чем отличаются электроны в проводниках и изоляторах
Проводники, изоляторы и полупроводники
Электроны атомов, как правило, расположены на внешних или внутренних орбитах. Те электроны, что расположены на внутренних орбитах, относительно прочно связываются с ядром атома. Валентные электроны, т.е. те, которые находятся на внешних орбитах, могут отрываться от атома и находиться в «свободном» состоянии до тех пор, пока не присоединятся к новому атому. Атом, у которого отсутствует какое-либо количество электронов называется ионом с положительным зарядом. А вот атом, к которому присоединились электроны, называется ионом с отрицательным зарядом.
Процесс формирования ионов называется — ионизацией.
Количество «свободных» ионов или электронов, т.е. частиц, переносящих заряд, в единице объема вещества называют концентрацией носителей заряда.
Электрический ток — это упорядоченное движение положительно и отрицательно заряженных частиц.
Электропроводность — это способность вещества, под действием электрического поля, проводить через себя электрический ток.
Чем выше концентрация носителей заряда в веществе, тем больше его электропроводность. В зависимости от способности проводить электрический ток, вещества разделяют на 3 группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.
Проводники электрического тока
Проводники — это вещества с высокой электропроводностью. Проводников бывает 2 типа: с электронной проводимостью и ионной проводимостью. К электронной проводимости относятся металлы и их сплавы. В металлах электрический ток создается перемещением электронов. Проходящий через такие проводники ток никак не сказывается на материале и не изменяет его химическую составляющую.
Высокий уровень электропроводности металлов обусловлен тем, что в них много «свободных» электронов, находящихся в состоянии беспорядочного движения и заполняющие объём проводника словно газ. При таком активном движении электроны сталкиваются с ионами неподвижной кристаллической решётки, состоящей из атомов вещества. В следствии чего электроны изменяют направление движения, скорость и свою кинетическую энергию.
Если в проводнике 1-го типа есть электрическое поле, то на заряды проводника действуют силы этого поля, упорядочивая их движение. Свободные электроны двигаются не в хаотическом порядке, а в одном направлении противоположно направлению поля (от минусовой клеммы к плюсовой). Данное упорядоченное движение свободных носителей заряда под действием электрического поля является — электрическим током (проводимости).
Проводники 2-го типа представляют собой растворы или расплавы солей, кислот, щелочей и т. п. в которых не завися от прохождения тока наблюдается электролитическая диссоциация.
Электролитическая диссоциация — это процесс распада нейтральных молекул на отрицательные и положительные ионы.
Положительные ионами выступают водород и ионы металлов. Отрицательные — гидроксильная группа и кислотные остатки.
Данные растворы или расплавы состоящие из ионов, частично или полностью, называются электролитами. Без воздействия внешнее электрическое поля, молекулы и ионы такого проводника будут находиться в состоянии хаотического движения.
При возникновении в таком проводнике электрического поля, движение ионов приобретает направленное упорядоченное движение, т. е. через проводник протекает ток (проводимости). Положительные ионы двигаются по направлению поля, а отрицательные против.
Полупроводники
Полупроводники — это вещества, электропроводность которых зависит от температуры, освещенности, электрических полей и примесей. К таким материалам относят: кремний, теллур, германий, селен, соединения металлов с серой и окислы металлов. Полупроводники отличаются еще и тем, что кроме электронной проводимости имеют и дырочную электропроводность. Дырочная электропроводность вызывается движением «дырок» из-за влияния электрического поля. «Дырки» — это свободные места в атомах, которые не заняты валентными электронами. Это подобно тому, что положительно заряженные частицы перемещаются так же, как и заряды, равные зарядам электронов. На сегодняшний день, использование полупроводников широко распространено в разных устройствах и приборах, например, в фоторезисторах и полупроводниковых диодах.
Электрические диэлектрики
Диэлектрики — это те вещества, в которых при нормальных условиях очень малое количество свободных электрически заряженных частниц. В следствии чего они обладают низкой электропроводностью. К диэлектрикам относятся газы, минеральные масла, лаки и твердые материалы (кроме металлов). Однако, если на диэлектрик будет действовать высокая температура или сильное электрическое поле, то начнется расщепление молекул на ионы, которые потеряют вследствие этого воздействия свои изолирующие свойства.
Чем отличаются электроны в проводниках и изоляторах?
Чем отличаются электроны в проводниках и изоляторах?
У проводников(металлов) в состав входят свободные электроны, которые могут спокойно перемещаться по веществу(телу), у диэлектриков этих свободных электронов нет.
Потому металлы тепло, например, лучше тпроводят.
Чем отличаются проводники от деэлектрика?
Чем отличаются проводники от деэлектрика?
Эл. током называют : а)движение электронов по проводнику б)упорядоченное движение электронов по проводнику в)движение эл?
