Проводники диэлектрики и полупроводники: Проводники, полупроводники и непроводники | 8 класс

Проводники, полупроводники и непроводники | 8 класс

Содержание

В прошлом уроке мы уже упоминали о проводниках и диэлектриках. Мы определили их как вещества, в которых присутствуют или отсутствуют свободные электроны. Именно они осуществляют перенос электрического заряда. В проводниках они есть, а в диэлектриках — нет.

И все же, главная особенность, которую мы будем рассматривать — это способность проводить ток или передавать электрический заряд. По этой способности вещества делят на три основных класса: проводники, полупроводники и диэлектрики. На данном уроке мы дадим определение каждому классу веществ, рассмотрим природу полупроводников, с которыми мы раньше не встречались. 

Проводники

Начнем с определения.

Проводник — это тело, через которое электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Примеры проводников:

• металлы
• почва
• вода с растворенными в ней солями, кислотами или щелочами
• графит
Рисунок 1. Металлы — лучшие проводники электричества

Самыми лучшими проводниками являются металлы (рисунок 1). Максимальной проводимостью обладают серебро, медь и алюминий.

Наши тела тоже проводят электричество. Мы являемся очень своеобразными проводниками. Это легко проверить, дотронувшись до любого заряженного тела, например, до лепестков электроскопа. Заряд перейдет на нас, а затем уйдет через пол в землю.

Во всех этих веществах и в нашем теле есть свободные электроны, которые и переносят заряд.

{"questions":[{"content":"Проводниками являются [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Тело человека","Сталь","Медь","Земля","Стекло","Пластмасса","Кремний"],"answer":[0,1,2,3]}}}]}

Непроводники

Дадим определение.

Диэлектрик/непроводник — это тело, через которое электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Примеры диэлектриков:

• эбонит
• янтарь
• резина
• фарфор
• пластмасса
• шелк
• масло
• капрон
• воздух и газы
• стекло
• сухое дерево
Рисунок 2. Сухое дерево — отличный диэлектрик

Все эти вещества объединяет отсутствие свободных электронов. Они же применяются для изготовления изолятов или изоляции.

{"questions":[{"content":"В диэлектриках электрические заряды[[choice-9]]","widgets":{"choice-9":{"type":"choice","options":["Не могут переходить от заряженного тела к незаряженному","Могут переходить от заряженного тела к незаряженному","Могут переходить от заряженного тела к незаряженному в зависимости от условий"],"explanations":["","Это относится к проводниками.","Это относится к полупроводникам."],"answer":[0]}}}]}

Полупроводники

Эти тела по способности передавать электрические заряды занимают промежуточное значение между проводниками и диэлектриками.

Полупроводник — это  тело, которое не проводит электричество при низких температурах, но начинают проводить электричество при более высоких температурах.

Что это означает? Дело в том, что при низкой температуре полупроводники являются диэлектриками. Они не способны передать какой-то заряд. 

Повысим температуру. Атомы вещества начинают сильнее колебаться около положений своего равновесия. Эти колебания достигают такой силы, что электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов (валентные электроны) становятся свободными. Так полупроводник становится проводником.

Какой характерной особенностью обладают полупроводники? С повышением температуры их проводимость возрастает. Интересно, что у металлов она, наоборот, будет уменьшаться.

Обратите внимание, что эта температура не всегда является очень высокой. Например, для кремния и германия она составляет около $20 \degree C$.

Примеры полупроводников:

• оксиды и сульфаты металлов
• германий
• кремний
• некоторые органические вещества

Из-за своих свойств полупроводники широко применяются в технике. Часто их используют как своеобразные термометры. Например, их используют как температурно зависимые резисторы. Это позволяет контролировать протекание тока при определенных температурах. Когда она достигает критической отметки, какой-то участок цепи перестает проводить ток или, наоборот, начинает. Более подробно об электрической цепи и ее составляющих мы будем говорить в следующих уроках.

{"questions":[{"content":"При низких температурах полупроводник ведет себя как[[choice-14]]","widgets":{"choice-14":{"type":"choice","options":["Диэлектрик","Проводник","Плазма","Металл"],"explanations":["","Полупроводники ведут себя как проводники при высоких температурах.","","Металлы являются проводниками."],"answer":[0]}}}]}

Полупроводники начинают проводить электричество и при других воздействиях на них:

• воздействие света
• пропускание потока быстрых частиц
• введение примесей
Рисунок 3. Под воздействие света полупроводники начинают проводить электричество

Фотопроводимость — это явление повышения проводимости вещества под воздействием света.

