Wiadomo, że w substancji umieszczonej w polu elektrycznym pod wpływem sił tego pola powstaje ruch swobodnych elektronów lub jonów w kierunku sił pola. Innymi słowy, w substancji występuje prąd elektryczny.

Właściwość określająca zdolność substancji do przewodzenia Elektryczność nazywa się „przewodnością elektryczną”. Przewodność elektryczna zależy bezpośrednio od stężenia naładowanych cząstek: im wyższe stężenie, tym większa przewodność elektryczna.

Zgodnie z tą właściwością wszystkie substancje są podzielone na 3 typy:

  1. Przewodnicy.
  2. Półprzewodniki.

Opis przewodników

Konduktorzy tak mają najwyższa przewodność elektryczna ze wszystkich rodzajów substancji. Wszyscy przewodniki są podzieleni na dwie duże podgrupy:

  • Metale(miedź, aluminium, srebro) i ich stopy.
  • Elektrolity (roztwór wodny sole, kwasy).

W substancjach pierwszej podgrupy mogą się poruszać tylko elektrony, ponieważ ich połączenie z jądrami atomów jest słabe i dlatego można je dość łatwo od nich odłączyć. Ponieważ występowanie prądu w metalach wiąże się z ruchem wolnych elektronów, rodzaj przewodnictwa elektrycznego w nich nazywa się elektronicznym.

Z przewodników pierwszej podgrupy stosuje się je w uzwojeniach maszyn elektrycznych, liniach energetycznych i drutach. Należy zauważyć, że na przewodność elektryczną metali wpływa ich czystość i brak zanieczyszczeń.

W substancjach drugiej podgrupy pod wpływem roztworu cząsteczka rozpada się na jony dodatnie i ujemne. Jony poruszają się pod wpływem ekspozycji pole elektryczne. Następnie, gdy prąd przepływa przez elektrolit, jony osadzają się na elektrodzie, która jest obniżana do tego elektrolitu. Proces uwalniania substancji z elektrolitu pod wpływem prądu elektrycznego nazywa się elektrolizą. Proces elektrolizy stosuje się najczęściej np. podczas ekstrakcji metalu nieżelaznego z roztworu jego związku lub przy pokrywaniu metalu warstwą ochronną z innych metali.

Opis dielektryków

Dielektryki są również powszechnie nazywane substancjami elektroizolacyjnymi.

Wszystkie substancje elektroizolacyjne mają następującą klasyfikację:

  • W zależności od stan skupienia dielektryki mogą być ciekłe, stałe lub gazowe.
  • W zależności od metod produkcji - naturalne i syntetyczne.
  • W zależności od skład chemiczny– organiczne i nieorganiczne.
  • W zależności od budowy cząsteczek - neutralny i polarny.

Należą do nich gaz (powietrze, azot, gaz SF6), olej mineralny, wszelkie substancje gumowe i ceramiczne. Substancje te charakteryzują się zdolnością polaryzacja w polu elektrycznym. Polaryzacja to powstawanie ładunków o różnych znakach na powierzchni substancji.

Dielektryki zawierają niewielką liczbę wolnych elektronów, a elektrony mają silne połączenie z jądrami atomów i rzadko są od nich odłączane. Oznacza to, że substancje te nie mają zdolności przewodzenia prądu.

Właściwość ta jest bardzo przydatna przy wytwarzaniu wyrobów służących do ochrony przed prądem elektrycznym: rękawic dielektrycznych, mat, butów, izolatorów do urządzeń elektrycznych itp.

O półprzewodnikach

Półprzewodnik pełni funkcję substancja pośrednia pomiędzy przewodnikiem a dielektrykiem. Najbardziej wybitnych przedstawicieli Tego typu substancjami są krzem, german, selen. Ponadto substancje te są zwykle klasyfikowane jako elementy czwartej grupy układu okresowego Dmitrija Iwanowicza Mendelejewa.

Oprócz przewodności elektronicznej półprzewodniki mają dodatkową przewodność „dziurową”. Ten rodzaj przewodności zależy od wielu czynników środowiskowych, w tym światła, temperatury, pól elektrycznych i magnetycznych.

Substancje te zawierają słabe wiązania kowalencyjne. Po wystawieniu na działanie jednego z czynniki zewnętrzne wiązanie zostaje zniszczone, po czym powstają wolne elektrony. Co więcej, gdy elektron jest odłączony, w kompozycji wiązanie kowalencyjne pozostaje wolna „dziura”. Swobodne „dziury” przyciągają sąsiednie elektrony, dlatego działanie to można prowadzić w nieskończoność.

Przewodność substancji półprzewodnikowych można zwiększyć wprowadzając do nich różne zanieczyszczenia. Technika ta jest szeroko rozpowszechniona w elektronice przemysłowej: w diodach, tranzystorach, tyrystorach. Rozważmy bardziej szczegółowo główne różnice między przewodnikami i półprzewodnikami.

Jaka jest różnica między przewodnikiem a półprzewodnikiem?

Główną różnicą między przewodnikiem a półprzewodnikiem jest jego zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego. Dla przewodnika jest to o rząd wielkości wyższy.

Gdy wartość temperatury wzrasta, wzrasta również przewodność półprzewodników; Przewodność przewodników zmniejsza się wraz ze wzrostem.

W czystych przewodnikach w normalne warunki Kiedy przepływa prąd, uwalniana jest znacznie większa liczba elektronów niż w półprzewodnikach. Jednocześnie dodatek zanieczyszczeń zmniejsza przewodność przewodników, ale zwiększa przewodność półprzewodników.

Często początkujący rzemieślnicy-amatorzy (są też profesjonalni elektrycy), wykonując prace związane z instalacją elektryczną, nazywają drut kablem i odwrotnie. Warto wziąć pod uwagę, że są to zupełnie różne produkty o różnych celach i właściwościach. Aby zrozumieć, czym kabel różni się od drutu, należy skorzystać z badania GOST i szczegółowego rozważenia rzeczywistych różnic między nimi.

Kable i ich klasyfikacja

Kabel to jedna żyła lub grupa żył z warstwą izolacyjną, które są splecione ze sobą w określony sposób i zamknięte w jednej lub kilku powłokach. Można je montować na elewacjach budynków, w powietrzu na podporach (filarach), pod ziemią, a nawet na dnie zbiorników wodnych (morskich).

Zewnętrzna powłoka może być wykonana z różnych materiałów: usieciowanego polietylenu, gumy, a nawet stopu metali (pancerza) i innych substancji. Ta ogólna warstwa izolacyjna kabla ma na celu ochronę żył przed uszkodzeniami mechanicznymi, uderzeniami środowisko i różne chemikalia.

Kable są podzielone na grupy w zależności od zastosowania. Wyróżnia się następujące klasy tych produktów:

  1. Kabel komunikacyjny. Produkty tego typu przeznaczone są do systemów alarmowych (alarmów) i telekomunikacji przewodowej (łączność telefonii stacjonarnej);
  2. Produkty energetyczne. Ta klasa jest stworzona do poruszania się energia elektryczna od źródła do konsumenta końcowego. Zwykle układane są na stałe, tworząc różnego rodzaju linie elektroenergetyczne (PTL). Rdzenie wykonane są głównie z aluminium i miedzi. Wyróżniają się ogromną różnorodnością modeli i długą żywotnością - do 40 lat;
  3. Instalacja przewodów elektrycznych (sterowanie). Produkty te są niezbędne do międzyurządzeniowej instalacji urządzeń elektrycznych. Przewodniki są zwykle wykonane ze związku miedzi. Główną zaletą jest wysoka odporność na pracę w podwyższonych temperaturach;
  4. Przewód sterowniczy. Produkty te stosowane są do obwodów oświetleniowych i sterujących w skomplikowanych mechanizmach i obrabiarkach. Maksymalne napięcie – 600V;
  5. Opcje optyczne i RF. Takie kable elektryczne służą do przesyłania sygnałów i energii w ustalonym zakresie optycznym lub na określonych częstotliwościach radiowych. Przykładem zastosowania jest Internet, nowoczesna komunikacja telefoniczna, sprzęt lokalizacyjny.

Na notatce. Czasami kable komunikacyjne, analogi optyczne i częstotliwości radiowe są klasyfikowane w jednej dużej grupie - elektryczne kable komunikacyjne.

Produkty kablowe różnią się także między sobą pod następującymi względami:

  • materiał do produkcji i właściwości warstwy (warstw) izolacyjnych;
  • parametry ekranowania;
  • parametry techniczne wyrażone w wielkościach elektrofizycznych;
  • materiał do produkcji i liczba rdzeni przewodzących;
  • ogólny przekrój produktu, średnica rdzenia itp.

Przewody i ich klasyfikacja

GOST 15845-80 wyjaśnia, czym jest drut. Połączenie kablowe zawierające jeden lub grupę drutów (lub żył) mających lekką osłonę ze stopów niemetalicznych nazywa się drutem. Ponadto ten przepis techniczny charakteryzuje drut zgodnie z metodą instalacji - nie można go instalować pod ziemią, jest to pierwsza różnica między kablem a drutem.

Druty są klasyfikowane według szeregu cech i właściwości:

  • rodzaj materiału i właściwości warstwy izolacyjnej;
  • materiał do produkcji drutu;
  • średnica (przekrój) produktu;
  • przewodnictwo i inne.

Cechy te określają zakres zastosowania wyrobów przewodzących. Przewody mogą być:

  • samochód;
  • meandrowy;
  • izolowane i nieizolowane (te ostatnie stosowane są w napowietrznych liniach elektroenergetycznych);
  • złączony;
  • instalacja i inne.

Ważny! Więcej szczegółów na temat cech jakościowych i ilościowych, klasyfikacji produktów elektrycznych, w tym przewodów i kabli, można znaleźć w GOST 15845-80 i międzynarodowej normie ISO11801-2002.

Różnice między kablem a przewodem

Przez wygląd Kable i przewody elektryczne mają pewne podobieństwo, ale istnieją między nimi różnice, które są wyraźnie widoczne dla profesjonalisty.

Warstwa izolacyjna rdzenia

Główną różnicą między rozważanymi produktami jest obecność w kablu oddzielnej warstwy izolacyjnej dla każdego przewodu. Natomiast drut lub skręt przewodów ma wspólną osłonę lub nie ma jej wcale. To rozróżnienie opisano w GOST 15845-80.

Tak więc, jeśli każdy pojedynczy przewodnik ma własną izolację, wówczas produkt nazywa się kablem. A gdy nie ma izolacji lub pewna liczba gołych elementów przewodzących (drutów) jest zamknięta we wspólnej izolacji, wówczas produkt nazywa się drutem.

Oznakowanie produktu

Produkty kablowe można również odróżnić od zwykłych przewodów poprawny odczyt notacja. Każdy produkt elektryczny ma swoje własne oznaczenie, które jest wyrażone za pomocą symboli alfabetycznych, numerycznych i koloru.

Oznaczenia przewodów mogą informować nie tylko o ich rodzaju, ale także o materiale, z którego wykonana jest powłoka izolacyjna i rdzeń, liczbie i średnicy żył, zakresie zastosowania i innych informacjach.

Na przykład, jeśli produkt ma znak AVVGng 3x2,5, wówczas jest on deszyfrowany w następujący sposób:

  • A – rdzeń aluminiowy;
  • B – warstwa izolacyjna z rdzeni wykonanych z materiału PVC (polichlorek winylu);
  • B – ogólna powłoka izolacyjna jest również wykonana z PCV;
  • G – brak zbroi;
  • ng – produkt nie wspomaga spalania;
  • 3x2,5 – trzy żyły o przekroju 2,5 mm2.

Z dekodowania jasno wynika, że ​​każdy rdzeń ma odpowiednio własną izolację i wspólną osłonę, ten produkt jest kablem. Obecność w oznaczeniu symbolu „E” oznacza, że ​​kabel posiada ekran, P – zabezpieczenie wykonane z materiału gumowego, B – pancerz przed środowiskiem spalania i agresywnym, Ř – płaszcz ochronny kabla ma postać wąż i tak dalej.

Oznaczenia przewodów różnią się od kabli jedynie odmiennym znaczeniem niektórych symboli. Na przykład, jeśli dana osoba ma przed sobą produkt marki PuGV, to jest to przewód instalacyjny, który ma izolację wykonaną z materiału PVC i charakteryzuje się zwiększoną elastycznością.

Ważny! Ze względu na ogromną liczbę różnych kombinacji symboli na etykietach produktów kabli elektrycznych, czasami może to być trudne do odczytania. W takich przypadkach zaleca się skorzystanie z pomocy specjalnych podręczników lub zasobów w Internecie.

Warunki korzystania

W przeciwieństwie do drutu, kabel znalazł szersze zastosowanie w warunkach specjalnych, ponieważ ma zwiększoną ochronę przed różnymi uszkodzeniami. Wszelka komunikacja podziemna i podwodna prowadzona jest wyłącznie przez niego. Układane są także w obiektach zagrożonych pożarem, kopalniach, pomieszczeniach o dużej aktywności korozyjnej i innych.

Przewody ze względu na niższą ochronę stosowane są głównie wewnątrz urządzeń elektrycznych, rozdzielaczy elektrycznych oraz jako okablowanie w budynkach mieszkalnych, poza nimi zaleca się stosowanie przewodzących szyn zbiorczych lub kabli.

Ciekawe, żeby wiedzieć. Produkty kablowe mają dłuższą żywotność i większą przepustowość (wyższe natężenie prądu i napięcie) dzięki wielowarstwowej izolacji, możliwej obecności ekranów i warstw pancerza.

Niezwykle ważne jest rozróżnienie kabli od przewodów, gdyż ich niewłaściwe użycie jest niebezpieczne. Znając opisane powyżej koncepcje i różnice między produktami kablowymi i przewodnikami, pytanie „czy to drut czy kabel” na pewno nie pojawi się.

