Чем объясняется электропроводность проводников
Чем объясняется электропроводность проводников
Проводник – тело, проводящее электрический ток. Различают проводники первого и второго рода. 
К первому роду относят: все металлы и их сплавы.
Ко второму роду относят: водные растворы кислот, солей и щелочей.
Чем выше температура тела, тем меньше оно проводит электрический ток, и, наоборот, со снижением температуры проводимость увеличивается.
Металлы с высокой проводимостью используют для кабелей, проводов, обмоток трансформаторов. Металлы и сплавы с низкой проводимостью применяются в лампах накаливания, электронагревательных приборах, реостатах.
Основной параметр, характеризующий проводник – это электрическое сопротивление. Оно выражается отношением падения напряжения в проводнике к току, протекающему по нему, и зависит от температуры окружающей среды.
Применение проводников:
Проводники используют для заземления электроустановок. В качестве заземляющих проводников и заземлителей используют металлические конструкции сооружений и зданий, соблюдая при этом непрерывность и проводимость цепи. Для заземляющих проводников используют обычно сталь. Если необходимы гибкие перемычки и в других случаях, применяют медь.
Проводники также могут использоваться для выравнивания потенциалов.
Проводники используют в громоотводе, отводя молнию в землю, чтобы она не нанесла никаких повреждений.
Существуют проводники с высоким удельным сопротивлением, которые стойкие к окислению. Такие материалы применяют в электронагревательных приборах, они обладают высокой пластичностью и могут вытягиваться в тонкую проволоку и выкатываться в фольгу. Одним из таких проводником является алюминий.
Механизм проводимости:
Кристаллы имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями. При низких t°C у чистых полупроводников свободных электронов нет и он ведет себя как диэлектрик (вещества, которые плохо проводят или совсем не проводят электрический ток).
Свойства диэлектриков:
Занимают по проводимости промежуточное
положение между проводниками и диэлектриками
Кремний – 4 валентный химический элемент. Каждый атом имеет
во внешнем электронном слое по 4 электрона, которые используются
для образования парноэлектронных (ковалентных) связей с 4 соседними атомами.
свободный электрон
Под воздействием электрического поля электроны и дырки
начинают упорядоченное (встречное) движение, образуя электрический ток.
При легировании 4 – валентного кремния Si 5 – валентным мышьяком As,
один из 5 электронов мышьяка становится свободным
Таким образом изменяя концентрацию мышьяка, можно в широких
пределах изменять проводимость кремния.
Изменяя концентрацию индия, можно в широких пределах
изменять проводимость кремния, создавая полупроводник с
заданными электрическими свойствами.
Помимо основных носителей в полупроводнике существует очень малое число неосновных носителей заряда, количество которых растет при увеличении t°C.
Основным стимулом для изучения полупроводников является производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем — это в первую очередь относится к кремнию, но затрагивает и другие соединения (Ge, GaAs, InP, InSb).
Полупроводниковый диод – это p – n переход, заключенный в корпус.
Транзистор – это полупроводниковый прибор, в котором полупроводниковые
пластинки соприкасаются таким образом, что возникает два p-n перехода.
В 1956 г. Ш., Бардин и Браттейн были удостоены
Нобелевской премии по физике «за исследования
полупроводников и открытие транзисторного эффекта».
Электропроводность веществ
В этой статье раскроем тему электропроводности, вспомним о том, что такое электрический ток, как он связан с сопротивлением проводника и соответственно с его электропроводностью. Отметим основные формулы для вычисления данных величин, коснемся темы скорости тока и ее связи с напряженностью электрического поля. Также затронем связь электрического сопротивления и температуры.
Для начала вспомним о том, что же такое электрический ток. Если поместить вещество во внешнее электрическое поле, то под действием сил со стороны этого поля, в веществе начнется движение элементарных носителей заряда — ионов или электронов. Это и будет электрическим током. Сила тока I измеряется в амперах, и один ампер — это ток, при котором через поперечное сечение проводника протекает за секунду заряд, равный одному кулону.
