Провідники, діелектрики, напівпровідники

Всі речовини складаються з атомів й молекул, які мають позитивно заряджені ядра та негативно заряджені електрони. Атоми й молекули електрично нейтральні, так як заряд ядра дорівнює сумарному заряду електронів, які оточують ядро. При наявності зовнішніх факторів ( збільшення температури, електричне поле тощо ) атом чи молекула втрачає електрон. Цій атом перетворюється у позитивний іон, а електрон, який відірвався від атому, може приєднатися до іншого атому, перетворивши його на негативний іон, чи залишитися вільним. Процес утворення іонів називають іонізацією. Кількість вільних електронів чи іонів в одиниці об’єму речовини називається концентрацією заряджених часток. Таким чином, в речовині, яку помістили у електричне поле, під дією сил поля виникає процес руху вільних електронів чи іонів у напрямку сил поля, який назвали електричним струмом.

Властивість речовини проводити струм під дією електричного поля називається електропровідністю речовини, яка залежить від концентрації вільних електрично заряджених часток. Чим більше концентрація заряджених часток, тим більше електропровідність речовини. Всі речовини в залежності від електропровідності діляться на:

1 Провідники. Володіють дуже великою електропровідністю. Провідники діляться на дві групи. До провідників першої групи відносяться метали (мідь, алюміній, срібло тощо ) та їх сплави, в яких можливо переміщення тільки електронів. Тобто в металах електрони дуже слабо зв’язані з ядрами атомів й легко від них відділяються. В металах явище електричного струму пов’язано з рухом вільних електронів, які володіють дуже великою рухомістю та знаходяться в стані теплового руху. А позитивно заряджені іони метала складають остов провідника, мають малу рухомість та роблять лише невеликі коливання. Цю електропровідність називають електронною. Провідники використовуються для виготовлення проводів, ЛЕП, обмоток електричних машин тощо. До провідників другої групи відносяться водні розчини солей, кислот тощо, які називають електролітами. Під дією розчину молекули речовини розпадаються на позитивні та негативні іони, які під дією електричного поля почнуть переміщатися. Іони електроліту при проходженні струму почнуть осаждатися на електродах, опущених в електроліт. Процес виділення речовини з електролітів електричним струмом називається електролізом. Його використовують для добичі кольорових металів з розчинів їх з’єднань ( мідь, алюміній ), а також для покриття металів захисним шаром іншого металу ( наприклад, хромування ).

2 Діелектрики ( чи електроізоляційні речовини ). Речовини з дуже малою електропровідністю ( гази, гумові речовини, мінеральні олії тощо ). В цих речовинах електрони дуже сильно зв’язані з ядрами атомів і під дією електричного поля рідко відділяються від ядер. Тобто діелектрики не проводять електричний струм. Цю їх властивість використовують при виробництві електрозахисних засобів: діелектричні рукавички, взуття, коврики, ізолюючи підставки, накладки, ковпаки, ізолятори на електрообладнанні тощо.

3 Напівпровідники (германій, селен, кремній). Це речовини, які окрім електронної провідності, мають «діркову» провідність, яка в великій ступені залежить від наявності зовнішніх факторів: світла, температури, електричного чи магнітного поля. Ці речовини мають ковалентний зв'язок ( - це хімічний зв'язок між двома електронами сусідних атомів на одній орбіті ). Ковалентний зв'язок дуже неміцний. При наявності зовнішнього фактора він руйнується і з’являються вільні електрони (електронна провідність). У момент утворення вільного електрону у ковалентному зв’язку з’являється вільне місто - «електрона дірка»(еквівалентна протону), яка притягує до себе електрон з сусіднього ковалентного зв’язку. Але тоді утворюється нова «дірка», яка знову притягує до себе електрон з сусіднього ковалентного зв’язку й так далі. Тобто під дією електричного поля переміщуються «дірки» у напрямку поля (назустріч електронам) - рух протонів. Таким чином, при електронній провідності - електрон проходе увесь шлях, а при «дірковій» - електрони почергово заміщуються у зв’язках, кожний електрон проходе частку шляху. При порушені зв’язків у напівпровідниках одночасно виникає однакова кількість електронів та «дірок». Тобто, провідність складається з електронної та «діркової» й називається власною провідністю напівпровідника. Властивості напівпровідників можливо змінити, якщо до них внести домішки інших речовин. Тим самим збільшити ту чи іншу провідність. Це використовується у промисловій електроніці: діоди, транзистори, тиристори. Використовують, як підсилювачі, випрямлячі, електронні генератори, стабілізатори тощо. Їх достоїнства: мала втрата енергії, вартість, розмір та маса, простота експлуатації, великий строк роботи. Недолік: залежність провідності від температури.