Wideo

Przewodnicy- substancje przewodzące prąd elektryczny w wyniku obecności duża ilośćładunki, które mogą się swobodnie przemieszczać (w przeciwieństwie do izolatorów). Należą do rodzaju I (pierwszego) i II (drugiego). Przewodnictwu elektrycznemu przewodników typu I nie towarzyszą procesy chemiczne, jest ono powodowane przez elektrony. Do przewodników typu I należą: czyste metale, czyli metale bez zanieczyszczeń, stopy, niektóre sole, tlenki i szereg materia organiczna. Na elektrodach wykonanych z przewodników typu I zachodzi proces przenoszenia kationu metalu do roztworu lub z roztworu na powierzchnię metalu. Przewodniki typu II obejmują elektrolity. Przepływ w nich prądu związany jest z procesami chemicznymi i powodowany jest ruchem jonów dodatnich i ujemnych.

Elektrody pierwszego rodzaju. W przypadku elektrod metalicznych pierwszego rodzaju jonami będą kationy metali, a w przypadku elektrod metaloidalnych pierwszego rodzaju – aniony metaloidów. Elektroda srebrna pierwszego rodzaju Ag + /Ag. Odpowiedzią jest reakcja Ag + + mi-= Ag i potencjał elektrody

mi Ag + /Ag = Ag + / Ag+ B 0 gr A Ag+.

Po podstawieniu wartości liczbowych mi 0 i B 0 w 25 o C:

Przykładem elektrod metaloidalnych pierwszego rodzaju jest elektroda selenowa Se 2- /Se, Se + 2 mi-= Se2; w 25 o C mi Se 2-/Se 0 = -0,92 - 0,03 lg A Patrz 2- .

Elektrody drugiego rodzaju- półogniwa składające się z metalu pokrytego warstwą trudno rozpuszczalnego związku (soli, tlenku lub wodorotlenku) i zanurzone w roztworze zawierającym ten sam anion, co trudno rozpuszczalny związek metalu elektrody. Schematycznie elektrodę drugiego rodzaju można przedstawić w następujący sposób: Z-/MAMA., M, a reakcja w nim zachodząca jest MA + ze = M + A Z - .

Stąd równanie dla potencjał elektrody będzie:

Elektrody kalomelowe jest rtęcią pokrytą pastą kalomelową i styka się z roztworem KCl.

Cl - / Hg 2 Cl 2 , Hg.

Reakcja elektrodowa sprowadza się do redukcji kalomelu do rtęci metalicznej i anionu chloru:

Potencjał elektrody kalomelowej jest odwracalny w stosunku do jonów chloru i zależy od ich aktywności:

W temperaturze 25 o C potencjał elektrody kalomelowej wyznacza się za pomocą równania:

Elektrody z siarczanem rtęci SO 4 2 - /Hg 2 SO 4 , Hg są podobne do kalomelu z tą tylko różnicą, że rtęć pokryta jest tutaj warstwą pasty z rtęci i siarczanu rtęci, a H 2 SO 4 stosuje się jako roztwór. Potencjał elektrody z siarczanem rtęci w temperaturze 25 o C wyraża się równaniem:

Elektroda z chlorkiem srebra jest układem Cl - /AgCl, Ag, a jego potencjał odpowiada równaniu:

mi Cl - /AgCl, Ag = mi 0 Cl - /AgCl, Ag - B lg A Cl-

lub w 25 o C:

mi Cl - /AgCl, Ag = 0,2224 - 0,0592 lg A Cl - .

W elektrotechnice stosuje się różne materiały. Właściwości elektryczne substancje są określane przez liczbę elektronów na zewnętrznej orbicie walencyjnej. Im mniej elektronów znajduje się na tej orbicie, tym słabiej są one związane z jądrem i tym łatwiej mogą się przemieszczać.

Pod wpływem wahań temperatury elektrony oddzielają się od atomu i przemieszczają się w przestrzeni międzyatomowej. Takie elektrony nazywane są wolnymi i wytwarzają prąd elektryczny w przewodnikach. Czy przestrzeń międzyatomowa jest duża i czy jest miejsce na swobodne przemieszczanie się elektronów wewnątrz substancji?

Struktura ciał stałych i cieczy wydaje się ciągła i gęsta, przypominając strukturą kłębek nici. Ale właściwie nawet ciała stałe bardziej jak sieć rybacka lub siatka do siatkówki. Oczywiście nie można tego zobaczyć na poziomie codziennym, ale jest to prawda badania naukowe Ustalono, że odległości między elektronami a jądrami atomów są znacznie większe niż ich własne rozmiary.

Jeśli wielkość jądra atomu przedstawimy jako kulę wielkości piłki nożnej, wówczas elektrony w takim modelu będą wielkości grochu, a każdy taki groszek będzie oddalony od „jądra” w odległości kilkaset, a nawet tysiące metrów. A między jądrem a elektronem jest pustka - po prostu nie ma nic! Jeśli wyobrazimy sobie odległości między atomami substancji w tej samej skali, wymiary będą absolutnie fantastyczne - dziesiątki i setki kilometrów!

Dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego są metale. Na przykład atomy złota i srebra mają tylko jeden elektron na swojej zewnętrznej orbicie, więc są najlepszymi przewodnikami. Żelazo również przewodzi prąd, ale nieco gorzej.