Ток бывает постоянным, переменным, пульсирующим. Постоянный ток не меняет своей величины и направления в каждый конкретный момент времени, переменный ток с течением времени меняет свои величину и направление (генераторы переменного тока и трансформаторы дают именно переменный ток), пульсирующий ток меняет свою величину, но не меняет направления (например выпрямленный переменный ток является пульсирующим).
Вещества имеют свойство проводить электрический ток под действием электрического поля, и это свойство называется электропроводностью, которая у разных веществ различна. Электропроводность веществ зависит от концентрации в них свободных заряженных частиц, то есть ионов и электронов, не связанных ни с кристаллической структурой, ни с молекулами, ни с атомами данного вещества. Так, в зависимости от концентрации в веществе свободных носителей заряда, вещества по степени электропроводности подразделяются на: проводники, диэлектрики и полупроводники.
Наиболее высокой электропроводностью обладают проводники электрического тока, и по физической природе, проводники в природе представлены двумя родами: металлами и электролитами. В металлах ток обусловлен перемещением свободных электронов, то есть проводимость у них электронная, а в электролитах (в растворах кислот, солей, щелочей) — перемещением ионов — частей молекул, имеющих положительный и отрицательный заряд, то есть проводимость у электролитов ионная. Ионизированные пары и газы отличаются смешанной проводимостью, в них ток обусловлен движением и электронов и ионов.
Электронная теория отлично объясняет высокую электропроводность металлов. Связь валентных электронов с их ядрами в металлах слаба, потому эти электроны свободно перемещаются от атома к атому по объему проводника.
Получается, что свободные электроны в металлах заполняют пространство между атомами подобно газу, электронному газу, и находятся в хаотичном движении. Но при внесении металлического проводника в электрическое поле, свободные электроны станут двигаться упорядоченно, они переместятся по направлению к положительному полюсу, чем создадут ток. Таким образом, упорядоченное движение свободных электронов в металлическом проводнике называется электрическим током.
Известно, что скорость распространения электрического поля в пространстве примерно равна 300000000 м/с, то есть скорости света. Это та же скорость, с которой ток проходит по проводнику.
Что это значит? Это не значит, что каждый электрон в металле движется с такой огромной скоростью, электроны в проводнике напротив — имеют скорость от нескольких миллиметров в секунду до нескольких сантиметров в секунду, в зависимости от напряженности электрического поля, а вот скорость распространения электрического тока по проводнику как раз равна скорости света.
Все дело в том, что каждый свободный электрон оказывается в общем электронном потоке того самого «электронного газа», и во время прохождения тока, электрическое поле оказывает действие на весь этот поток, в итоге электроны непрерывно друг другу передают это действие поля — от соседа к соседу.
Но движутся электроны на своих местах очень медленно, несмотря на то, что скорость распространения электрической энергии по проводнику оказывается огромной. Так, когда на электростанции включают рубильник, ток мгновенно возникает во всей сети, а электроны при этом практически стоят на местах.
Однако, когда свободные электроны движутся по проводнику, они испытывают многочисленные столкновения на своем пути, они сталкиваются с атомами, ионами, молекулами, передавая им часть своей энергии. Энергия движущихся электронов, преодолевающих такое сопротивление, частично рассеивается в виде тепла, и проводник нагревается.
Эти столкновения служат сопротивлением движению электронов, потому свойство проводника препятствовать движению заряженных частиц и называют электрическим сопротивлением. При малом сопротивлении проводника проводник нагревается током слабо, при значительном — намного сильнее, и даже до бела, этот эффект применяется в нагревательных приборах и в лампах накаливания.
Единица изменения сопротивления — Ом. Сопротивление R = 1 Ом — это сопротивление такого проводника, при прохождении по которому постоянного тока в 1 ампер, разность потенциалов на концах проводника равна 1 вольту. Эталон сопротивления в 1 Ом — столб ртути высотой 1063 мм, сечением 1 кв.мм при температуре 0°С.
