir tampa dirigentas. Kartais galite išgirsti tokias frazes kaip „izoliatoriaus gedimas“ – tai aukščiau aprašytas reiškinys.

Trumpai tariant, pagrindinės dielektriko savybės elektros srityje yra elektros izoliacija. Būtent gebėjimas neleisti tekėti srovei apsaugo žmogų nuo elektros traumų ir kitų bėdų. Pagrindinė dielektriko charakteristika yra jo dielektrinis stipris – vertė, lygi jo gedimo įtampai.

Kas yra puslaidininkis

Puslaidininkis praleidžia elektros srovę, bet ne kaip metalai, o esant tam tikroms sąlygoms - energijos perdavimas medžiagai reikalingais kiekiais. Taip yra dėl to, kad laisvųjų krūvininkų (skylių ir elektronų) yra per mažai arba jų visai nėra, tačiau pritaikius tam tikrą energijos kiekį jų atsiras. Energija gali būti įvairių formų – elektrinė, šiluminė. Be to, laisvos skylės ir elektronai puslaidininkyje gali atsirasti veikiant spinduliuotei, pavyzdžiui, UV spektre.

Kur naudojami puslaidininkiai? Iš jų gaminami tranzistoriai, tiristoriai, diodai, mikroschemos, šviesos diodai ir kt. Tokios medžiagos yra silicis, germanis, įvairių medžiagų mišiniai, pavyzdžiui, galio arsenidas, selenas, arsenas.

Norėdami suprasti, kodėl puslaidininkis praleidžia elektros srovę, bet ne kaip metalai, turite atsižvelgti į šias medžiagas juostos teorijos požiūriu.

Zonos teorija

Juostos teorija apibūdina laisvųjų krūvininkų buvimą arba nebuvimą tam tikrų energijos sluoksnių atžvilgiu. Energijos lygiu arba sluoksniu vadinamas elektronų (atomų branduolių, molekulių – paprastųjų dalelių) energijos kiekis, jie matuojami elektronų voltais (EV).

Žemiau esančiame paveikslėlyje parodytos trijų tipų medžiagos su jų energijos lygiais:

Atkreipkite dėmesį, kad laidininke energijos lygiai nuo valentinės juostos iki laidumo juostos yra sujungti į nepertraukiamą diagramą. Laidumo juosta ir valentinė juosta persidengia, tai vadinama persidengimo juosta. Priklausomai nuo elektrinio lauko (įtampos), temperatūros ir kitų veiksnių, elektronų skaičius gali keistis. Dėl to, kas išdėstyta pirmiau, elektronai gali judėti laidininkuose, net jei jiems suteikiamas minimalus energijos kiekis.

Puslaidininkis turi tam tikrą draudžiamą reikšmę tarp valentinės juostos ir laidumo juostos. Juostos tarpas apibūdina, kiek energijos reikia perduoti puslaidininkiui, kad srovė tekėtų.

Dielektrikui diagrama panaši į tą, kuri aprašo puslaidininkius, tačiau skiriasi tik juostos tarpas – čia jis daug kartų didesnis. Skirtumai atsiranda dėl vidinės struktūros ir medžiagos.

Apžvelgėme tris pagrindines medžiagų rūšis ir pateikėme jų pavyzdžius bei ypatybes. Pagrindinis jų skirtumas yra gebėjimas pravesti srovę. Todėl kiekvienas iš jų rado savo pritaikymo sritį: laidininkai naudojami elektrai perduoti, dielektrikai – įtampingosioms dalims izoliuoti, puslaidininkiai – elektronikai. Tikimės, kad pateikta informacija padėjo suprasti, kas yra laidininkai, puslaidininkiai ir dielektrikai elektriniame lauke, taip pat kuo jie skiriasi.

Galiausiai rekomenduojame žiūrėti naudingą vaizdo įrašą šia tema:

Jūs tikriausiai nežinote:

• Galios praradimo dideliais atstumais priežastys
• Laidininko varžos priklausomybė nuo temperatūros
• Kas yra dielektriniai nuostoliai
• Kas yra elektros krūvis