Jeszcze gorzej przewodzą prąd stopy o wysokiej wytrzymałości. Są to nichrom, mangan, konstantan, fechral i inne. Taka różnorodność stopów o wysokiej rezystancji wynika z faktu, że są one przeznaczone do rozwiązywania różne zadania: elementy grzejne, tensometry, rezystory standardowe do przyrządów pomiarowych i wiele innych.

Aby ocenić zdolność materiału do przewodzenia prądu elektrycznego, wprowadzono pojęcie "przewodnictwo elektryczne". Odwrotne znaczenie - oporność. W mechanice pojęcia te odpowiadają ciężarowi właściwemu.

Izolatory w przeciwieństwie do przewodników nie mają tendencji do utraty elektronów. W nich wiązanie między elektronem a jądrem jest bardzo silne i prawie nie ma wolnych elektronów. Dokładniej, jest, ale bardzo niewiele. Jednocześnie w niektórych izolatorach jest ich więcej i jakość ich izolacji jest odpowiednio gorsza. Wystarczy porównać na przykład ceramikę i papier. Dlatego izolatory można podzielić na dobre i złe.

Pojawianie się swobodnych ładunków nawet w izolatorach wynika z drgań termicznych elektronów: pod wpływem wysokich temperatur właściwości izolacyjne pogarszają się, niektórym elektronom wciąż udaje się oderwać od jądra.

Podobnie rezystywność idealnego przewodnika wynosiłaby zero. Ale na szczęście nie ma takiego poradnika: wyobraźcie sobie, jak wyglądałoby prawo Ohma ((I = U/R) z zerem w mianowniku!!! Żegnajcie matematyka i elektrotechnika.

I dopiero w temperaturze zera absolutnego (-273,2°C) wahania termiczne całkowicie ustają, a najgorszy izolator staje się całkiem dobry. Aby numerycznie określić „to” jest złe lub dobre, używają koncepcji rezystywności. Jest to opór sześcianu o długości krawędzi 1 cm w omach, wymiar rezystywności oblicza się w omach/cm. Poniżej przedstawiono oporność niektórych substancji. Przewodność jest odwrotnością rezystywności, - jednostka miary Siemensa, - 1Sm = 1 / Ohm.

Dobra przewodność lub niska rezystywność to: srebro 1,5*10^(-6), odczytywane jako (półtora do dziesięciu do potęgi minus sześć), miedź 1,78*10^(-6), aluminium 2,8*10^(- 6). Znacznie gorsza jest przewodność stopów o dużej rezystancji: konstantan 0,5*10^(-4), nichrom 1,1*10^(-4). Stopy te można nazwać słabymi przewodnikami. Po tych wszystkich liczbach zespolonych należy zastąpić je Ohm/cm.

Następny w osobna grupa można wyróżnić półprzewodniki: german 60 om/cm, krzem 5000 om/cm, selen 100 000 om/cm. Rezystywność tej grupy jest większa niż w przypadku złych przewodników, ale mniejsza niż w przypadku złych izolatorów, nie mówiąc już o dobrych. Prawdopodobnie z takim samym sukcesem półprzewodniki można by nazwać półizolatorami.

Po tak krótkiej znajomości budowy i właściwości atomu należy zastanowić się, w jaki sposób atomy oddziałują na siebie, jak atomy oddziałują na siebie i w jaki sposób powstają z nich cząsteczki, z których zbudowane są różne substancje. Aby to zrobić, ponownie będziemy musieli pamiętać o elektronach na zewnętrznej orbicie atomu. W końcu to oni uczestniczą w łączeniu atomów w cząsteczki i determinują właściwości fizyczne i Właściwości chemiczne Substancje.

Jak cząsteczki powstają z atomów

Każdy atom jest w stanie stabilnym, jeśli na jego zewnętrznej orbicie znajduje się 8 elektronów. Nie stara się pobierać elektronów z sąsiednich atomów, ale nie oddaje swoich. Aby zweryfikować słuszność tego, wystarczy spojrzeć na gazy obojętne w układzie okresowym: neon, argon, krypton, ksenon. Każdy z nich ma 8 elektronów na orbicie zewnętrznej, co wyjaśnia niechęć tych gazów do wchodzenia w jakiekolwiek relacje ( reakcje chemiczne) z innymi atomami budują cząsteczki substancji chemicznych.

Zupełnie inaczej wygląda sytuacja w przypadku atomów, które nie posiadają na swojej zewnętrznej orbicie upragnionych 8 elektronów. Takie atomy wolą łączyć się z innymi, aby uzupełnić swoją zewnętrzną orbitę aż o 8 elektronami i osiągnąć spokojny, stabilny stan.

Na przykład tutaj jest dobrze znana cząsteczka wody H2O. Składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu, jak pokazano na rysunku 1.