Эл. током называют : а)движение электронов по проводнику б)упорядоченное движение электронов по проводнику в)движение эл.
Зарядов по проводнику г)упорядоченное движение эл.
Зарядов по проводнику.
Как называется античастица электрона?
Как называется античастица электрона?
Чем он отличается от электрона?
Можем ли мы видеть движущиеся в электроне в проводнике?
Можем ли мы видеть движущиеся в электроне в проводнике.
ПОМОгите срочно?
Возможно ли чтобы изолятор проявил свойства проводника при каких явлениях.
Как скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике зависит от напряжения на концах проводника?
Как скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике зависит от напряжения на концах проводника?
Сила тока в проводнике 10 А?
Сила тока в проводнике 10 А.
Какая масса электронов, проходящих через поперечное сечение этого проводника за время 1 ч.
Элементарный заряд, а масса электрона.
Напиши, распределив по двум столбцам перечисленые проводники и изоляторы : алюминий, каучук, медь, эбонит, фарфор, пластмаса, шёлк, сталь, стекло?
Напиши, распределив по двум столбцам перечисленые проводники и изоляторы : алюминий, каучук, медь, эбонит, фарфор, пластмаса, шёлк, сталь, стекло.
Чем отличаются проводники от полупроводников. Отличия металлов от полупроводников и диэлектриков
В чём разница?
Несмещенный p-n-переход
У несмещенного p-n-перехода отсутствует внешний источник энергии (нет напряжения). В несмещенном полупроводнике электрическое поле создается на обедненном слое между материалом n-типа и материалом p-типа. Это вызвано дисбалансом свободных электронов из-за легирования.
Зоны в полупроводнике с несмещенным p-n-переходом. Левая сторона представляет собой полупроводник p-типа, а правая — полупроводник n-типа. Между ними находится обедненный слой
Обратный смещенный диод
В обратном смещении диод соединен с кремнием p-типа, подключенным к отрицательному полюсу источника питания, а кремний n-типа подключен к положительному. Электрическое поле поперек обедненного слоя увеличивается. Это действует как барьер, который останавливает поток электронов. Уровень энергии валентной зоны в материале p-типа поднимается выше чем у зоны свободных электронов проводимости n-типа. Это связано с сочетанием легирования и электрического поля на стыке.
Прямой смещенный диод
Диод позволяет току течь только в одном направлении. При прямом смещении электроны в зоне проводимости n-типа перемещаются в сторону зоны проводимости р-типа. Электроны падают из зоны проводимости в валентную зону полупроводника p-типа. Энергия выделяется из-за изменения уровня энергии, что приводит к нагреву обычного диода с p-n-переходом при проводимости.
В зависимости от примеси и используемого полупроводника, различие в уровне энергии между зонами проводимости и валентности может быть достаточно большим, и она способна излучать энергию в виде фотона света. Это свойство используется в светодиодах или LED.
Диоды также могут быть выполнены таким образом, чтобы переход поглощал фотоны света. Фотоны света заставляюь электрон из валентной зоны p-типа продвигаться в зону проводимости n-типа в соединении, позволяя диоду генерировать ЭДС. Это свойство используется в фотодиодах или фотоэлементах.
В чем разница между Проводником, Полупроводником и Изолятором
Заключение
Таким образом, из вышеприведенного можно сделать вывод, что движение электронов из валентной зоны в зону проводимости отвечает за течение тока. Наличие электронов в зоне проводимости определяет уровень проводимости материала. Поэтому уровень проводимости полупроводников находится между проводниками и изоляторами.
Описание проводников
Проводники обладают наивысшей электропроводностью из всех типов веществ. Все проводники подразделяются на две большие подгруппы:
В веществах первой подгруппы перемещаться способны только электроны, поскольку их связь с ядрами атомов слабая, в связи с чем, они достаточно просто от них отсоединяются. Так как в металлах возникновение тока связано с передвижением свободных электронов, то тип электропроводности в них называется электронным.
Параллельное соединение проводников
Из проводников первой подгруппы используют в обмотках электромашин, линиях электропередач, проводах. Важно отметить, что на электропроводность металлов оказывает влияние его чистота и отсутствие примесей.
Движиение электрического тока
В веществах второй подгруппы при воздействии раствора происходит распадение молекулы на положительный и отрицательный ион. Ионы перемещаются вследствие воздействия электрического поля. Затем, когда ток проходит через электролит, происходит осаждение ионов на электроде, который опускается в данный электролит. Процесс, когда из электролита под воздействием электрического тока выделяется вещество, получил название электролиз. Процесс электролиза принято применять, к примеру, когда добывается цветной металл из раствора его соединения, либо при покрытии металла защитным слоем иных металлов.
