DJVU

      Проводники, изоляторы, полупроводники
      Все вещества (тела) состоят из атомов и молекул. Атом имеет положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны, совершающие орбитальное движение вокруг ядра. Если суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду, то атом электрически нейтрален. Порядковый номер элемента в периодической таблице Менделеева определяется числом электронов нейтрального атома. Заряд ядра по абсолютной величине равен заряду электрона, умноженному на число электронов нейтрального атома.
      Электроны атомов обычно находятся на определенных орбитах. Электроны, находящиеся на внутренних орбитах, относительно прочно связаны с ядром атома. Электроны, находящиеся на внешних орбитах (валентные электроны), сравнительно легко могут отделяться от атома, после чего становятся «свободными» или присоединяются к другому атому или молекуле. Атом, потерявший один или несколько электронов, называется положительным ионом, а атом, присоединивший электроны, — отрицательным ионом. Процесс образования ионов называется ионизацией. Количество носителей заряда — свободных электронов или ионов в единице объема вещества принято называть концентрацией носителей заряда.
      Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называется электропроводностью. Электропроводность вещества зависит от концентрации носителей заряда: чем выше концентрация, тем больше электропроводность. Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.
      Основным свойством проводящих веществ или проводников является их высокая электропроводность. Проводники делятся на два рода. В проводниках первого рода, к которым преимущественно относятся все металлы и их сплавы, электрический ток создается перемещением только электронов — это проводники с электронной проводимостью. Прохождение тока в них не сопровождается химическими изменениями материала проводника. Лучшими проводниками являются серебро, медь, алюминий.
      Согласно классической электронной теории высокая электропроводность металлов объясняется наличием в них огромного количества свободных электронов — электронов проводимости, находящихся в состоянии беспорядочного движения и заполняющих объем проводника наподобие газа — электронного газа. При движении электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки, направление их движения, скорость, кинетическая энергия при этом изменяются.
      Если в таком проводнике существует электрическое поде, то на заряды проводника действуют силы этого поля. Направление сил, действующих на положительные заряды, совпадает с направлением поля, а действующих на отрицательные заряды, — противоположно направлению поля. Таким образом, электроны проводимости получают слагающую скорости, вследствие чего наступает упорядоченное движение электронов в одном направлении, т. е. в проводнике возникает ток проводимости.
      Проводники второго рода, или проводники с ионной проводимостью, представляют собой расплавы некоторых солей и водные растворы кислот-, солей, щелочей и др. В расплавах и растворах независимо от прохождения тока происходит распад их нейтральных молекул на положительные и отрицательные ионы (электролитическая диссоциация). Положительными ионами являются ионы металлов и водород, отрицательными — кислотные остатки и гидроксильная группа (ОН). Расплавы и растворы веществ, состоящие частично или полностью из ионов, называются еще электролитами. При отсутствии внешнего электрического поля ионы и молекулы находятся в состоянии хаотичного теплового движения.
      Если в таком проводнике создать электрическое поле, то силы поля вызовут движение положительных ионов в направлении поля, а отрицательных — в противоположном направлении. Их упорядоченное движение и представляет собой ток проводимости в электролите.
      Изоляторами (диэлектриками) называются вещества, в‘которых при нормальных условиях (невысокие температуры и отсутствие сильных электрических полей) имеется ничтожное количество свободных электрически заряженных частиц; вследствие этого они обладают ничтожной электропроводностью, которой во многих случаях можно пренебречь. К числу изоляторов относятся некоторые газы и жидкости — минеральные масла, лаки, а также большое число твердых материалов за исключением металлов, их сплавов и угля.
      В диэлектриках возможно длительное существование электростатического поля. Однако при некоторых условиях, например при действии высоких температур или сильных электрических полей, в диэлектриках возможны расщепление молекул на ионы и потеря ими изолирующих свойств.
      Полупроводники (полупроводящие вещества) по своей электропроводности занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. К полупроводникам относятся кремний, германий, теллур, селен, окислы металлов, соединения металлов с серой и т; д.
      Полупроводники обладают рядом характерных свойств: электропроводность их и концентрация носителей заряда в сильной степени зависят от температуры, освещенности, электрических полей, примесей и др. Отличительные особенности полупроводников объясняются тем, что кроме электронной электропроводности, вызываемой электронами проводимости, они обладают еще так называемой «дыроч-н о й» электропроводностью. Последняя вызвана перемещением под действием электрического поля «дырок», т. е. незанятых валентными электронами мест в атомах, что равноценно перемещению положительно заряженных частиц, заряды которых по абсолютной величине равны зарядам электронов.
      В настоящее время свойства полупроводников используются в большом количестве весьма разнообразных приборов и устройств (полупроводниковые диоды и триоды, фоторезисторы и т. п.).
     
      Электрический ток
      Из сказанного в § 1-2 следует, что для возникновения и прохождения электрического тока в проводнике необходимо: 1) наличие в проводнике носителей зарядов, которые могут перемещаться — свободных электронов в металлах, ионов и свободных электронов в электролитах; 2) наличие в проводнике электрического поля.
      Электростатическое поле (поле неподвижных зарядов) не может существовать в проводнике, так как под действием поля свободные заряды проводника могут перемещаться.
      В заряженном проводящем теле все заряды расположатся на поверхности так, чтобы их суммарное поле внутри проводника равнялось нулю. Для поддержания направленного движения зарядов в проводнике необходимо поддерживать электрическое поле в проводнике, подключив к нему два зажима (электрода) источника электрической энергии, например аккумулятора. Таким образом, электрический ток проходит в проводнике, если проводник вместе с источником электрической энергии образует хотя бы простейшую электрическую цепь. Поле в проводнике создается зарядами, накапливающимися на электродах источника под действием химических, механических или других сил, действующих в источнике. В электротехнике говорят, что между электродами, к которым подключен источник энергии, приложено напряжение этого источника. Положительно заряженный электрод (анод) обозначают знаком плюс, а отрицательно заряженный (катод) знаком минус.
      Электрическое поле в проводнике при постоянном (т. е. не изменяющемся с течением времени) токе называется стационарным электрическим полем.