Это явление позволяет использовать полупроводники в системах дистанционного управления и сигнализации. Можно сказать, что область применения полупроводников в технике сама по себе очень широка. Они являются составной частью микросхем в телевизорах, компьютерах, радио, используются при создании транзисторов, диодов и др.

{"questions":[{"content":"Полупроводники могут начать проводить электричество при [[choice-20]]","widgets":{"choice-20":{"type":"choice","options":["Воздействии света","Повышении температуры","Введении специальных примесей","Понижении температуры","Электризации"],"answer":[0,1,2]}}}]}

Проводимость и электризация

Отметим важный момент. Никогда не стоит путать электризацию и проводимость.

Тела, не являющиеся проводниками, вполне могут обладать способностью наэлектризовываться.

Электризация происходит при непосредственном соприкосновении тел. Проводимость же возникает внутри тела.

В ходе электризации одно тело теряет электроны, а другое приобретает. Проводимость или электрический ток (подробнее в следующем уроке) описывает упорядоченное движение частиц внутри тела.

{"questions":[{"content":"Стекло является [[fill_choice-25]], но оно может [[fill_choice-29]].","widgets":{"fill_choice-25":{"type":"fill_choice","options":["диэлектриком","проводником","полупроводником"],"answer":0},"fill_choice-29":{"type":"fill_choice","options":["наэлектризоваться","проводить электричество","стать полупроводником в определенных условиях"],"answer":0}}}]}

Упражнения

Упражнение №1

Почему заряженный электроскоп разряжается, если его шарика коснуться рукой?

Наше тело является проводником электричества. Когда мы касаемся шарика заряженного электроскопа, заряд (свободные электроны) переходит в наше тело. При нашем соприкосновении с полом и землей, заряд уйдет туда. Так происходит, если электроскоп заряжен отрицательно.

Если же электроскоп заряжен положительно, то коснувшись его, мы нейтрализуем заряд, сообщив ему некоторое количество электронов. Ведь, являясь проводником, в нашем теле имеется большое количество свободных электронов.

Упражнение №2

Почему стержень электроскопа изготавливают из металла?

Металлы — хорошие проводники. Металлический стержень может передавать заряд от шара к лепесткам.

Если сделать стержень из диэлектрика, то заряд передаваться не будет, электроскоп окажется нерабочим.

Упражнение №3

К шарику незаряженного электроскопа подносят тело, заряженное положительно, не касаясь его. Какой заряд возникнет на листочках электроскопа?

Обратите внимание, что тело не касается электроскопа. При его приближении на шаре образуется отрицательный заряд, а на лепестках — положительный.

Электрическое поле положительно заряженного тела будет действовать на электроскоп, свободные электроны придут в движение. Силы притяжения между разноименными зарядами заставят их собраться на шаре. В другой части электроскопа (на лепестках) образуется недостаток электронов, образуется положительный заряд.

Знакомство с проводниками, полупроводниками и диэлектриками: технические характеристики

Что главное в материалах, которые используются для электричества? Главным их свойством является токопроводимость. Такие материалы делятся на три вида — проводники, полупроводники, диэлектрики.

Сегодняшняя статья посвящена именно этим материалам. Мы подробно рассмотрим что они из себя представляют, для чего используются и каким образом пропускают ток.

Итак, начнем с проводника

Проводник — это материя, которая состоит из свободных носителей заряженных частиц. При движении этих частиц возникает тепловая энергия, поэтому ему дали название — тепловое движение.

Есть два основных параметра проводника — сопротивление, обозначается буквой R или же проводимость, обозначается буквой G. Проводимость это показатель противоположный сопротивлению — G=1/R.

То есть проводник — это материал, который ведет ток.

Что же является проводником. Металлы — лучшие проводники, особенно медь и алюминий. Также проводниками являются солевые растворы, влажный грунт, углерод. Последний нашел широкое применение в работе со скользящими связями.

Примером такого применения являются щетки в электрическом двигателе. Человеческое тело — тоже проводник электрического тока. Но электропроводные свойства у вышеперечисленных материалов все же ниже, чем в металлах.

Сама структура металлов предполагает в себе огромное количество свободных заряженных частиц, что и делает их лучшими проводниками.

Когда металл попадает под действие электрических полей, то происходит процесс так называемой электроиндукции. То есть заряженные частицы начинают активно двигаться и распределятся.

