Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое проводники, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое проводники, электрический проводник, металл, полуметалл, зонная теория проводимости твердых тел , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Материаловедение и материалы электронных аппаратов.
Проводник — вещество, среда, материал, хорошо проводящие электрический ток.
В проводнике имеется большое число свободных носителей заряда, то есть заряженных частиц, которые могут свободно перемещаться внутри объема проводника и под действием приложенного к проводнику электрического напряжения создают ток проводимости . Благодаря большому числу свободных носителей заряда и их высокой подвижности значение удельной электропроводности проводников велико.
С точки зрения электродинамики проводник — среда с большим на рассматриваемой частоте значением тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ >> 1) , в такой среде сила тока проводимости много больше силы тока смещения. При этом под идеальным проводником (сверхпроводником) понимают среду с бесконечно большим значением tgδ, прочие проводники называют реальными или проводниками с потерями.
Проводниками называют также части электрических цепей — соединительные провода , металл ические шины и др.
Среди наиболее распространенных твердых проводников известны металлы, полуметалл ы, углерод (в виде угля и графита). Пример проводящих жидкостей при нормальных условиях — ртуть, электролиты, при высоких температурах — расплавы металлов. Пример проводящих газов — ионизированный газ (плазма). Некоторые вещества, при нормальных условиях являющиеся изоляторами, при внешних воздействиях могут переходить в проводящее состояние, а именно проводимость полупроводников может сильно варьироваться при изменении температуры, освещенности, легировании и т. п.
Микроскопическое описание проводников связано с электронной теорией металлов. Наиболее простая модель описания проводимости известна с начала прошлого века и была развита Друде.
Проводники делятся на:
Проводниками электрического тока могут служить твердые тела, жидкости и газы.
Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода.
К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты.
Механизм прохождения тока по металлам в твердом и жидком состояниях обусловлен движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной проводимостью, или проводниками первого рода.
Электролитами, или проводниками второго рода, являются растворы (в основном водные) кислот, щелочей и солей, а также расплавы ионных соединений. Прохождение тока через такие проводники связано с переносом ионов, в результате чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза.
Все газы и пары, в том числе и металлов, при низких напряженностях электрического поля проводниками не являются. Если напряженность электрического поля выше некоторого значения, обеспечивающего начало ударной ионизации, то газ может стать проводником, обладающим электронной и ионной электропроводностями. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Сильно ионизированный газ называется плазмой.
Рис классификация проводниковых матариалов
Диаграмма заполнения электронных уровней энергии в различных типах материалов в равновесном состоянии. На рисунке по высоте условно показана энергия, а ширина фигур — плотность состояний для данной энергии в указанном материале.
Полутона соответствует распределению Ферми — Дирака (черный — все состояния заполнены, белый — состояние пустое).
Полуметаллы
В металлах и полуметаллах уровень Ферми 
находится внутри, по меньшей мере, одной разрешенной зоны. В диэлектриках и полупроводниках уровень Ферми находится внутри запрещенной зоны, но в полупроводниках зоны находятся достаточно близко к уровню Ферми для заполнения их электронами или дырками в результате теплового движения частиц.]] Полумета́ллы — в физике твердого тела называются различные вещества, занимающие по электрическим свойствам промежуточное положение между металлами и полупроводниками. В отличие от полупроводников полуметаллы обладают электрической проводимостью вблизи абсолютного нуля температуры, в то время как полупроводники (тем более диэлектрики) в этих условиях — изоляторы .
Характерной особенностью полуметаллов является небольшое перекрытие валентной зоны и зоны проводимости, что приводит, с одной стороны, к тому, что полуметаллы остаются проводниками электрического тока вплоть до абсолютного нуля температуры, а с другой стороны — с повышением температуры число носителей тока (электронов и дырок) возрастает, но все-таки остается небольшим, достигая концентрации до 1018—1020 см−3, или до 10−3 на один атом.
Носители тока в полуметаллах отличаются большой подвижностью и малой эффективной массой. Поэтому полуметаллы — удобные материалы для наблюдения размерных эффектов , фазовых переходов полуметалл — диэлектрик в сильных магнитных полях и ряда других явлений в твердом теле.
Диаграмма зон прямозонного (A), непрямозонного (B) полупроводников и полуметалла (C).
– энергия;
– волновое число;
– ширина запрещенной зоны;
– уровень Ферми;
– дырки в валентной зоне;
– электроны в зоне проводимости.
Согласно физике все вещества состоят из атомов, а атомы из положительного ядра и вращающихся вокруг него по разным орбитам электронов. Электроны, вращающиеся по внешней орбите, называются валентнымии образуют связи между соседними атомами. Различают валентную связь, когда электрон вращается вокруг своей орбиты, и ковалентную связь, когда валентные электроны вращаются по общей орбите между двумя соседними атомами. Электроны, покинувшие свою орбиту и свободно перемещающиеся в веществе, называются свободными и участвуют в проведение электрического тока.
Все вещества по отношению к электрическому току делятся на:
В твердом кристаллическом теле, состоящем из многих атомов, электрические и магнитные поля отдельных атомов влияют друг на друга, образуя энергетические уровни.
Для пояснения отличительной особенности изоляторов, проводников и полупроводников используют зонную теорию, согласно которой электроны, вращаясь вокруг своего ядра на разных орбитах, обладают различной энергией.
Рис. 1.1 – Энергетические зоны изолятора (а), проводника (б) и полупроводника (в).
Согласно зонной теории отличие этих веществ состоит в следующем:
Уровень энергий, в котором находятся валентные электроны, образуют валентную зону. Уровень энергий, в котором находятся свободные электроны, участвующие в проводимости, образуют зону проводимости. Валентная зона и зона проводимости разделяются запрещенной зоной.
Ширина запрещенной зоны:
Электропроводность веществ определяется содержанием свободных электронов. В металлах в 1 см3содержится около 1022э/см3, а в полупроводниках 109÷1010э/см3.
Для создания тока I=1A необходимо пропускать ne≈1018 в секунду.
Данная статья про проводники подтверждают значимость применения современных методик для изучения данных проблем. Надеюсь, что теперь ты понял что такое проводники, электрический проводник, металл, полуметалл, зонная теория проводимости твердых тел и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Материаловедение и материалы электронных аппаратов
Из статьи мы узнали кратко, но содержательно про проводники
Комментарии
Оставить комментарий
Материаловедение и материалы электронных аппаратов
Термины: Материаловедение и материалы электронных аппаратов