Поскольку проводникам характерно электрическое сопротивление, то можно сказать, что в какой-то степени проводник способен проводить электрический ток. В связи с этим введена величина, называемая проводимостью или электропроводностью. Электропроводность — это способность проводника проводить электрический ток, то есть величина, обратная электрическому сопротивлению.
Единица измерения электропроводности G (проводимости) — Сименс (См), и 1 См = 1/(1 Ом). G = 1/R.
Так как атомы различных веществ в разной степени препятствуют прохождению электрического тока, то и электрическое сопротивление у различных веществ разное. По этой причине введено понятие удельное электрическое сопротивление, величина которого «р» характеризует проводящие свойства того или иного вещества.
Сегодня проводящие материалы в электротехнике используют в основном в виде лент, шин, проволок, с определенной площадью поперечного сечения и определенной длины, но не в виде метровых кубов. И для более удобных расчетов электрического сопротивления и электропроводности проводников конкретных размеров были введены более приемлемые единицы измерения как для удельного электрического сопротивления, так и для удельной электропроводности. Ом*мм2/м — для удельного сопротивления, и См*м/мм2 — для удельной электропроводности.
Теперь можно говорить, что удельное электрическое сопротивление и удельная электропроводность характеризуют проводящие свойства проводника площадью поперечного сечения в 1 кв.мм, длиной в 1 метр при температуре 20°C, это более удобно.
Лучшей электропроводностью обладают такие металлы как: золото, медь, серебро, хром, алюминий. Сталь и железо проводят ток хуже. Чистые металлы всегда обладают лучшей электропроводностью, чем их сплавы, поэтому чистая медь в электротехнике предпочтительней. Если нужно специально высокое сопротивление, то используют вольфрам, нихром, константан.
Зная величину удельного электрического сопротивления или удельной электропроводности, можно легко вычислить сопротивление или электропроводность конкретного проводника, изготовленного из данного материала, приняв в расчет длину l и площадь поперечного сечения S этого проводника.
При понижении температуры — наоборот, колебания атомов кристаллической решетки становятся меньше, сопротивление уменьшается (возрастает электропроводность). У одних веществ зависимость сопротивления от температуры выражена слабее, у других — сильнее. Например такие сплавы как константан, фехраль и манганин слабо меняют удельное сопротивление в определенном интервале температур, поэтому из них делают термостабильные резисторы.
Зная температурный коэффициент сопротивления и приращение температуры, можно легко вычислить удельное сопротивление вещества при заданной температуре.
Что такое электрическая проводимость
Говоря о свойстве того или иного тела препятствовать прохождению через него электрического тока, мы обычно используем термин «электрическое сопротивление». В электронике он удобен, есть даже специальные микроэлектронные компоненты, резисторы, обладающие тем или иным номинальным сопротивлением.
Но существует также понятие «электрическая проводимость» или «электропроводность», характеризующее способность тела проводить электрический ток.
Тогда как сопротивление обратно пропорционально току, проводимость прямо пропорциональна току, то есть проводимость — это обратная величина по отношению к электрическому сопротивлению.
Сопротивление измеряется в омах, а проводимость — в сименсах. Но фактически речь всегда идет об одном и том же свойстве материала — о его способности проводить электрический ток.
Электронная проводимость подразумевает то, что носителями заряда, образующими ток в веществе, являются электроны. Прежде всего электронной проводимостью обладают металлы, хотя почти все материалы в большей или меньшей степени способны к ней.
Чем выше температура материала — тем меньше его электронная проводимость, поскольку с ростом температуры тепловое движение все больше мешает упорядоченному движению электронов и значит препятствует направленному току.
Электронная проводимость тем больше, чем короче проводник, чем больше площадь его поперечного сечения, чем значительнее в нем концентрация свободных электронов (чем меньше удельное сопротивление).
Практически в электротехнике наиболее важно передавать электрическую энергию с минимальными потерями. По этой причине металлы играют в ней крайне важную роль. Особенно те из них, которые обладают максимальной электропроводностью, то есть наименьшим удельным электрическим сопротивлением: серебро, медь, золото, алюминий. Концентрация свободных электронов в металлах выше чем в диэлектриках и полупроводниках.
