Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики

  • Что такое гид
  • Что такое диэлектрик
  • Что такое полупроводник
  • Теория зон

Что такое проводник

Вещество, в котором есть свободные носители заряда, называется проводником. Движение свободных носителей называется тепловым движением. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) — величина, обратная сопротивлению.

Проще говоря, проводник токопроводящий.

К таким веществам можно отнести металлы, но если мы говорим о неметаллах, например, углерод является отличным проводником и нашел применение в скользящих контактах, например, в щетках электродвигателей. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, организм человека — тоже проводят электричество, но их электропроводность часто ниже, чем, например, у меди или алюминия.

Металлы являются отличными проводниками благодаря большому количеству свободных носителей в их структуре. Под действием электрического поля заряды начинают двигаться, а также перераспределяются — явление электростатической индукции.

Что такое диэлектрик

Диэлектрики — это вещества, которые не проводят электричество или очень плохо проводят его. В них нет свободных носителей заряда, потому что связь атомных частиц настолько сильна, что свободные носители не образуются, поэтому под действием электрического поля в диэлектрике не возникает тока.

Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухое дерево и резина являются диэлектриками и не проводят электричество. В повседневной жизни диэлектрики используются повсеместно, например, для производства корпусов для электрических устройств, электрических переключателей, корпусов для вилок, розеток и т. Д. В линиях электропередачи изоляторы изготавливаются из диэлектрических материалов.

Однако при наличии определенных факторов, таких как повышенная влажность, напряженность электрического поля и т. Д., Материал начинает терять свою диэлектрическую функцию и становится проводником. Иногда можно услышать такие фразы, как «отказ изолятора» — это явление, описанное выше.

Короче говоря, основные свойства диэлектрика в области электричества — это электрическая изоляция. Именно способность предотвращать электрический ток защищает людей от электрических травм и других проблем. Основная характеристика диэлектрика — это электрическая прочность, равная его напряжению пробоя.

Что такое полупроводник

Полупроводник проводит электричество, но не как металлы, а при определенных условиях — передача энергии веществам в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей заряда (дырок и электронов) слишком мало или их нет, но если приложить определенное количество энергии, они появятся. Энергия может принимать разные формы — электрическую, тепловую. Кроме того, свободные дырки и электроны в полупроводнике могут генерироваться излучением, например, в УФ-диапазоне.

Где используются полупроводники? Они используются при изготовлении транзисторов, тиристоров, диодов, микросхем, светодиодов и др. Среди этих материалов кремний, германий, смеси различных материалов, таких как арсенид галлия, селен, арсенид.

Чтобы понять, почему полупроводники проводят электричество, но не так сильно, как металлы, необходимо рассмотреть эти материалы с точки зрения теории зон.

Зонная теория

Теория зон описывает наличие или отсутствие свободных носителей заряда по отношению к определенным энергетическим слоям. Уровень энергии или энергетический слой — это количество энергии электронов (ядер атомов, молекул — простых частиц), оно измеряется в электрон-вольтах (EV).

На рисунке ниже показаны три типа материалов с указанием уровней их энергии:

Обратите внимание, что в проводнике уровни энергии от валентной зоны до зоны проводимости объединены в непрерывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зона перекрываются, это так называемая зона перекрытия. В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и других факторов количество электронов может меняться. Из-за этого электроны могут двигаться впроводники даже при минимальном потреблении энергии.

Полупроводник имеет запрещенную зону между валентной зоной и зоной проводимости. Ширина запрещенной зоны определяет, сколько энергии должно быть передано полупроводнику, чтобы ток начал течь.

Диаграмма диэлектрика аналогична той, что описывает полупроводники, но с той лишь разницей, что ширина запрещенной зоны во много раз больше. Эта разница связана с внутренним строением и содержанием.

Мы рассмотрели три основных типа материалов и привели их примеры и их характеристики. Их главное отличие — способность проводить электричество. Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электричества, диэлектрики — для изоляции токоведущих частей, полупроводники — для электроники. Мы надеемся, что предоставленная информация помогла вам понять, какие проводники, полупроводники и диэлектрики находятся в электрическом поле, и чем они отличаются.

Напоследок рекомендуем посмотреть это удобное видео по этой теме:

Вы, наверное, не знаете: