Электроника:Постоянный ток/Физика проводников и диэлектриков/Введение в физику проводников и диэлектриков

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Введение в физику проводников и диэлектриков

Полагаю, что вы уже понимаете, что тип материала и его проводимость взаимосвязаны. Материалы, легко пропускающие свободные электроны, называются проводниками, а материалы, препятствующие прохождению свободных электронов, называются диэлектриками (или изоляторами).

Увы, научные теории, объясняющие, почему одни материалы легко пропускают электроны, а другие нет, довольно сложны. Пришлось бы вдаваться в квантово-механические рассуждения о том, по каким принципам электроны располагаются вокруг ядер атомов. Со школьной физики нам хорошо знакома «планетарная» модель электронов, которые в виде кусочков материи вращаются вокруг ядра атома по круговым или эллиптическим орбитам. Однако электроны на своих «орбитах» вообще ведут себя не как материальные объекты. Скорее, они обладают свойствами как частиц, так и волн. Поведение электронов ограничено их нахождением в специальных областях пространства вокруг атомного ядра, называемых «оболочками» и «подуровнями оболочек». Занимаемая электроном зона зависит от ограниченного диапазона энергий, а также от того, присутствуют ли в этой оболочке уже другие электроны. Если бы электроны действительно были аналогичны крошечным планетам, удерживаемых на орбитах вокруг ядра за счёт электростатического притяжения, их движения описывались бы теми же законами, что и перемещение реальных планет. В этом случае неоткуда было бы возникнуть реальным различиям между проводниками и диэлектриками. Да и химические связи между атомами строились бы совсем по другим принципам. Именно дискретная, «количественная» природа энергии и расположения электронов, описываемая квантовой физикой, определяет закономерности этих явлений.

Атом в возбужденном состоянии

Это когда электроны могут свободно переходить на более высокие энергетические орбиты вокруг атомного ядра, свободно покидать атом и составлять часть электрического тока, протекающего через вещество.

Атом в основном состоянии

Однако, если на электрон наложены квантовые ограничения, лишающие его возможности свободно покидать атом, то такой электрон считается «связанным», он не может оторваться от атома (ну, или по крайней мере, ему крайне нелегко это сделать), чтобы образовать ток. Сценарий с возбуждённым состоянием атомов типичен для проводящих материалов, а второй - для изоляционных материалов (диэлектриков).

В некоторых учебниках написано, что электрическая проводимость элемента определяется исключительно количеством электронов, находящихся во внешней «оболочке» атомов (называемой валентной оболочкой). Однако это чересчур упрощенное объяснение, что подтвердит любое исследование, в котором проводимость сопоставляется с количеством валентных электронов, взятых из таблиц элементов. Сложность ситуации раскрывается при рассмотрении проводимости молекул (совокупностей атомов, связанных друг с другом активными электронами).

В качестве показательного примера можно привести углерод, из которого состоят такие материалы как графит и алмаз, с сильно различающейся друг от друга проводимостью. Графит - хороший проводник электричества, а алмаз - почти диэлектрик (технически он классифицируется как полупроводник, поскольку в чистом виде действует как изолятор, но может проводить ток при высоких температурах и/или под воздействием примесей). И графит, и алмаз состоят из одного и того же вещества: углерода, в каждом атоме которого по 6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов. Принципиальное различие между графитом и алмазом заключается в том, что молекулы графита состоят из атомов углерода, объединённых в плоские группы (слои, с непрочными межатомными связями, поэтому графит и имеет такую рыхлую структуру), а молекулы алмаза представляют собой жёсткие тетраэдрические (пирамидальные) конструкции из атомов углерода (и данная жёсткость молекулярной конструкции обуславливает знаменитую твёрдость алмаза).

Целенаправленное добавление примесей в полупроводник с целью изменения его электрических, оптических и структурных свойств называется легированием. Если атомы углерода объединяются с атомами других химических элементов, образовывая новые соединения, электрическая проводимость меняется. Карбид кремния (соединение кремния и углерода) демонстрирует нелинейное поведение: его электрическое сопротивление уменьшается с увеличением приложенного напряжения! Углеводородные соединения (например, молекулы масел), как правило, очень хорошие диэлектрики. Как видите, банальный подсчёт валентных электронов в атоме - ненадёжный индикатор электропроводности вещества.

Все металлы являются хорошими проводниками электричества в силу того, как в них атомы связаны друг с другом. Электроны достаточно легко меняют свои энергетические состояния, что позволяет им свободно перемещаться между различными атомами вещества, под воздействием даже самого слабого электромагнитного поля. На самом деле электроны настолько подвижны, что иногда учёные описывают их как электронный газ или даже как электронное море, в котором находятся атомные ядра. Эта подвижность электронов объясняет некоторые из других общих свойств металлов: хорошую теплопроводность, ковкость и пластичность (благодаря чему металлы легко трансформируются в различные формы) и блестящую поверхность (если металл в чистом виде, без примесей).

К счастью, фундаментальная физика, объясняющая эти явления, в принципе, не относится к тематике данной монографии. Достаточно знать, что какие-то материалы являются хорошими проводниками электричества, какие-то – плохими, а какие-то – где-то посередине. На данный момент достаточно просто понимать, что на эти различия сильно влияет конфигурация электронов вокруг атомов, из которых и состоит вещество.

Чтобы стать «повелителем» электричества, нужно уметь выстраивать пути с контролируемым сопротивлением, по которым будет течь ток. Также жизненно важно предотвращать прохождение тока там, где его быть не должно – и в этом помогут изоляционные материалы. Однако проводники бывают очень даже разными, это же можно сказать и про диэлектрики. Нам необходимо понимать нюансы свойств обычных проводников и изоляторов и уметь применять это на практике.

Почти все проводники обладают определённым измеримым сопротивлением (есть ещё особые типы материалов, так называемые сверхпроводники, в которых электрическое сопротивление отсутствует полностью, но это необычные материалы, с которыми нужно работать в особых условиях – о них мы позднее в этой главе тоже поговорим). Обычно мы предполагаем, что сопротивление проводников в цепи равно нулю, и ожидаем, что ток проходит через них, не вызывая заметного падения напряжения. В жизни, однако, почти всегда будет падение напряжения на (нормальных) проводящих путях электрической цепи, невзирая на то, хотим мы этого или нет:

Рис. 1. До этого мы пренебрегали сопротивлением проводов, считая, что оно не вызывает падения напряжения. В реальных электрических цепях эти падения напряжения всё же нужно учитывать.

Чтобы рассчитать, какими будут падения напряжения в конкретной цепи, нужно уметь определять сопротивление обычного провода, ориентируясь на длину провода и его диаметр. В следующих разделах этой главы мы рассмотрим эти вопросы более детально.

Итог

• Электропроводность материала определяется конфигурацией электронов в атомах и молекулах (группах связанных атомов) этого вещества.
• Все обычные проводники в той или иной степени обладают сопротивлением.
• Ток, протекающий по проводнику с (любым) сопротивлением, вызывает некоторое падение напряжения по длине этого проводника.