В качестве проводников электрической энергии, из металлов экономически выгоднее всего использовать алюминий и медь, поскольку медь существенно дешевле серебра, но при этом удельное электрическое сопротивление меди лишь чуть-чуть больше чем у серебра, соответственно проводимость меди совсем немного меньше серебра. Другие металлы не имеют столь высокой значимости для промышленного производства проводников.
Газообразные и жидкие среды, в которых есть свободные ионы, обладают ионной проводимостью. Ионы, как и электроны, являются носителями заряда, и могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему данной среды. Такой средой может выступать электролит. Чем выше температура электролита — тем выше его ионная проводимость, так как с ростом теплового движения, энергия ионов возрастает, а вязкость среды уменьшается.
При недостатке электронов в кристаллической решетке материала, может иметь место дырочная проводимость. Электроны переносят заряд, но они выступают как-бы освобожденными местами при перемещении дырок — пустых мест в кристаллической решетке материала. Свободные электроны здесь не перемещаются подобно газовому облаку в металлах.
Дырочная проводимость проявляется в полупроводниках наравне с электронной проводимостью. Полупроводники в различных комбинациях позволяют управлять величиной проводимости, что демонстрируется в различных микроэлектронных приборах: диодах, транзисторах, тиристорах и т.д.
Прежде всего в качестве проводников в электротехнике еще в 19 веке начали использовать металлы, вместе с ними — диэлектрики, изоляторы (с наименьшей электропроводностью), такие как слюда, резина, фарфор.
В электронике получили широкое распространение полупроводники, занявшие почетное промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Большинство современных полупроводников получают на основе кремния, германия, углерода. Другие вещества используются гораздо реже.
Электропроводность металлов и сплавов
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Описание презентации по отдельным слайдам:
Описание слайда:
Электропроводность
металлов и сплавов
Описание слайда:
Электропроводность проводников
Электропроводность полупроводников
Электропроводность диэлектриков
Электропроводность металлов
Электропроводность сплавов
Содержание :
Описание слайда:
Описание слайда:
Электропроводность проводников
Проводники обладают высокой электропроводностью. Различают проводники первого и второго рода. К проводникам первого рода относятся все металлы, некоторые сплавы и уголь. Они обладают электронной проводимостью. К проводникам второго рода относятся электролиты. В них имеет место ионная проводимость.
Если проводник поместить в электростатическое поле, то под действием этого поля происходит перемещение зарядов в проводнике: положительных – в направлении внешнего поля, отрицательных – в противоположном направлении (рис.1.1а). Такое разделение зарядов в проводнике под действием внешнего поля называется электростатической индукцией. Разделённые внутри проводника заряды создают своё электрическое поле, направленное от положительных зарядов к отрицательным, т.е. против внешнего поля (рис.1. 1а).
Очевидно, разделение зарядов в проводнике прекратится тогда, когда напряжённость поля разделённых зарядов Eвнутр станет равной напряжённости внешнего поля в проводнике Eвнешн, т.е. Eвнутр = Eвнешн, а результирующее поле
Е = Eвнутр – Eвнешн = 0
Таким образом, результирующее поле внутри проводника станет равным нулю
(рис.1. 1б). На этом принципе работает электростатический экран, защищающий часть пространства от внешних электрических полей (рис.1. 2). Для того чтобы внешние электрические поля не влияли на точность электроизмерения, измерительный прибор помещают внутрь замкнутой проводящей оболочки (экран), в которой электростатическое поле отсутствует.
Рис 1.1
Рис 1.2
Описание слайда:
В примесном полупроводнике n ¹ p, поэтому электропроводность выражается следующей формулой:
В широком диапазоне температур и для различного содержания примесей имеют место температурные зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике n-типа, изображенные на рис. 2.1.
