2.1.2. Взаимодействие электрического поля с проводниковыми веществами

Основным свойством проводниковых веществ (материалов) является сильно выраженная электропроводимость по сравнению с другими веществами.

Удельное сопротивление проводниковых материалов лежит в пределах 0,016 10 мкОмм. Проводниковые материалы подразделяются на материалы высокой проводимости (серебро, медь и др.) и материалы высокого сопротивления (манганин, нихром и др.). К основным характеристикам проводников относятся: удельная проводимость(или удельное сопротивление); удельная теплопроводность_Т; температурный коэффициент удельного сопротивленияТК; контактная разность потенциалов_Ки термоэлектродвижущая сила; физические параметры (температурный коэффициент линейного расширенияТКl,температура плавления Т_ПЛАВи др.); механические параметры (предел прочности при растяжении_Ри др.).

Под действием внешнего электрического поля по проводнику начинают перемещаться электрические заряды, при этом в нем возникает электрическое поле. Следует отметить, что статическое электрическое поле в проводнике существовать не может.

В проводниках плотность тока и напряженность электрического полясвязаны законом Ома:

,(2.7)

где γ – удельная электрическая проводимость.

Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным электрическим сопротивлением(ρ = 1/γ).Размерность удельной проводимости – единица на ом-метр, или сименс на метр, а размерность удельного сопротивления ом-метр.

Основным типом проводниковых материалов, применяемых на практике, являются металлические проводники, для которых выражение для удельной электропроводимости может быть представлено в виде

, (2.8)

где е– заряд электрона;n– концентрация электронов;μ_n– подвижность электронов.

Удельные сопротивления чистых металлов, обладающих наиболее правильной кристаллической решеткой, имеют наименьшее значение . Введение примесей и сплавление металлов приводят к изменению кристаллической решетки и увеличению. Удельное сопротивление сплавов выше, чем удельное сопротивление чистых металлов.

Удельное сопротивление проводников зависит от многих факторов: от температуры, деформации, магнитного поля, давления и других величин.

При объемном (всестороннем) сжатии изменяются расстояния между атомами и амплитуда тепловых колебаний решетки, что обусловливает изменение удельного сопротивления проводникового материала. В узком диапазоне давлений зависимость удельного сопротивления от всестороннего давления можно описать формулой

, (2.9)

где ₀– начальное удельное сопротивление при атмосферном давлении P₀и температуре Т (обычно при температуре Т = 20⁰С);– средний барический коэффициент.

.(2.10)

Для большинства металлов и сплавов (1–5)10^-11 Па^-1, поэтому общее относительное изменениемало, оно изменяется в пределах (0,1–0,8) % при изменении давления на 100 МПа.

Зависимость удельного сопротивления от температуры, давления, деформации используется для построения датчиков температуры, давления, деформации.

2.1.3. Взаимодействие электрического поля

с полупроводниковыми веществами

Полупроводниковые вещества (полупроводники) – это вещества (материалы), которые по своей удельной проводимости являются промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами.

Полупроводниковые материалы являются наиболее богатыми в функциональном отношении. В полупроводниковых материалах сильно проявляются самые различные физические эффекты:Холла, Гаусса, Зеебека, Ганна, тензоэффект и т. д.

Удельное сопротивление полупроводников 1 10¹⁴мкОмм. Отличительным свойством полупроводниковых материалов является зависимость удельной проводимости от различных факторов: концентрации, вида примесей, внешних энергетических воздействий.

При воздействии на полупроводники электрического поля в них одновременно имеет место как протекание электрического тока, так и их поляризация.

Электрическая проводимость в полупроводнике определяется движением как электронов, так и дырок, и плотность тока может быть найдена по формуле

, (2.11)

где е –заряд электрона;nир– концентрации электронов и дырок;и μ_p –подвижности электронов и дырок;–удельная электрическая проводимость.

Концентрации носителей зарядов и их подвижности зависят от напряженности электрического поля. При напряженности Е < Е_крудельная проводимость остается постоянной (на этом участке соблюдается закон Ома) и влияние поля в основном сводится к изменению только направления скоростей носителей заряда. При напряженности Е > Е_КР удельная проводимость возрастает по экспоненциальному закону при увеличении напряженности Е.

Зависимость удельной проводимости от напряженности электрического поля может быть описана выражением

, (2.12)

где ₀ – удельная проводимость при Е < Е_кр; –постоянная.

На электропроводность полупроводниковых веществ кроме электрического поля влияют деформация, магнитное поле и др.