Obrazek 1

W górnej części rysunku oddzielnie pokazano dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu. Na zewnętrznej orbicie tlenu znajduje się 6 elektronów i dwa elektrony w dwóch pobliskich atomach wodoru. Tlenowi brakuje zaledwie dwóch elektronów na swojej zewnętrznej orbicie, aby osiągnąć upragnioną liczbę 8, którą otrzyma poprzez przyłączenie do siebie dwóch atomów wodoru.

Każdemu atomowi wodoru brakuje 7 elektronów na swojej zewnętrznej orbicie, aby był całkowicie szczęśliwy. Pierwszy atom wodoru otrzymuje 6 elektronów z tlenu na swoją zewnętrzną orbitę i jeszcze jeden elektron od swojego bliźniaka, drugiego atomu wodoru. Na jego zewnętrznej orbicie znajduje się obecnie 8 elektronów wraz z elektronem. Drugi atom wodoru również kończy swoją zewnętrzną orbitę do pożądanej liczby 8. Proces ten pokazano w dolnej części rysunku 1.

Rysunek 2 przedstawia proces łączenia atomów sodu i chloru. Rezultatem jest chlorek sodu, który sprzedawany jest w sklepach pod nazwą sól kuchenna.

Rysunek 2. Proces łączenia atomów sodu i chloru

Tutaj również każdy z uczestników otrzymuje od drugiego brakującą liczbę elektronów: chlor dodaje pojedynczy elektron sodu do swoich siedmiu elektronów, podczas gdy swój własny oddaje atomowi sodu. Obydwa atomy posiadają na zewnętrznej orbicie 8 elektronów, co zapewnia pełną zgodność i dobre samopoczucie.

Wartościowość atomów

Atomy, które mają 6 lub 7 elektronów na swojej zewnętrznej orbicie, mają tendencję do przyłączania do siebie 1 lub 2 elektronów. Mówi się, że takie atomy są jednowartościowe lub dwuwartościowe. Ale jeśli na zewnętrznej orbicie atomu znajdują się 1, 2 lub 3 elektrony, wówczas taki atom ma tendencję do ich oddawania. W tym przypadku atom uważa się za jedno, dwu lub trzy wartościowy.

Jeśli zewnętrzna orbita atomu zawiera 4 elektrony, wówczas taki atom woli łączyć się z tym samym, który również ma 4 elektrony. W ten sposób atomy germanu i krzemu łączą się, tworząc tranzystory. W tym przypadku atomy nazywane są czterowartościowymi. (Atomy germanu lub krzemu mogą również łączyć się z innymi pierwiastkami, takimi jak tlen lub wodór, ale te związki nie są interesujące dla naszej historii.)

Rysunek 3 przedstawia atom germanu lub krzemu chcący połączyć się z podobnym atomem. Małe czarne kółka to elektrony atomu, a jasne kółka wskazują miejsca, w które spadną elektrony czterech sąsiednich atomów.

Rysunek 3. Atom germanu (krzemu).

Struktura krystaliczna półprzewodników

Atomy germanu i krzemu znajdują się w tej samej grupie co węgiel w układzie okresowym ( wzór chemiczny Diamenty C to po prostu duże kryształy węgla uzyskane w określonych warunkach) i dlatego po połączeniu tworzą diamentopodobny struktura krystaliczna. Tworzenie takiej konstrukcji pokazano oczywiście w uproszczonej formie na rysunku 4.

Rysunek 4.

W środku sześcianu znajduje się atom germanu, a w rogach znajdują się jeszcze 4 atomy. Atom przedstawiony w środku sześcianu jest połączony swoimi elektronami walencyjnymi z najbliższymi sąsiadami. Z kolei atomy narożne oddają swoje elektrony walencyjne atomowi znajdującemu się w środku sześcianu oraz jego sąsiadom - atomom nie pokazanym na rysunku. W ten sposób zewnętrzne orbity są uzupełnione do ośmiu elektronów. Oczywiście w sieci krystalicznej nie ma sześcianu, jest to po prostu pokazane na rysunku, aby względny, objętościowy układ atomów był jasny.

Aby jednak maksymalnie uprościć opowieść o półprzewodnikach, sieć krystaliczną można przedstawić jako płaską rysunek schematyczny, mimo że wiązania międzyatomowe nadal znajdują się w przestrzeni. Taki schemat pokazano na rysunku 5.

Rysunek 5. Sieć krystaliczna germanu w formie płaskiej.

W takim krysztale wszystkie elektrony są ściśle związane z atomami za pomocą wiązań walencyjnych, więc najwyraźniej po prostu nie ma tu wolnych elektronów. Okazuje się, że to, co widzimy na rysunku, jest izolatorem, ponieważ nie ma w nim wolnych elektronów. Ale tak naprawdę tak nie jest.