Перейдем к диэлектрикам

Диэлектрик — это материя, которая не подчиняется воздействию электрического поля, то есть не пропускает через себя ток, а если и пропускает, то в незначительном количестве.

Происходит это потому, что они не обладают свободно передвигающимися частицами — носителями тока, поскольку в них очень сильная атомная связь.

В жизни такими веществами выступают резина, керамические компоненты, стекло, отдельные виды смол, дистиллированная вода,  карбонит, фарфор, текстолит, а так же сухое дерево и так далее.

Именно благодаря свои свойствам, вышеперечисленные материалы являются основой корпусов различных электрических приборов, выключателей, розеток, вилок и других приспособлений, которые контактируют с электричеством непосредственно.

Изоляционные элементы в сетях также изготовляются из диэлектрических материалов.

Но, не все так просто и с диэлектриками. Если пропускать через них ток выше нормы, хранить их или устанавливать в среде с высокими показателями влажности или неправильно их использовать, то можно вызвать такое явление, как «пробой изолятора» — это означает, что материал диэлектрика теряет свои токонепроводимые функции и становится проводником.

То есть, если в двух словах описать ситуацию, то основное в диэлектрике — это его электроизоляционные способности. Таким образом эти приборы помогают нам защититься от травмирующего воздействия электричества.

Свойства диэлектрика измеряются его электрической прочностью — это показатель, который равняется с напряжением пробоя диэлектрика.

И наконец мы дошли до полупроводников

 Полупроводники называются так, потому что у них есть свойство проводить ток, но не всегда. Для этого данному веществу необходимо создать специальные условия. Нужно подать к нему энергию в определенным  количестве.

Свои свойства полупроводник имеет потому, что в его структуре очень мало частиц, являющихся свободными носителями, а может быть такое, что их там вовсе нет. Но, стоит повлиять на них определенной энергией — и они появляются и активно двигаются.

Энергия может быть не только электрической, также можно воздействовать тепловой энергией, или различными излучениями. Например, свободно движущиеся элементы появляются при влиянии излучения в УФ-Спектре.

Материалами с такими свойствами являются германий, кремний, так же это может быть смешение арсенида и гелия, мышьяк, селен и прочие.

Применение полупроводников может быть различное. Из данного материала делают микросхемы, светодиоды, транзисторы, диоды и многое другое.

Для того, чтоб более подробно объяснить работу полупроводника, применим к нему так называемую зонную теорию. Упомянутая теория объясняет существование или неимение свободных заряженных частиц в отношении конкретных энергетических уровней.

Энергетический уровень (слой) — это число простых частиц, таких как молекул, атомов, то есть электронов. Данный показатель измеряется в Электронвольтах (ЭВ).

Следует обратить внимание на то, что слои проводника составляют непрерывную диаграмму от зоны валентности и до зоны проводимости. Если эти две зоны осуществляют накладку друг на друга, то возникает зона перекрытия.

В соответствии с влиянием некоторых влияний, например электрических полей, температурного режима и прочего, число электронов может меняться.

Исходя из вышеописанных процессов электроны при минимальной энергетическом воздействии начинают движение в проводнике.

Полупроводники между двумя вышеупомянутыми зонами имеют еще зону запрещенную. Величина данной зоны показывает количество той энергии, которой будет достаточно для проведения тока.

Диэлектрики по структуре похожи на полупроводники, но их защитный шар намного больше благодаря внутренним связям материала.

Мы рассказали о главных свойствах проводников, полупроводников и диэлектриков. Можно сделать вывод, что отличаются они друг от друга своей проводимостью тока. Именно из-за этого у каждого материала есть своя зона применения.

Так, проводники применяются там, где нужна стопроцентная проводимость тока.

Использование диэлектриков приходится на изготовление различной  изоляции токопроводящих участков.

Ну, а полупроводники активно применяют в электронике.

Думаем, данная статья раскрыла перед вами все нюансы работы проводников, диэлектриков и полупроводников, их основные отличия и сферы применения.

В чем разница между диэлектриком и полупроводником?

спросил 4 года, 2 месяца назад

Изменено 4 года, 2 месяца назад

Просмотрено 2к раз

$\begingroup$

Было бы очень хорошо, если бы вы могли дать уравнение для различения двух классов материалов.

Пожалуйста, не давайте ответ, основанный на размере запрещенной зоны, так как в последние годы алмаз (с большой шириной запрещенной зоны) можно рассматривать как полупроводник, в зависимости от области, в которой вы работаете.

