1.1.2 Проводники, диэлектрики и полупроводники

Все вещества в зависимости от электрических свойств условно делятся на три категории: проводники, диэлектрики и полупроводники.

В проводниках возможно свободное перемещение электрически заряженных частиц (электронов или ионов) по объему тела, или, как говорят, проводники имеют значительную электропроводность. Проводники делятся на два класса. К проводникам первого класса, в которых возможно перемещение только электронов, относятся металлы. В металлах электроны, расположенные на внешних орбитах, сравнительно слабо связаны с ядром атома, от чего часть электронов, оторвавшихся от своих ядер, перемещается между атомами, переходя из сферы действия одного ядра в сферу действия другого ядра и заполняя пространство между ними. Эти электроны принято называть электронами проводимости. Свободные электроны отличаются большой подвижностью и находятся в состоянии беспорядочного (теплового) движения в отличие от положительно заряженных ионов металла, составляющих остов проводника, обладающих весьма малой подвижностью и совершающих лишь колебания около своего среднего положения.

В проводниках второго класса (водные растворы кислот, солей и пр.) под действием растворителя молекулы вещества распадаются на отрицательные и положительные ионы, которые могут перемещаться по всему объему проводника.

В веществах, в которых очень мало свободных электронов или ионов, перемещение зарядов в значительных количествах практически невозможно, т.е. их электропроводность невелика. Такие вещества называются изоляторами или диэлектриками. К ним относятся: газы, часть жидкостей, почти все твердые минералы, за исключением металлов и угля.

Диэлектрикам присуще явление поляризации. Так при внесении диэлектрика во внешнее поле, элементарные частицы молекул вещества испытывают со стороны поля механические силы, которые смещают частицы с положительным зарядом в сторону поля, а с отрицательным – в противоположную сторону. В результате центры существования положительных и отрицательных частиц не совпадают и во внешнем пространстве молекула воспринимается как электрический диполь, т.е. как система двух равных и противоположных по знаку зарядов.

Вещества, которые являются по своей электропроводности промежуточными между проводниками и диэлектриками, называются полупроводниками. К ним относятся: германий, кремний, селен, закись меди и др. Вводя различные примеси в кристалл полупроводника можно получить не только электронную n-проводимость, но и электропроводность, обусловленную перемещениями под действием электрического поля мест в кристаллической решетке, которые не заняты валентными электронами (дырок), что эквивалентно перемещению положительно заряженных частиц. Дырочная проводимость получила название р-проводимости.

1.1.3 Электрические токи проводимости, переноса и смещения

Полный электрический ток принято разделять на следующие основные виды: ток проводимости, ток переноса и ток смещения.

Электрическим током проводимости принято называть явление направленного движения свободных носителей электрического заряда в некотором объеме вещества.

Ток проводимости сквозь некоторую поверхность S определяется количеством зарядов n, проходящих через нее за единицу времени. В произвольный момент времени ток проводимости равен производной по времени от электрического заряда, переносимого носителями заряда сквозь некоторую поверхность S:

. (1.10)

Э

Рисунок – 1.2 Элементарная трубка с током

лектрический ток – величина скалярная. В разных элементах поверхности S направление движения заряженных частиц может быть самым различным. На рисунке 1.2 представлена элементарная трубка с током ΔI проходящая через основание ΔS, расположенная в проводящей среде с движущимися зарядами.

Если рассматривать малый элемент поверхности ΔS, можно считать направление движения заряженных частиц во всех точках поверхности одинаковым, причем это положение становится более строгим по мере уменьшения ΔS, т. е. когда ΔS → 0. В связи с этим введена векторная величина δ – плотность электрического тока, равная пределу отношения тока сквозь поверхность ΔS, нормальную к направлению движения заряженных частиц, к величине площади этой поверхности, когда последняя стремится к нулю:

. (1.11)

Направление вектора совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц.

Ток, проходящий через поверхность S конечных размеров, может быть определен как поток вектора плотности тока через эту поверхность:

. (1.12)

На рисунке 1.3 представлена поверхность S, расположенная в проводящей среде с движущимися зарядами. Электрическое поле тока представлено в виде линий, к которым векторы плотности тока всюду касательны. Единицей измерения тока является ампер (А), а единицей измерения плотности тока – ампер деленный на квадратный метр (А/м²).

Характерным отличием тока проводимости в проводниках от других видов тока является то, что плотность тока проводимости при постоянной температуре проводника пропорциональна напряженности электрического поля. В изотропной среде вектор плотности тока совпадает по направлению с вектором напряженности электрического поля и линии тока совпадают с линиями напряженности электрического поля. Поэтому в соответствии с законом Ома в дифференциальной форме пишут:

, (1.13)

где называют удельной электрической проводимостью вещества.

В

Рисунок 1.3 – К вычислению потока I вектора плотности электрического тока

еличину , обратную удельной проводимости, называют удельным электрическим сопротивление вещества. Единицей измерения удельного сопротивления является (Ом ּ м). Действительно, из соотношения получим:

.

Соответственно, единицей удельной проводимости является .

Рассмотрим другой вид электрического тока проводимости, именуемый электрическим током переноса, под которым понимают явление переноса электрических зарядов движущимися в свободном пространстве заряженными частицами и телами. Плотность его тока не может быть представлена соотношением (1.11), где характеризует свойства среды. Скорость заряженных частиц или тел не пропорциональна напряженности Е, так как сила, действующая на частицу с зарядом q в электрическом поле, равна qE. Движение такой частицы будет равноускоренным.

Токи переноса характерны для газовой среды.

Третий вид электрического тока, так называемый ток электрического смещения. С этим видом тока приходится считаться при переменном электрическом поле в диэлектрике и в вакууме. Плотность тока электрического смещения определяется как производная от вектора электрической индукции по времени:

. (1.14)