Чем отличается проводник от полупроводника?
Основным отличием проводника от полупроводника является способность к проводимости электрического тока. У проводника она на порядок выше.
Когда поднимается значение температуры, проводимость полупроводников также возрастает; проводимость проводников при повышении становится меньше.
В чистых проводниках в нормальных условиях при прохождении тока высвобождается гораздо большее количество электронов, нежели в полупроводниках. При этом, добавление примесей снижает проводимость проводников, но увеличивает проводимость полупроводников.
Наука Электроника и техникаКомментировать
Свойства проводников и полупроводников
Очень многие вещества способны проводить электрический ток. Они могут находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Основными проводниками, применяемыми в электротехнике, являются различные виды металлов или их сплавов. Они отличаются высокими качествами проводимости и электрическим сопротивлением, характерным для каждого материала.
В электротехнике металлы применяются в качестве проводников, конструкционных и контактных материалов, а также для спаивания между собой любых видов проводников. Основным свойством проводников является наличие в них свободных электронов, обеспечивающих прохождение электрического тока.
Сравнение
Главное отличие полупроводников от проводников заключается в небольшом количестве образующихся при подключении тока свободных электронов в структуре первых (которые, в свою очередь, появляются в большем количестве наряду с «дырками» при легировании или же в процессе нагрева) и высоком уровне электрического сопротивления соответствующих элементов. А вот проводники имеют множество свободных электронов и характеризуются невысоким сопротивлением. При нагревании первых элементов их сопротивление снижается, при тепловом воздействии на проводники — увеличивается.
Определив, в чем разница между полупроводниками и проводниками, зафиксируем выводы в таблице.
Что представляют собой полупроводники?
Под полупроводниками понимаются химические элементы, обладающие ограниченной способностью передавать электрический ток. Это обусловлено небольшим количеством свободных электронов, формирующихся в их структуре при подключении электродов.
Типичными полупроводниками считаются такие химические элементы, как кремний — относящийся, в частности, к 4-й группе веществ по периодической системе Д. И. Менделеева. На внешней оболочке кремния располагается 4 электрона, классифицируемых как валентные. К иным чистым полупроводникам можно отнести, к примеру, германий.
Одна из главных характеристик полупроводников — удельное сопротивление. Оно может находиться в интервале от 10 в 4 до 10 в минус 5 степени Ом на метр. Для того чтобы понизить удельное сопротивление рассматриваемых элементов, в их состав могут быть включены легирующие примеси. Такие как, например, бор и мышьяк.
Если легирование полупроводников осуществляется посредством элементов 3-й группы по таблице Менделеева (в частности, при использовании бора), то полупроводник будет классифицирован как относящийся к p-типу. У элементов 3-й группы в оболочке присутствует 3 электрона. Это значит, что в структуре кристалла легированного полупроводника из-за недостающего электрона образуются «дырки», которые при подключении тока начинают движение в обратном направлении относительно положительного контакта (к которому, в свою очередь, стремятся электроны).
Если легирование полупроводников осуществляется посредством элементов 5-й группы (например, при использовании мышьяка), то проводник будет относиться к n-типу. У элементов 5-й группы на внешней оболочке располагается 5 электронов. Поэтому при легировании полупроводника часть из них освобождается, вследствие чего элемент приобретает проводимость.
Можно отметить, что пограничная область, располагающаяся между полупроводниками p-типа и n-типа, обладает свойством проводить ток только при подключении электродов в определенном положении. Благодаря данной особенности функционируют различные электронные компоненты, в составе которых используются полупроводниковые вещества, — диоды, транзисторы.
Еще одно примечательное свойство рассматриваемых элементов — усиление проводимости по мере увеличения температуры.
О полупроводниках
Полупроводник выступает в роли промежуточного вещества между проводником и диэлектриком. Самыми яркими представителями данного типа веществ являются кремний, германий, селен. Помимо этого, к данным веществам принято относить элементы четвертой группы периодической таблицы Дмитрия Ивановича Менделеева.
Полупроводники: кремний, германий, селен
Полупроводники имеют дополнительную «дырочную» проводимость, в дополнение к электронной проводимости. Данный тип проводимости зависим от ряда факторов внешней среды, среди которых свет, температура, электрическое и магнитное поле.
В данных веществах имеются непрочные ковалентные связи. При воздействии одного из внешних факторов связь разрушается, после чего происходит образование свободных электронов. При этом, когда электрон отсоединяется, в составе ковалентной связи остается свободная «дырка». Свободные «дырки» притягивают соседние электроны, и так данное действие может производиться бесконечно.
Увеличить проводимость полупроводниковых веществ можно путем внесения в них различных примесей. Данный прием широко распространен в промышленной электронике: в диодах, транзисторах, тиристорах. Рассмотрим более подробно главные отличия проводников от полупроводников.