• физика полупроводников
• диэлектрик

$\endgroup$

$\begingroup$

Уравнения не требуются. Диэлектрик всегда изолятор. Полупроводник может быть изолятором или проводником в зависимости от таких условий, как наличие электрического поля. Например, транзистор можно использовать в качестве переключателя, подавая на него напряжение или нет. Если напряжение есть, оно позволяет току течь, а если напряжение выключено, то нет.

$\endgroup$

4

$\begingroup$

Пожалуйста, не давайте ответ, основанный на размере запрещенной зоны, так как в последние годы алмаз (у которого большая ширина запрещенной зоны) может рассматриваться как полупроводник, в зависимости от области, в которой вы работаете.

К сожалению, по вашему запросу оказывается, что ключевой величиной, определяющей, является ли материал изолятором или полупроводником, очень часто является ширина запрещенной зоны

и термодинамические условия. Даже типичные полупроводники, такие как Si или Ge, при очень низких температурах ведут себя как изоляторы.

Конечно, надо учитывать, что к термодинамическим условиям, помимо очевидных значений температуры и давления, следует отнести также электрические и магнитные поля. Это замечание должно сделать понятным, почему, помимо внешних параметров, единственным существенным внутренним свойством материала остается зонная структура и, в частности, ширина запрещенной зоны.

$\endgroup$

2

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Проводники, полупроводники и диэлектрики. Материалы для морских инженерных исследований

Физические свойства твердых тел и их электрические свойства определяются степенью заполнения энергетических зон, а не их формированием. С этой точки зрения все кристаллические тела можно разделить на две различные группы.

Проводники

К первой группе относятся вещества, имеющие в энергетическом спектре частично заполненную полосу над полностью заполненными энергетическими полосами. Как указывалось выше, частично заполненная полоса наблюдается в щелочных металлах, верхняя полоса которых образована незаполненными атомными уровнями, и в щелочноземельных кристаллах. Все вещества, принадлежащие к этой группе, являются проводниками.

Полупроводники и диэлектрики

Вторая группа включает вещества с абсолютно пустыми полосами над полностью заполненными полосами. В эту группу также входят кристаллы с ромбовидной структурой, такие как кремний, германий, серое олово и сам алмаз.

Эта вторая группа включает полупроводники и диэлектрики. Самая верхняя заполненная зона в этих кристаллах называется валентной зоной, а первая пустая зона над ней — зоной проводимости. Верхний уровень валентной зоны называется вершиной валентной зоны и обозначается Wv. Самый нижний уровень зоны проводимости называется дном зоны проводимости и обозначается Wc.

Деление на полупроводники и диэлектрики весьма условно и определяется шириной Wg запрещенной энергетической щели, отделяющей полностью заполненную зону от пустой зоны. Вещества с запрещенной зоной Wg < 2 эВ относятся к подгруппе полупроводников. Типичными полупроводниками являются германий (Wg » 0,7 эВ), кремний (Wg » 1,2 эВ), арсенид галлия (Wg » 1,5 эВ) и антимонид индия (Wg » 0,2 эВ). Вещества, у которых Wg >

3 эВ, относятся к диэлектрикам. К хорошо известным диэлектрикам относятся корунд (Wg » 7 эВ), алмаз (Wg » 5 эВ). Нитрид бора (W g » 4, 5 эВ) и другие.

Проводники, такие как медь и алюминий, используются для передачи электрического тока различной мощности. Их выбирают исходя из допустимого падения напряжения на концах проводника при заданном токе.

Полупроводники используются в производстве многих электронных устройств, таких как диоды, биполярные транзисторы, полевые транзисторы, КМОП ИС и т. д. Внешние полупроводники легируются для изготовления полупроводников n-типа и p-типа, которые используются в производстве этих устройств .

Диэлектрики и изоляторы используются там, где недопустима проводимость. Они используются в качестве изоляционных опор для токонесущих проводников. Сверхпроводник при комнатной температуре — это еще не открытый материал, способный проявлять сверхпроводящие свойства при температурах выше 0° C (273,15 K). Это, конечно, не совсем «комнатная температура» (20–25°С), но до нее можно добраться очень дешево.

С момента открытия высокотемпературных сверхпроводников несколько материалов были признаны сверхпроводниками при комнатной температуре. В каждом случае независимое расследование быстро доказало ложность этих утверждений.