В области низких температур участок нижней ломаной между точками а и б характеризует только концентрацию носителей, обусловленную примесями. Наклон прямой на этом участке определяется энергией активации примесей. С увеличением температуры число носителей, поставляемых примесями, возрастает, пока не истощатся электронные ресурсы примесных атомов (точка б). На участке б – в примеси уже истощены, перехода электронов через запрещенную зону еще не обнаруживается. Участок кривой с постоянной концентрацией носителей заряда называют областью истощения примесей. В дальнейшем температура настолько велика, что начинается быстрый рост концентрации носителей вследствие перехода электронов через запрещенную зону ( участок в – и). Наклон этого участка характеризует ширину запрещенной зоны полупроводника. Угол наклона участка а – б зависит от концентрации примесей.
Вторая компонента, обуславливающая электропроводность полупроводников – подвижность носителей заряда. При повышении температуры энергия электронов, а следовательно, и подвижность увеличивается. Но, начиная с некоторой температуры Т усиливаются колебания узлов кристаллической решетки полупроводника, которые мешают перемещению свободных носителей зарядов. Следовательно, их подвижность падает (рис.2.2.).
Рис.2.1
Рис.2.2
Описание слайда:
Электропроводность диэлектриков практически равна нулю в силу весьма сильной связи между электронами и ядром атомов диэлектрика.
Если диэлектрик поместить в электростатическое поле, то в нём произойдёт поляризация атомов, т.е. смещение разноимённых зарядов в самом атоме, но не разделение их (рис. 3.1а). Поляризованный атом может рассматриваться как электрический диполь (рис. 3.1б), в котором «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются.
Диполь – это система двух разноимённых зарядов, расположенных на малом расстоянии друг от друга в замкнутом пространстве атома или молекулы.
Электрический диполь – это атом диэлектрика, в котором орбита электрона вытягивается в направлении, противоположном направлению внешнего поля Eвнешн (рис. 3.11б). Поляризованные атомы создают своё электрическое поле, напряжённость которого направлена против внешнего поля. В результате поляризации результирующее поле внутри диэлектрика ослабляется. Интенсивность поляризации диэлектрика зависит от его диэлектрической проницаемости. Чем она больше, тем интенсивнее поляризация в диэлектрике и тем слабее электрическое поле в нём.
Е = Eвнешн – Eвнутр
Если диэлектрик поместить в сильное электрическое поле, напряжённость которого можно увеличивать, то при каком-то значении напряжённости произойдёт пробой диэлектрика, при этом электроны отрываются от атома, т.е. происходит ионизация диэлектрика, и он становится проводником. Напряжённость внешнего поля, при которой происходит пробой диэлектрика, называется пробивной напряжённостью диэлектрика. А напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называют напряжением пробоя, или электрической прочностью диэлектрика.
Рис.3.1
Описание слайда:
Электрический ток в металлах согласно классической электронной теории проводимости это упорядоченное движение электронов под действием сторонних сил. Согласно этой теории металл состоит из положительных ионов находящихся в узлах кристаллической решётки. А в свободном пространстве между ними движутся электроны подобно одноатомному идеальному газу.
Однако если в газе атомы соударяются между собой то в проводнике электроны ударяются об узлы решетки, отдавая таким образами им свою энергию.
Как же была получена эта теория. Для начала нужно было выяснить, что является носителями зарядов в проводнике. С этой целью ученый Рикке в 1899 году провел такой эксперимент. Он взял три одинаковых цилиндра с тонко обработанными торцами. Два из них были медные, а третий алюминиевый. Сжал их между собой так, чтобы алюминиевый цилиндр оказался посередине и включил всю это конструкцию в главный питающий провод на трамвайной подстанции.
Спустя год он разобрал конструкцию и тщательно обследовал места соединения цилиндров. И обнаружил, что диффузии металлов друг в друга не произошло. То есть атомы меди не проникли в алюминий и наоборот. Из этого эксперимента можно сделать вывод что под действием электрического тока по проводнику не перемещаются ионы. А движутся лишь свободные электроны.
Рис.4.1-
строение металла
Описание слайда:
То, что по проводнику движутся электроны, было установлено благодаря еще одному опыту. Для него необходимо взять катушку из проволоки и раскрутить ее. К катушке должен быть подключен амперметр. В момент резкой остановки катушки прибор покажет кратковременный ток. Этот ток обусловлен тем, что электроны продолжают двигаться по инерции, в то время как катушка уже остановилась. То есть наблюдается движение электронов по проводу хоть и кратковременное.