Что такое полупроводник
Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть различных форм – электрической, тепловой. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.
Где применяются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид-галия, селен, мышьяк.
Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории.
Что представляют собой проводники?
Под проводниками понимаются химические элементы, в которых есть электроны, способные отделяться от одного ядра и перемещаться к другому при подключении тока. Как правило, это металлы. Хорошими проводниками считаются медь, алюминий.
Чем чище металл — тем большей проводимостью он обладает. Примеси снижают данное свойство. При нагревании металлов их проводимость снижается — в то время как у полупроводников, как мы отметили выше, увеличивается.
Чем отличаются проводники. Чем отличается проводник от полупроводника? Электронная и дырочная проводимость
Разница между Проводником, Полупроводником и Изолятором
Принципиальное различие между Проводником, Полупроводником и Изолятором зависит от их уровня проводимости. Проводники – это материалы, которые обеспечивают легкое протекание электрического тока, следовательно, имеют высокую проводимость, Полупроводники – это материалы, которые обладают умеренной проводимостью, тогда как изоляторы являются материалами, которые препятствуют прохождению заряда через них, и тем самым имеют низкую проводимость.
Проводимость твердых веществ является основным фактором, который отличает эти три материала и различия в их проводимости объясняет Теория электронных зон. Кроме того, проводники – имеют очень низкое сопротивление, полупроводники – чистые полупроводники имеют очень высокое сопротивление, а изоляторы – имеют чрезвычайно высокое сопротивление. Однако, существуют некоторые другие различия между Проводником, Полупроводником и Изолятором.
Содержание
Зонная теория проводимости
Электроны вращаются вокруг положительного ядра отдельного атома на допустимых уровнях энергии, как показано серыми линиями слева на диаграмме ниже. В большом наборе атомов, например металлической проволоке или полупроводниковом кристалле, энергетические уровни реорганизуются в две зоны. Зона проводимости – это зона высших энергетических уровней электронов, а валентная зона – это зона нижних энергетических уровней электронов. В энергетической «щели» между зонами электроны не могут существовать.
С левой стороны расположены горизонтальные линии, которые располагаются ближе друг к другу при увеличении уровней энергии
Проводимость – это движение электронов в твердом теле. Для существования проводимости электроны должны свободно перемещаться в зоне проводимости и должны быть пространства в энергетических зонах для перемещения электронов.
Проводники
В проводнике отсутствуют запрещенные зоны между валентной и проводящей зонами. В некоторых металлах зоны проводимости и валентности частично перекрываются. Это означает, что электроны могут свободно перемещаться между валентной зоной и зоной проводимости.
Зона проводимости заполнена только частично. Это означает, что есть места для перемещения электронов. Когда электроны для валентной зоны движутся в зону проводимости, они могут свободно двигаться. Это позволяет проводнику проводить электрический ток.
Зоны в проводниках
Изоляторы
Изолятор имеет большой зазор между валентной зоной и зоной проводимости. Валентная зона заполнена, так как никакие электроны не могут подняться до зоны проводимости. В результате зона проводимости становится пустой. Поскольку в зоне проводимости изолятора нет электронов, а в этой зоне проводимости могут легко перемещаться только электроны, материал не может проводить электрический ток.
Полупроводники
В полупроводнике зазор между валентной зоной и зоной проводимости меньше. При комнатной температуре достаточно энергии для перемещения некоторых электронов из валентной зоны в зону проводимости. Это позволяет иметь некоторую проводимость. Повышение температуры увеличивает проводимость полупроводника, потому что больше электронов будет иметь достаточно энергии для перемещения в зону проводимости.
Зоны в полупроводниках
Разница между изоляторами и полупроводниками обусловлена небольшим количеством примесей, добавляемых в полупроводник, что влияет на энергетические зоны. Этот процесс называется легированием.
Полупроводниковые материалы.
Зонная теория
Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).
На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:
Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия. В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.
У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.
Проводники и изоляторы
5. Проводники и изоляторы
Все вещества, предметы, тела можно разделить на две группы — проводники электричества и электрические изоляторы.
Чем отличаются проводники от изоляторов?
Чтобы ответить на этот вопрос, сделаем следующий опыт с электроскопом. Возьмём два электроскопа и поставим их рядом на столе. Один из электроскопов зарядим электричеством, а другой оставим незаряженным (рис. 5, сверху). Прикоснёмся теперь к обоим шарикам сразу медной палочкой. Мы увидим, что угол между листочками заряженного электроскопа немного уменьшится, а листочки незаряженного электроскопа раздвинутся (рис. 5, слева). Это происходит потому, что часть электричества с одного электроскопа ушла по медной палочке к другому. Медь — проводник электричества.
