3. Электропроводность. Проводники. Полупроводники.
По электропроводности все вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.
Проводники обладают высокой электропроводностью. Различают проводники первого и второго рода.
К проводникам первого рода относятся все металлы, некоторые сплавы и уголь. В этих проводниках связь между электронами и ядром атома слаба, в результате чего электроны легко покидают пределы атома и становятся свободными.
К проводникам второго рода относятся электролиты, в которых | происходит процесс электролитической диссоциации, разделение молекул на положительные и отрицательные ионы (ионизация). V Направленное перемещение ионов обуславливает электропроводность проводников второго рода, т. е. в проводниках второго рода имеет место ионная проводимость. В проводниках отсутствует электростатическое поле.
К полупроводникам относятся материалы, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
Широкое применение в полупроводниковой технике получили такие материалы, как германий, кремний, селен, арсенид галлия и др.
Электропроводность и концентрация носителей зарядов в полупроводниках зависит от температуры, освещенности, примесей, степени сжатия и т. д.
Электрическая проводимость полупроводника зависит от рода примесей, имеющихся в основном материале полупроводника, и от технологии изготовления его составных частей.
Различают две основные разновидности электрической проводимости полупроводников — электронную и «дырочную».
4. Электрическая цепь. Электрический ток. Напряжение. Сопротивление.
Основными элементами электрической цепи являются:
- источник электрической энергии;
- потребители;
3) устройства для передачи электрической энергии.
В источниках электрической энергии (генераторах, аккумуляторах, солнечных батареях, термоэлементах и др.) происходит преобразование различных видов энергии в электрическую.
В генераторах в электрическую энергию преобразуется механическая, тепловая, гидро-, атомная и другие виды энергии. В гальванических элементах и аккумуляторах в электрическую энергию преобразуется химическая энергия. Термоэлементы, фотоэлементы, солнечные батареи преобразуют в электрическую тепловую и световую энергию.
Устройствами для передачи электрической энергии от источников к потребителям являются линии электропередачи, провода, кабели и другие проводники. Провод представляет собой металлическую проволоку из меди, алюминия или стали, покрытую или не покрытую изолирующим слоем. Изоляция препятствует контакту с токоведущими участками цепей, находящимися под напряжением.
Все основные элементы электрической цепи обладают электрическим сопротивлением.
Кроме основных элементов электрические цепи содержат вспомогательные элементы: предохранители, рубильники, выключатели, переключатели, измерительные приборы (амперметры, вольтметры, счетчики) и др.
Электрический ток — это явление упорядоченного (направленного) перемещения заряженных частиц в проводнике под действием электрического поля.
Электрический ток может существовать только в замкнутой электрической цепи.
За направление тока в замкнутой электрической цепи принимается направление от положительной клеммы источника к его отрицательной клемме по внешнему участку цепи (рис. 2.1).
Таким образом, направление тока противоположно направлению перемещения электронов в замкнутой цепи. Ток в цепи направлен так, как перемещались бы положительные заряды.
В неразветвленной электрической цепи (рис. 2.1) ток на всех участках (во всех сечениях) цепи имеет одинаковое значение, в противном случае в какой-либо точке электрической цепи накапливались бы заряды, чего не может быть в замкнутой электрической цепи.
Энергия, затраченная на перемещение единицы положительного заряда на каком-либо участке замкнутой цепи, характеризует напряжение или падение напряжения на этом участке (внутреннем или внешнем):
Электрическое сопротивление проводника — это противодействие, которое атомы или молекулы проводника оказывают направленному перемещению зарядов.
СопротивлениеR зависит от длины проводника l, площади поперечного сеченияS и материала проводника р: R=ρ(l/S)
Удельное сопротивление (р) — это сопротивление проводника из данного материала длиной 1 м площадью поперечного сечения 1 мм 2 при температуре 20 °С
Проводники (часть 1)
- Чем отличаются проводники первого и второго рода?
Проводники являются материалами с электронной проводимостью (первого рода). Проводниками второго рода называются электролиты, представляющие собой растворы кислот и щелочей.
