Электропроводность

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ

ЭлектропроводностьАтомы химических элементов, входящих в состав любого вещества, состоят из положительно заряженного ядра и от­рицательно заряженных электронов, движущихся вокруг ядра.
Атомы обычно электрически нейтральны, так как заряд ядра равен сумме зарядов электронов.
Если от электрически нейтрального атома (молекулы) отделяется электрон, то атом превращается в положитель­ный ион. Отделившийся от атома электрон может присоеди­ниться к другому нейтральному атому, образуя отрица­тельный ион, или он может остаться свободным. Такие элек­троны называют электронами проводимости, а процесс образования ионов — ионизацией. Коли­чество свободных электронов или ионов в единице объема определяет концентрацию свободно заряженных частиц.
Каждый электрон в атоме может обладать только опре­деленными значениями энергии, т. е. находиться только в разрешенных энергетических состояниях или уровнях, так как изменение энергии электрона может происходить только определенными порциями — квантами. Переход электрона на более высокий уровень требует затраты энер­гии. Переход электрона на более низкий уровень сопровож­дается излучением избытка энергии атомом.

В веществах, образованных совокупностью атомов, вследствие взаимного влияния соседних атомов энергети­ческие уровни несколько изменяются, образуя энергети­ческие зоны. Эти зоны отделяются областями, в которых электроны не могут находиться, называемыми запрещенными зонами. Энергетические зоны, соответствую­щие разрешенным уровням, делятся на заполненную и свободную.

Для возникновения электропроводности необходимо ча­сти электронов заполненной зоны перейти в свободную зону. Возможность такого перехода определяется шириной запрещенной зоны, пропорциональной энергии, которую необходимо затратить для указанного перехода электронов.

Различие проводимости проводников, полупровод­ников и диэлектриков вызывается особенностями их строе­ния. Согласно зонной теории твердого тела у металлических проводников высокая проводимость обусловливается тем, что заполненная зона вплотную прилегает к свободной зоне (рис. 1-5, а).

Рис. 1-5. Энергетические уровни. а — проводник; б — диэлектрик; в — полупроводник; 1 — сво­бодная зона; — запрещенная зона; — заполненная зона.

Вследствие этого электроны в металле могут переходить с уровней заполненной зоны на уровни свободной зоны. Иначе говоря, электроны могут с менее удаленных от ядра орбит переходить на более удаленные орбиты или покидать пределы атома, становясь свободными, перемещаясь от одного атома к другому под действием слабых напряжен­ностей электрического .поля, созданного напряжением, приложенным к концам проводника.

Если у данного вещества свободная зона отделена от заполненной достаточно широкой запрещенной зоной (рис. 1-5, б), то соответственно этому проводимость веще­ства будет ничтожной и, следовательно, это будет ди­электрик.

У полупроводников ширина запрещенной зоны значи­тельно уже, чем у диэлектриков (рис. 1-5, б), в соответствии

с чем для перехода электронов в свободную зону требуется небольшое возбуждение, например за счет усиления теплового движения атомов при повышении температуры, в связи с чем они обладают проводимостью, имеющей промежуточ­ное значение между проводимостью проводников и диэлект­риков.

Проводники делятся на два рода. В проводниках первого рода, к. которым преимущественно относятся металлы и их сплавы, электрический ток создается перемещением только электронов (проводники с электронной проводимостью).
В проводниках второго рода — электролитах, к которым относятся водные растворы кислот и солей, электрический ток создается перемещением отрицательных и положитель­ных ионов, которые получаются вследствие распада моле­кул вещества под действием растворителя (проводни­ки с ионной проводимостью).

Статья на тему Электропроводность