4-й способ как определить заземление и зануление
Данный способ наименее предпочтительный и несет за собой большие риски для неопытного пользователя эл.энергии. Поэтому используйте его в последнюю очередь, если имеете необходимые навыки и знания.
Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока.
Что представляют собой проводники?
Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу.
Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.
Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод.
Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:
Сопротивление возникает из-за того, что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность.
Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.
Например кабельная продукция : медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.
Что представляют собой диэлектрики?
Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу.
Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы.
Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств.
Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач.
Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц.
Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.
Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос).
Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно.
Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы.
Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах.
Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля.
Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника.
Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным.
Что такое полупроводник?
Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника.
С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы.
Полупроводниками являются кремний и германий.
Сопротивление проводников. Проводимость. Диэлектрики. Применение проводников и изоляторов. Полупроводники.
Физические вещества многообразны по своим электрическим свойствам. Наиболее обширные классы вещества составляют проводники и диэлектрики.
Основная особенность проводников
– наличие свободных носителей зарядов, которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему вещества. Как правило, к таким веществам относятся растворы солей, расплавы, вода (кроме дистиллированной), влажная почва, тело человека и, конечно же, металлы.
считаются наиболее хорошими проводниками электрического заряда. Есть также очень хорошие проводники, которые не являются металлами. Среди таких проводников лучшим примером является углерод.
Все проводники
обладают такими свойствами, как
сопротивление
и
проводимость
. Ввиду того, что электрические заряды, сталкиваясь с атомами или ионами вещества, преодолевают некоторое сопротивление своему движению в электрическом поле, принято говорить, что проводники обладают электрическим сопротивлением (
R
). Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью (
G
).
То есть, проводимость
–
это свойство или способность проводника проводить электрический ток.
Нужно понимать, что
хорошие проводники
представляют собой очень малое сопротивление потоку электрических зарядов и, соответственно,
имеют высокую проводимость
. Чем лучше проводник, тем больше его проводимость. Например, проводник из меди имеет б
о
льшую проводимость, чем проводник из алюминия, а проводимость серебряного проводника выше, чем такого же проводника из меди.
Диэлектрики
В отличие от проводников
, в диэлектриках при низких температурах нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.
К диэлектрикам относятся
, в первую очередь, газы, которые проводят электрические заряды очень плохо. А также стекло, фарфор, керамика, резина, картон, сухая древесина, различные пластмассы и смолы.
, изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами. Надо отметить, что диэлектрические свойства изоляторов во многом зависят от состояния окружающей среды. Так, в условиях повышенной влажности (вода является хорошим проводником) некоторые диэлектрики могут частично терять свои диэлектрические свойства.
О применении проводников и изоляторов
Как проводники, так и изоляторы
широко применяются в технике для решения различных технических задач.
, все электрические провода в доме выполнены из металла (чаще всего медь или алюминий). А оболочка этих проводов или вилка, которая включается в розетку, обязательно выполняются из различных полимеров, которые являются хорошими изоляторами и не пропускают электрические заряды.
, что понятия «проводник» или «изолятор» не отражают качественных характеристик: характеристики этих материалов в действительности находятся в широком диапазоне – от очень хорошего до очень плохого. Серебро, золото, платина являются очень хорошими проводниками, но это дорогие металлы, поэтому они используются только там, где цена менее важна по сравнению с функцией изделия (космос, оборонка). Медь и алюминий также являются хорошими проводниками и в то же время недорогими, что и предопределило их повсеместное применение. Вольфрам и молибден, напротив, являются плохими проводниками и по этой причине не могут использоваться в электрических схемах (будут нарушать работу схемы), но высокое сопротивление этих металлов в сочетании с тугоплавкостью предопределило их применение в лампах накаливания и высокотемпературных нагревательных элементах.
также есть очень хорошие, просто хорошие и плохие. Связано это с тем, что в реальных диэлектриках также есть свободные электроны, хотя их очень мало. Появление свободных зарядов даже в изоляторах обусловлено тепловыми колебаниями электронов: под воздействием высокой температуры некоторым электронам все-таки удается оторваться от ядра и изоляционные свойства диэлектрика при этом ухудшаются. В некоторых диэлектриках свободных электронов больше и качество изоляции у них, соответственно, хуже. Достаточно сравнить, например, керамику и картон.
Самым лучшим изолятором
является идеальный вакуум, но он практически не достижим на Земле. Абсолютно чистая вода также будет отличным изолятором, но кто-нибудь видел ее в реальности? А вода с наличием каких-либо примесей уже является достаточно хорошим проводником. Критерием качества изолятора является соответствие его функциям, которые он должен выполнять в данной схеме. Если диэлектрические свойства материала таковы, что любая утечка через него ничтожно мала (не влияет на работу схемы), то такой материал считается хорошим изолятором.