Przewodnictwo własne

Faktem jest, że pod wpływem temperatury niektórym elektronom udaje się jeszcze odłączyć od atomów i na jakiś czas uwolnić się od połączenia z jądrem. Dlatego w krysztale germanu istnieje niewielka liczba wolnych elektronów, dzięki czemu możliwe jest przewodzenie prądu elektrycznego. Ile wolnych elektronów znajduje się w krysztale germanu w normalnych warunkach?

Na 10^10 (dziesięć miliardów) atomów przypadają tylko dwa takie wolne elektrony, zatem german jest słabym przewodnikiem, czyli, jak to się mówi, półprzewodnikiem. Należy zauważyć, że tylko jeden gram germanu zawiera 10^22 (dziesięć miliardów miliardów) atomów, co pozwala „uzyskać” około dwóch miliardów wolnych elektronów. Wydaje się, że wystarczy przepuścić duży prąd elektryczny. Aby zrozumieć to zagadnienie, wystarczy pamiętać, jaki jest prąd 1 A.

Prąd o natężeniu 1 A odpowiada przepływowi przez przewodnik w ciągu jednej sekundy. ładunek elektryczny w 1 kulombu, czyli 6*10^18 (sześć miliardów miliardów) elektronów na sekundę. Na tym tle dwa tysiące miliardów wolnych elektronów, nawet rozproszonych po ogromnym krysztale, z trudem zapewnia przepływ dużych prądów. Chociaż w wyniku ruchu termicznego w germanie występuje niewielka przewodność. Jest to tak zwane przewodnictwo wewnętrzne.

Przewodność elektronowa i dziurowa

Wraz ze wzrostem temperatury elektronom przekazywana jest dodatkowa energia, ich wibracje termiczne stają się bardziej energetyczne, w wyniku czego niektórym elektronom udaje się oderwać od atomów. Elektrony te stają się wolne i przy braku zewnętrznego pola elektrycznego wykonują chaotyczne ruchy i poruszają się w wolnej przestrzeni.

Atomy, które utraciły elektrony, nie mogą wykonywać przypadkowych ruchów, a jedynie nieznacznie oscylują w stosunku do swojego normalnego położenia w sieci krystalicznej. Takie atomy, które utraciły elektrony, nazywane są jonami dodatnimi. Można założyć, że w miejscu wyrwanych z atomów elektronów powstają wolne przestrzenie, które zwykle nazywane są dziurami.

Ogólnie rzecz biorąc, liczba elektronów i dziur jest taka sama, więc dziura może złapać elektron znajdujący się w pobliżu. W rezultacie atom ponownie zmienia się z jonu dodatniego w obojętny. Proces łączenia elektronów z dziurami nazywa się rekombinacją.

Oddzielenie elektronów od atomów następuje z tą samą częstotliwością, dlatego średnio liczba elektronów i dziur w danym półprzewodniku jest równa, jest wartością stałą i zależy od warunków zewnętrznych, przede wszystkim temperatury.

Jeśli do kryształu półprzewodnika zostanie przyłożone napięcie, ruch elektronów zostanie uporządkowany, a prąd będzie przepływał przez kryształ ze względu na jego przewodność elektronową i dziurową. Przewodność ta nazywana jest przewodnością wewnętrzną, wspomniano już o niej nieco wyżej.

Jednak półprzewodniki w czystej postaci, które mają przewodnictwo elektroniczne i dziurowe, nie nadają się do produkcji diod, tranzystorów i innych części, ponieważ podstawą tych urządzeń jest złącze p-n (czytaj „pe-en”).

Aby uzyskać takie przejście, potrzebne są dwa rodzaje półprzewodników, dwa rodzaje przewodnictwa (p - dodatni - dodatni, dziura) i (n - ujemny - ujemny, elektroniczny). Tego typu półprzewodniki powstają poprzez domieszkowanie, czyli dodanie zanieczyszczeń do kryształów czystego germanu lub krzemu.

Choć ilość zanieczyszczeń jest bardzo mała, ich obecność w w dużej mierze zmienia właściwości półprzewodnika, pozwala uzyskać półprzewodniki o różnej przewodności. Zostanie to omówione w dalszej części artykułu.

Borys Aladyszkin,

Co to jest półprzewodnik i z czym się go spożywa?