В проводнике без электрического поля свободные электроны находятся в непрерывном хаотическом движении как молекулы газа. Но при создании внешнего электрического поля электроны сохраняя свое хаотическое движение, начнут двигаться под действием сил поля. Вот это направленное движение и называется током.
Сами электроны под действием поля движутся достаточно медленно. Приблизительно пару миллиметров в секунду. Так как же лампочка, которую мы включаем, загорается так быстро ведь провод, которым она подключена достаточно длинный. И электрон от выключателя как минимум пару минут должен двигаться к спирали лампы.
На самом деле все немного по другому. Ведь провода спираль и выключатель состоят из проводника и в них присутствуют электроны по всей длине. И при замыкании выключателя чтобы ток начал оказывать действие необязательно, чтобы электрон от выключателя попал в спираль. Ведь электроны в ней уже есть. При замыкании по проводникам начинает двигаться электрическое поле практически со скоростью света вот оно та и передает энергию.
Представьте себе тонкую трубку набитую шариками внешним диаметром чуть меньше диаметра трубы. Когда мы всунем еще шарик с одной стороны, то с другого конца выпадет другой шарик. То есть по трубке двигалось усилие, передаваясь от шарика к шарику, а не ток шарик, который мы впихнули.
Рис.4.2-
катушка с проводом вращаемая вокруг продольной оси
Описание слайда:
Идеальная решётка металла имеет строго периодический потенциал (рис. 2.2, а).
Если часть атомов меди беспорядочно замещена атомами другого элемента, то поле вблизи примесных атомов не такое, как вблизи собственных. Потенциал решётки становится непериодическим (рис. 2.2, б). Он нарушается беспорядочно распределёнными примесями, что приводит к рассеянию носителей и дополнительному электрическому сопротивлению.
В сплавах примеси вызывают более сильное нарушение периодичности потенциала решётки, чем тепловые колебания.
Поэтому сопротивление сплава ρ(спл) значительно больше сопротивления ρ чистых металлов и определяется в основном рассеянием носителей на примесях.
Как показал Нордгейм, подвижность для бинарных сплавов, обусловленная рассеянием их на нарушениях периодичности потенциала решётки, определяется следующим приближённым соотношением:
где p и 1− p – относительные доли металлов, образующих сплав.
Подставим в выражение σ = qnµ соотношение для подвижности сплава, учитывая, что ρ=1/σ, получим выражение удельного сопротивления для бинарного (двойного) сплава:
где β – коэффициент пропорциональности.
Функция p(1− p) имеет максимум при p = 1/2, т.е. при равном содержании в сплаве обоих компонентов. Если сплавляемые металлы при определённом соотношении компонентов образуют соединение с упорядоченной внутренней
структурой, то периодичность решётки восстанавливается (рис. 2.2, в) и сопротивление, обусловленное рассеянием на примесях, практически полностью исчезает.
Этот факт является подтверждением квантовой теории электропроводности, согласно которой причиной
электрического сопротивления твёрдых материалов является не столкновение свободных электронов с атомами решётки, а
рассеяние их на дефектах решётки, вызывающих нарушение периодичности потенциала
Электропроводность
сплавов
Описание слайда:
Вывод:
Мы изучили электропроводность проводников, полупроводников, диэлектриков, также в частности металлов и сплавов, узнали какие факторы влияют на их электропроводность.
Описание слайда:
Контрольные вопросы:
1) Дать определение проводника
2) Какие вы знаете виды проводников?
3) Дайте определение собственной проводимости полупроводника.
4) Что такое диполь?
5) Дайте определение электрического диполя.
6) Что такое электропроводность?
7) Дайте определение электрического тока в металлах согласно классической электронной теории проводимости.
8) Дайте определение сплава.
9) Напишите уравнение подвижности для бинарных сплавов.
10) Дайте определение диэлектрика.
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.