,
которые по своей проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Такие вещества называют
полупроводниками
.
Они отличаются от проводников сильной зависимостью проводимости электрических зарядов от температуры, а также от концентрации примесей и могут иметь свойства, как проводников, так и диэлектриков.
В отличие от металлических проводников
, у которых с ростом температуры проводимость уменьшается, у полупроводников проводимость растет с увеличением температуры, а сопротивление, как величина обратная проводимости — уменьшается.
При низких температурах
сопротивление полупроводников, как видно из
рис. 1
, стремится к бесконечности. Это значит, что при температуре абсолютного нуля полупроводник не имеет свободных носителей в зоне проводимости и в отличие от проводников ведёт себя, как диэлектрик. При увеличении температуры, а также при добавлении примесей (легировании) проводимость полупроводника растет и он приобретает свойства проводника.
. Зависимость сопротивлений проводников и полупроводников от температуры
5. Проводники и изоляторы
Все вещества, предметы, тела можно разделить на две группы — проводники электричества и электрические изоляторы.
Чем отличаются проводники от изоляторов?
Чтобы ответить на этот вопрос, сделаем следующий опыт с электроскопом. Возьмём два электроскопа и поставим их рядом на столе. Один из электроскопов зарядим электричеством, а другой оставим незаряженным (рис. 5, сверху). Прикоснёмся теперь к обоим шарикам сразу медной палочкой. Мы увидим, что угол между листочками заряженного электроскопа немного уменьшится, а листочки незаряженного электроскопа раздвинутся (рис. 5, слева). Это происходит потому, что часть электричества с одного электроскопа ушла по медной палочке к другому. Медь — проводник электричества.
Рис. 5. По проводнику электричество переходит от одного электроскопа к другому, а по изолятору перейти не может.
Сделаем теперь снова такой же опыт, но на этот раз соединим шарики обоих электроскопов палочкой, сделанной из фарфора (рис. 5, справа). Листочки электроскопа останутся в прежнем положении: с ними ничего не произойдёт. Через фарфор электричество не смогло перейти от одного электроскопа к другому. Фарфор не проводит электричества. Он является изолятором.
Проводниками электричества являются, в первую очередь, металлы (медь, железо и другие), вода и земля. Человеческое тело также относится к проводникам. Примерами электрических изоляторов являются фарфор, стекло, резина, воздух.
Проводники и носят своё название от того, что они проводят электричество, т. е. пропускают его через себя, а изоляторы не проводят — не пропускают через себя электричество.
Основную часть электрических устройств составляют проводники, переносящие электричество в определённое место, и изоляторы, которые не дают электричеству уходить в неположенные для него места. Всякий, кто видел телефонную линию или линию передачи электрической энергии (рис. 6), замечал, что провода, которые служат для передачи электричества, натянуты на фарфоровых или стеклянных изоляторах. Провода (линия передачи) несут электричество от электрической станции (где оно вырабатывается машинами) к фабрикам, заводам, МТС и жилищам. Большие фарфоровые изоляторы поддерживают провода и обеспечивают передачу по ним электричества. Изоляторы нужны именно для того, чтобы не допустить ухода электричества с проводов через столбы в землю, оградить, или, как говорят, «изолировать» его от земли.
Рис. 6. Линия передачи электричества.
Текущее в проводах электричество образует электрический ток. Чем больше электричества протекает в одну секунду через провод, тем больший ток течёт по нему.
Люди частенько употребляют слова «провод» и «кабель», как синонимы. Эти два изделия имеют схожий внешний вид, но это не значит, что они совершенно одинаковые. Визуально они похожи, и с этим не поспоришь. Обычному потребителю вряд ли удастся визуально определить, какое изделие у него в руках.
Людям, которые не получили специальных знаний по электротехнике, но которым приходится сталкиваться с ремонтом бытовых электроприборов, будет очень полезно разобраться в терминологии и получить достоверную информацию.
Проводники
Все проводники располагают электрическими зарядами, которые при влиянии разности в потенциалах движутся в сторону одного из полюсов. Положительные заряды устремлены к отрицательному концу, а отрицательные к положительному. Этот поток – электрический ток.
Ионные вещества и растворы способны проводить электричество, но максимальную проводимость предоставляют металлы. В проводах часто используют медь, так как она обеспечивает отличную проводимость и дешево стоит. Но для высокой проводимости иногда используют позолоченные провода.
Изоляторы
Это материалы, где внутренний заряд лишен возможности свободного передвижения, а значит, не может проводить электрический ток. Мы не располагаем идеальным изолятором с бесконечным удельным сопротивлением. Зато можно использовать стекло, бумагу и тефлон.
У изоляторов также есть физические пределы. Если на них воздействовать огромным количеством напряжения, то случится электрический пробой (электричество пробивается сквозь материал).