- Чем обусловлена высокая электропроводность проводников?
Большим количеством свободных электронов и характеризующиеся отрицательной реакцией удельной проводимости на повышение температуры и легирование.
- Какие величины связывает число Лоренца?
Удельную теплопроводность и электропроводность.
- Чем обусловлено наличие большого количества свободных носителей заряда в объеме проводника?
- Реальная температурная зависимость электропроводности металлов (в осях: удельное сопротивление и температура) представляет собой ….
- При увеличении температуры до Тпл удельное сопротивление металлов без скачков увеличивается.
- К материалам высокой проводимости принято относить проводники с удельным сопротивлением в нормальных условиях не более 0,1 мкОм·м.
- Чем объясняется легкая паяемость меди по сравнению с другими проводниками?
- Насколько сильно электропроводность меди зависит от наличия примеси?
Многие примеси оказывают негативное воздействие на проводимость
- В чем преимущество алюминиевого проводника перед медным?
Он в 3,5 раза легче, следовательно,на единицу массы удельная проводимость алюминия в 2 раза выше
- Насколько сильно электропроводность алюминия зависит от наличия примеси?
Примеси так же сильно сказываются на электропроводности алюминия
- Почему серебро редко используется как проводник в электронике и микроэлектронике?
Обладает низким сопротивлением абразивному воздействию,Высокая пористость в тонких слоях, что обуславливает невозможность использования в качестве проводников в микроэлектронике,Высокая стоимость.
- Почему золото редко используется как проводник в электронике и микроэлектронике?
Обладает низким сопротивлением абразивному воздействию,Высокая пористость в тонких слоях, что обуславливает невозможность использования в качестве проводников в микроэлектронике,Высокая стоимость.
- Для чего чаще всего используются серебро и золото в электронике?
Золото находит применение и в микроэлектронике, и в электронике как материал неподвижных контактов. Серебро применяется как материал подвижных контактов.
- Сверхпроводниками первого рода называются материалы, имеющие температуру сверхпроводимости Тсв.
- Сверхпроводниками второго рода называются материалы, имеющие температуру сверхпроводимости Тсв>4,2К.
- Большинство металлов, переходящих в сверхпроводящее состояние, являются сверхпроводниками первого рода.
- К проводниковым материалам высокого сопротивления относятся металлы и сплавы, у которых значение удельного сопротивления в нормальных условиях не менее 0,3 мкОм·м.
- Общие требования к резистивным материалам:
- Высокое удельное сопротивление;
- Малый по величине ТКρ;
- Материал должен обладать стабильностью, то есть минимальным дрейфом удельного сопротивления под действием различных факторов, а так же во времени;
- Материал должен обладать совместимостью с другими конструктивными и электротехническими материалами;
- Химическая устойчивость;
- Технологичность.
16.03.2015 2.92 Mб 62 принцип максимума Понтрягина.doc
29.03.2016 1.36 Mб 171 Принципы построения систем топливопитания и автоматики авиационных ГТД.doc
07.05.2019 920.58 Кб 0 Принятие решений_Занятие 1.doc
18.07.2019 398.34 Кб 4 Проблемы акклиматизации в горах.doc
07.06.2015 2.15 Mб 53 Проблемы психологического исследования.doc
16.03.2015 64.51 Кб 7 Проводники (часть 1).doc
07.06.2015 48.53 Mб 84 программа 9-17 век по культуре полная.doc
07.06.2015 4.54 Mб 127 ПРОГРАММА и МЕТОДИЧКА ПО КРАЕВЕДЕНИЮ.doc
18.07.2019 91.65 Кб 2 программа ПГР.doc
07.06.2015 137.22 Кб 12 программа по повседневности.doc
07.06.2015 261.63 Кб 20 программа русск. культура 19 век.doc
Ограничение
Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу:
7.1.4 Классификация проводников по типу проводимости.