Półprzewodnik- materiał, bez którego nie możemy sobie wyobrazić nowoczesny świat technologii i elektroniki. Półprzewodniki wykazują właściwości metali i niemetali w określonych warunkach. Według określonej wartości opór elektryczny półprzewodniki zajmują pozycję pośrednią między dobrymi przewodnikami a dielektrykami. Półprzewodnik różni się od przewodników silną zależnością przewodności właściwej od obecności pierwiastków zanieczyszczających (pierwiastków zanieczyszczających) w sieci krystalicznej i stężenia tych pierwiastków, a także od temperatury i narażenia na różne rodzaje promieniowania.
Podstawowe właściwości półprzewodnika- wzrost przewodności elektrycznej wraz ze wzrostem temperatury.
Półprzewodniki to substancje, których przerwa wzbroniona jest rzędu kilku elektronowoltów (eV). Na przykład diament można sklasyfikować jako półprzewodnik o szerokiej przerwie, a arsenek indu można sklasyfikować jako półprzewodnik o wąskiej przerwie. Pasmo wzbronione to szerokość przerwy energetycznej pomiędzy dołem pasma przewodnictwa a górą pasma walencyjnego, w której nie ma dozwolonych stanów dla elektronu.
Wielkość pasma wzbronionego jest istotna przy generowaniu światła w diodach LED i laserach półprzewodnikowych oraz określa energię emitowanych fotonów.

Półprzewodniki obejmują wiele pierwiastki chemiczne: Si krzem, Ge german, As arsen, Se selen, Te tellur i inne, a także wszelkiego rodzaju stopy i związki chemiczne, na przykład: jodek krzemu, arsenek galu, telluryn rtęci itp.). Generalnie prawie wszystko substancje nieorganiczne otaczający nas świat to półprzewodniki. Najpopularniejszym półprzewodnikiem w przyrodzie jest krzem, który według przybliżonych szacunków stanowi prawie 30% skorupy ziemskiej.

W zależności od tego, czy atom elementu domieszkowego oddaje elektron, czy go wychwytuje, atomy domieszki nazywane są atomami donorowymi lub akceptorowymi. Właściwości donora i akceptora atomu pierwiastka domieszkującego zależą również od tego, który atom sieci krystalicznej zastępuje płaszczyznę krystalograficzną, w której jest osadzona.
Jak wspomniano powyżej, właściwości przewodzące półprzewodników silnie zależą od temperatury, a gdy temperatura osiągnie zero absolutne (-273 ° C), półprzewodniki mają właściwości dielektryków.

W zależności od rodzaju przewodności półprzewodniki dzielą się na typu n i typu p

półprzewodnik typu n

W zależności od rodzaju przewodności półprzewodniki dzielą się na typu n i typu p.

Półprzewodnik typu n ma naturę domieszkową i przewodzi prąd elektryczny podobnie jak metale. Elementy zanieczyszczające dodawane do półprzewodników w celu wytworzenia półprzewodników typu n nazywane są elementami donorowymi. Termin „typ n” pochodzi od słowa „ujemny”, które odnosi się do ładunku ujemnego przenoszonego przez wolny elektron.

Teorię procesu przeniesienia ładunku opisano następująco:

Do czterowartościowego krzemu Si dodaje się pierwiastek zanieczyszczający, pięciowartościowy arsen. Podczas interakcji każdy atom arsenu wchodzi w wiązanie kowalencyjne z atomami krzemu. Pozostaje jednak piąty wolny atom arsenu, dla którego nie ma miejsca w nasyconych wiązaniach walencyjnych i przemieszcza się na odległą orbitę elektronową, gdzie potrzeba mniej energii, aby usunąć elektron z atomu. Elektron odrywa się i staje się wolny, zdolny do przenoszenia ładunku. Zatem przenoszenie ładunku odbywa się za pomocą elektronu, a nie dziury, to znaczy ten typ półprzewodnika przewodzi prąd elektryczny jak metale.
Antymon Sb poprawia także właściwości jednego z najważniejszych półprzewodników – germanu Ge.

półprzewodnik typu p

Półprzewodnik typu p, oprócz zasady domieszkowej, charakteryzuje się dziurowym charakterem przewodności. Zanieczyszczenia dodawane w tym przypadku nazywane są zanieczyszczeniami akceptorowymi.
„typ p” pochodzi od słowa „pozytywny”, które odnosi się do dodatniego ładunku większości nośników.
Na przykład niewielką ilość trójwartościowych atomów indu dodaje się do półprzewodnika, czterowartościowego krzemu Si. W naszym przypadku ind będzie pierwiastkiem domieszkującym, którego atomy tworzą wiązanie kowalencyjne z trzema sąsiadującymi atomami krzemu. Ale krzem ma jedno wolne wiązanie, podczas gdy atom indu nie ma elektronu walencyjnego, więc wychwytuje elektron walencyjny z wiązania kowalencyjnego między sąsiednimi atomami krzemu i staje się jonem naładowanym ujemnie, tworząc tzw. Dziurę i odpowiednio dziurę przemiana.
Według tego samego schematu ind nadaje przewodność dziurową germanowi Ge.

Badanie właściwości elementów i materiałów półprzewodnikowych, badanie właściwości styku przewodnika z półprzewodnikiem, eksperymentowanie w wytwarzaniu materiałów półprzewodnikowych, O.V. Losev stworzył prototyp nowoczesnej diody LED w latach dwudziestych XX wieku.