Этот провод представлен сердечником из меди (проводник) и полиэтиленовым покрытием (изолятор). Медь пропускает ток, а полиэтилен гарантирует, что ток не выйдет за пределы кабеля
Что такое диэлектрик
Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.
Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков.
Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление.
Если сказать кратко, то основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя.
Проводники и изоляторы 2021
Не каждый атом создается равным. Атомная структура изменяется от атома к атому. Некоторые атомы не способны удерживать свои внешние электроны. Они называются свободными электронами, потому что они могут свободно перемещаться от атома к атому. Эти электроны передают электрическую энергию от одной частицы к другой, тем самым передавая энергию в виде электричества. Проводник — это вещество, которое предполагает свободный поток электрического заряда. Напротив, изолятор сопротивляется электричеству, что означает, что он оказывает прямо противоположное влияние на поток электронов. Электроны тесно связаны друг с другом внутри атомов, тем самым ограничивая свободный поток электрического заряда. Давайте рассмотрим разницу между ними в деталях.
Что такое проводники?
Проводники — это вещества, которые позволяют свободным электронам беспрепятственно течь через них, тем самым передавая энергию в виде электричества, когда электроны свободно перемещаются от атома к атому. Простыми словами, проводники позволяют электронам свободно перемещаться от частицы к частице в одном или нескольких направлениях. Если вы посылаете электрически заряженный электрон в проводник, он попадает на свободный электрон, в конечном счете сбивая его, пока он не ударит с других свободных электронов. Это вызывает некоторую цепную реакцию, создающую электрический заряд через материал. Эти вещества могут легко пропускать через них электричество, поскольку их атомная структура позволяет свободным электронам свободно перемещаться из одной частицы в другую с легкостью.
Большинство металлов, таких как медь, алюминий, железо, золото и серебро, являются хорошими проводниками электричества, поскольку электроны могут свободно перемещаться из одного атома в другой. Например, медь является хорошим проводником, потому что он предвидит свободный поток электронов довольно легко. Алюминий, с другой стороны, также является хорошим проводником, но он не так хорош, как медь. Он очень легкий, поэтому в основном используется в силовых распределительных кабелях. Давайте возьмем пример колбы. Когда вы включаете свет, электрический заряд проходит через провод, который заставляет лампу излучать свет. Это ничего, кроме потока электронов между атомами.
Металлы являются наиболее распространенными проводниками электричества. Другие проводники включают полупроводники, электролиты, плазму и неметаллические проводники, такие как проводящие полимеры и графит. Серебро — лучший проводник, чем медь, но в большинстве случаев нецелесообразно использовать из-за его более высокой стоимости. Однако он используется для специализированного и чувствительного оборудования, такого как спутники. Даже воду, смешанную с примесями, такими как соль, можно рассматривать как проводник.
Применение
Провода в большинстве случаев меньше сопротивляются нагреву, то есть обладают слабой термической защитой, обусловленной лишь свойствами самого изоляционного покрытия. При этом они гораздо легче других проводников, что должно учитываться при монтаже
.
Установка большого количества линий передач тока максимальной мощности на небольшой площади нежелательна, поскольку при возгорании помещение может сгореть полностью!
Воздушные линии электропередач — еще одна сфера применения проводов. Их малый удельный вес позволяет протягивать изделия через опоры
, стоящие на значительном расстоянии друг от друга.
Конечно, по воздуху можно проложить кабель, но для этого потребуется утяжеление опорных столбов во избежание их раскачивания и дальнейшего повреждения проводника.
Силовые проводники идеально подходят для передачи больших объемов мощности в условиях проводящей среды
. Внешняя изоляционная оболочка из резины, бумаги, термоустойчивых полимеров, свинца, витой стальной ленты — все это делает риск возгорания практически невозможным.
Итак, разница между кабелем и проводом следующая. Первый состоит из нескольких проводов, объединенных одним или несколькими слоями защиты. Максимальное номинальное напряжение провода равняется 1000 В
, кабель же может эксплуатироваться при любых показателях напряжения. Определенные конструкционные нюансы делают кабель более предпочтительным вариантом для прокладки в воде или в толще земли.
В заключение предлагаем посмотреть интересное и познавательное видео, чем отличается кабель от провода:
Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока.
Что представляют собой проводники?
Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу.
Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.
Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод.
Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:
Сопротивление возникает из-за того, что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность.
Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.
Например кабельная продукция : медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.
Что представляют собой диэлектрики?
Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу.
Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы.
Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств.
Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач.
Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц.
Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.
Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос).
Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно.
Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы.
Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах.
Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля.
Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника.
Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным.
Что такое полупроводник?
Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника.
С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы.
Полупроводниками являются кремний и германий.