По способности проводить электрический ток все вещества делятся на три группы: проводники; полупроводники и изоляторы. Проводники – это вещества, хорошо проводящие электрический ток. По природе проводимости они делятся на проводники I-го рода или металлы и проводники II-го рода или ионные.
Металлы обладают электронным типом проводимости, так как ток в них обусловлен направленным движением электронов под действием внешнего поля. Наиболее высокая проводимость при комнатной температуре у меди и серебра. Ионные проводники характеризуются ионным типом проводимости и представляют собой твердые или жидкие электролиты. При протекании тока через такой проводник происходит встречное движение ионов (катионов и анионов) к полюсам внешнего источника. Таким видом проводимости обладают водные растворы солей с ионным типом связи (NaCl), щелочи и разбавленные сильные кислоты; некоторые неводные электролиты. В зависимости от температуры ионная проводимость может существенно изменяться.
Полупроводникам также свойственен ионный тип проводимости, но ее величина существенно меняется в зависимости от направления внешнего поля: если в прямом направлении такое вещество является хорошим проводником, то при смене полярности проявляет свойства изолятора и практически не способно пропускать электрический сигнал. Свойства полупроводников проявляют не только индивидуальные вещества, такие как германий, селен; но и специально сформированные сложные композиции.
Изоляторы обладают столь малой проводимостью, что ею можно пренебречь и считать, что ток через такой материал не проходит. Изоляторами являются многие газы, неметаллы, вода высокой очистки (деионизированный бидистиллят).
7.2 Потенциометрический анализ (ионометрия)
В основе потенциометрических измерений лежит зависимость равновесного потенциала электрода от активности (концентрации) определяемого иона. Для этого необходимо составить гальванический элемент из индикаторного электрода и электрода сравнения, а также иметь прибор для определения потенциала индикаторного электрода в условиях, близких к термодинамическим, т. е. без отвода заметного тока от гальванического элемента при замыкании цепи. Различают прямую и косвенную потенциометрию, или потенциометрическое титрование.
Прямая потенциометрия основана на непосредственном применении уравнения Нернста при определении активности или концентрации ионов по экспериментально измеренному потенциалу электрода (ЭДС электрохимической ячейки). Значение ЭДС регистрируют электронным вольтметром с высоким выходным сопротивлением – иономер или рН-метр. Концентрацию анализируемых ионов находят таким же способом, как и в любом количественном анализе:
методом градуировки электрода по растворам с точно известной концентрацией определяемых ионов (буферные растворы);
методом градуировочного графика Е = f(pC), где pC = -logC. График строят при постоянной ионной силе раствора в присутствии индифферентных электролитов;
методом добавок (анализ сложных по составу или сильно разбавленных растворов).
При прямых количественных измерениях всегда необходима предварительная калибровка электродов, т.е. установление зависимости потенциала электрода ИСЭ от концентрации потенциалопределяющего иона. При длительной эксплуатации электродов необходимо проводить их повторную калибровку. В процессе калибровки по экспериментальным данным строят градуировочный график, называемый электродной функцией (рис. 7.12).
Рисунок 7.12 Вид электродной функции для калий-селективного
По графику электродной функции ИСЭ определяют следующие характеристики.
♦ Аналитическую область, которую называют Нернстовской – интервал значений, где зависимость потенциала электрода от концентрации потенциалопределяющего иона прямолинейна.
♦ Крутизну электродной функции – угловой коэффициент наклона графика электродной функции.
♦ Предел обнаружения потенциалопределяющего иона .
Предел обнаружения можно найти несколькими способами, например путем экстраполяции прямолинейного участка графика, построенного в координатах Е – р . Точка пересечения прямой с осью абсцисс и дает искомое значение . Метод прямой потенциометрии используют для быстрого определения концентрации кислот и оснований, солей аммония, сульфидов и других катионов и анионов.