Люди частенько употребляют слова «провод» и «кабель», как синонимы. Эти два изделия имеют схожий внешний вид, но это не значит, что они совершенно одинаковые. Визуально они похожи, и с этим не поспоришь. Обычному потребителю вряд ли удастся визуально определить, какое изделие у него в руках.
Людям, которые не получили специальных знаний по электротехнике, но которым приходится сталкиваться с ремонтом бытовых электроприборов, будет очень полезно разобраться в терминологии и получить достоверную информацию.
Что такое изоляторы?
Изоляторы, с другой стороны, представляют собой вещества, которые оказывают прямо противоположное влияние на поток электронов. Эти вещества препятствуют свободному потоку электронов, тем самым препятствуя потоку электрического тока. Изоляторы содержат атомы, которые крепко держатся за свои электроны, что ограничивает поток электронов от одного атома к другому. Из-за тесно связанных электронов они не могут свободно перемещаться. Проще говоря, вещества, которые препятствуют протеканию тока, являются изоляторами. Материалы имеют такую низкую проводимость, что поток тока почти ничтожен, поэтому они обычно используются для защиты нас от опасных воздействий электричества.
Разница между проводниками и изоляторами
Что представляют собой полупроводники?
Под полупроводниками понимаются химические элементы, обладающие ограниченной способностью передавать электрический ток. Это обусловлено небольшим количеством свободных электронов, формирующихся в их структуре при подключении электродов.
Типичными полупроводниками считаются такие химические элементы, как кремний — относящийся, в частности, к 4-й группе веществ по периодической системе Д. И. Менделеева. На внешней оболочке кремния располагается 4 электрона, классифицируемых как валентные. К иным чистым полупроводникам можно отнести, к примеру, германий.
Одна из главных характеристик полупроводников — удельное сопротивление. Оно может находиться в интервале от 10 в 4 до 10 в минус 5 степени Ом на метр. Для того чтобы понизить удельное сопротивление рассматриваемых элементов, в их состав могут быть включены легирующие примеси. Такие как, например, бор и мышьяк.
Если легирование полупроводников осуществляется посредством элементов 3-й группы по таблице Менделеева (в частности, при использовании бора), то полупроводник будет классифицирован как относящийся к p-типу. У элементов 3-й группы в оболочке присутствует 3 электрона. Это значит, что в структуре кристалла легированного полупроводника из-за недостающего электрона образуются «дырки», которые при подключении тока начинают движение в обратном направлении относительно положительного контакта (к которому, в свою очередь, стремятся электроны).
Если легирование полупроводников осуществляется посредством элементов 5-й группы (например, при использовании мышьяка), то проводник будет относиться к n-типу. У элементов 5-й группы на внешней оболочке располагается 5 электронов. Поэтому при легировании полупроводника часть из них освобождается, вследствие чего элемент приобретает проводимость.
Можно отметить, что пограничная область, располагающаяся между полупроводниками p-типа и n-типа, обладает свойством проводить ток только при подключении электродов в определенном положении. Благодаря данной особенности функционируют различные электронные компоненты, в составе которых используются полупроводниковые вещества, — диоды, транзисторы.
Еще одно примечательное свойство рассматриваемых элементов — усиление проводимости по мере увеличения температуры.
Проводники и изоляторы: сравнительная таблица
| Проводники | Изоляторы |
| Проводники — это материалы, которые обеспечивают свободный поток электронов от одного атома к другому. | Изоляторы не позволят освобождать электроны от одного атома к другому. |
| Проводники проводят электричество из-за наличия свободных электронов в них. | Изоляторы изолируют электричество из-за тесно связанных электронов, присутствующих в атомах. |
| Эти материалы могут пропускать через них электричество. | Изоляционные материалы не могут пропускать через них электрический ток. |
| Атомы не могут крепко удерживать свои электроны. | Атомы имеют тесно связанные электроны, тем самым неспособные хорошо передавать электрическую энергию. |
| Материалы, которые являются хорошими проводниками, обычно имеют высокую проводимость. | Хорошие изоляционные материалы обычно имеют низкую проводимость. |
| В основном металлы — это хорошие проводники, такие как медь, алюминий, серебро, железо и т. Д. | Обычные изоляторы включают резину, стекло, керамику, пластик, асфальт, чистую воду и т. Д. |
Резюме для проводников и изоляторов
Оба проводника и изоляторы практически противоположны по свойствам и функциональности. Наиболее распространенное различие между ними состоит в том, что, хотя проводники допускают свободный поток электронов от одного атома к другому, изоляторы ограничивают свободный поток электронов. Проводники позволяют проходить через них электрическую энергию, в то время как изоляторы не пропускают через них электрическую энергию. Проводники имеют высокую проводимость, в то время как изоляторы имеют низкую проводимость.