Потенциометрическое титрование относится к косвенным методам анализа и основано на установлении точки эквивалентности по резкому изменению потенциала индикаторного электрода при титровании путем построения графических зависимостей. Потенциометрическое титрование широко применяют для работы с сильноразбавленными растворами, при анализе окрашенных и мутных сред, титровании смеси катионов (комплексонометрия), обладающих сходными свойствами. Этот метод весьма эффективен в случае кислотно-основного титрования (протолитометрии) и комплексонометрического определения металлов с применением ЭДТА. Область применения метода расширяется благодаря разработке новых ионоселективных электродов.
Проводник и непроводник электричества
Поскольку электрический ток представляет собой организованное движение электрических зарядов, то для его существования необходима среда, в которой существуют заряды, способные двигаться под действием внешнего поля. Рассмотрим это явление более подробно. Кроме того, приведем примеры проводников и непроводников электричества.
Проводники
Проводимость в кристалле металла
Самыми лучшими проводниками являются металлы. Происходит это потому, что ядра атомов с электронами внутренних электронных оболочек (ионы) образуют плотную регулярную пространственную структуру – кристаллическую решетку, электроны внешних оболочек оказываются «общими» для соседних ионов и могут достаточно свободно перемещаться от одного иона к другому.
Электроны движутся хаотически, но если возникает электрическое поле, то электроны начинают двигаться упорядочено, а поскольку тормозящих сил нет – легко возникает электрический ток.
Примерами хороших проводников являются такие металлы, как серебро, медь, алюминий.
Хотя скорость движения электронов по проводнику невысока (миллиметры в секунду), само электрическое поле распространяется с очень большой скоростью, сравнимой со скоростью света.
Проводимость растворов
Поскольку чистая дистиллированная вода практически не содержит свободных зарядов, она не может проводить электрический ток. Однако, если в воде растворено другое вещество, (например, обычная поваренная соль), то под действием молекул воды нейтральная молекула этого вещества распадается на заряженные части (ионы). И теперь при появлении электрического поля ионы придут в упорядоченное движение, возникнет электрический ток.
Поскольку ионы в растворе значительно тяжелее электронов в металле, растворы хуже проводят электричество, по сравнению с металлами.
Проводимость газов
Газы, как правило, состоят из отдельных, хаотично движущихся и достаточно далеко отстоящих друг от друга молекул. Поэтому они не проводят электрический ток. Однако, если внешними воздействиями создавать внутри газа заряженные частицы (ионы), то газ начинает проводить электрический ток. Такими воздействиями может быть нагревание, либо создание такого большого электрического поля, что его сил оказывается достаточно для разрушения внешних электронных оболочек. Газ при этом ионизируется, и возникает разряд – тлеющий или искровой.
Диэлектрики
Если среда содержит очень мало свободных зарядов (или не содержит их вообще), такая среда не может проводить электрический ток и является непроводником (диэлектриком, изолятором).
В отличие от кристаллов проводников, кристаллы диэлектрика имеют такую пространственную структуру, что внешние электроны не могут далеко удалиться от ионов. В результате даже при приложении достаточно большого внешнего электрического поля ток в диэлектрике не возникает. Типичными примерами непроводников является стекло или пластмассы.
Жидкости-диэлектрики – это жидкости, в которых нет растворенных примесей, а молекулы этих жидкостей сами по себе ионами не являются, например, дистиллированная вода.
Газы в нормальных условиях, как уже было сказано выше, содержат очень мало заряженных частиц, и являются хорошими изоляторами. Примером может являться обычный воздух.
Граница между проводниками и непроводниками достаточно условна. Кроме того, существуют вещества, занимающие промежуточное положение, они называются полупроводниками. В таких веществах количество свободных зарядов не так велико, как в металлах, однако, значительно больше, чем в диэлектриках. К типичным полупроводникам относится кремний.
Что мы узнали?
Деление на проводники и непроводники электричества проводится в зависимости от количества свободных электрических зарядов в веществе. Проводники – это вещества, в которых имеется много свободных электрических зарядов, типичные представители – металлы. Непроводники (диэлектрики, изоляторы) – это вещества, в которых мало или вовсе нет свободных электрических зарядов, типичные представители – стекло, пластмасса. Кроме того, существуют полупроводники, занимающие промежуточное положение, например, кремний.