Провідники, діелектрики і напівпровідники

1. Провідники електричного струму. Явище електростатичної індукції. Всі речовини в залежності від електропровідності діляться на провідники, діелектрики і напівпровідники. Провідники бувають першого і другого родів. До провідникам першого роду відносяться всі метали і їх сплави. Кристалічна решітка металу складається з ряду позитивних іонів, між якими в усіх напрямках переміщаються вільні електрони. При відсутності зовнішнього електричного поля вільні електрони в металі переміщуються безладно, т. Е. В самих різних напрямках. Помістимо металевий провідник у вигляді пластинки в електричне поле плоского конденсатора напруженістю Е (рис. 1.15). Під дією сил поля вільні електрони металевої пластини будуть переміщатися до позитивно зарядженої пластини конденсатора і накопичуються на одній поверхні АГ, створюючи на ній негативний заряд індукції - Qінд. На іншій поверхні пластини БВ з'явиться такий же позитивний заряд + Qінд.

Таким чином, в пластині буде відбуватися поділ електричних зарядів. Досить швидко заряд Qінд досягне заряду на пластинах конденсатора Q. Після цього розділення електричних зарядів в провіднику припиниться. Явище поділу електричних зарядів в провідному тілі під дією зовнішнього електричного поля називається електростатичною індукцією.

Заряди електростатичного індукції + Qінд і - Qінд створять в провіднику внутрішнє поле з напруженістю Еінд, спрямоване протилежно зовнішньому полю. У разі рівного розподілу зарядів Qінд = Q рівні і напруженості: ерез = Е. Таким чином, всередині металевого провідника виникає внутрішнє поле, повністю врівноважує зовнішнє. Тому напруженість результуючого поля всередині провідника буде дорівнює нулю, т. Е. Ерез = Е - Еінд = 0. Через відсутність електростатичного поля всередині провідника все його точки мають однаковий потенціал. Виходить, поверхня провідника є еквіпотенційної поверхнею, а його обсяг - еквіпотенційної об'ємом результуючого електричного поля. Електричне поле буде відсутній не тільки в суцільному провіднику, а й усередині металевої оболонки (рис. 1.16). Ця властивість використовується для захисту приладів від дії сторонніх електростатичних полів. Для цього прилад П укладають в металеву оболонку або сітку-екран.

До провідників другого роду відносяться розплавлені солі і водні розчини солей, кислот, лугів. Ці провідники називають електролітами. При розчиненні частина молекул солі, кислоти або лугу розпадається на позитивні і негативні іони, які безладно переміщаються за обсягом електроліту. Але якщо в електроліті створити електричне поле, то під дією його сил іони прийдуть у впорядкований рух: позитивні іони будуть переміщатися переважно в напрямку поля, а негативні - в протилежному. Таке впорядкований рух іонів і являє собою електричний струм.

Таким чином, по провідникам першого роду можуть переміщатися вільні електрони, а по провідникам другого - іони. 2. Діелектрики. Явище поляризації. Розглянемо матеріали, які в електротехніці називають діелектриками. До них відносяться кераміка, скло, слюда, кварц, азбест, пластмаси, каучук, мінеральні масла, лаки, повітря та ін. Залежно від свого фізичного стану діелектрики діляться на тверді, рідкі та газоподібні.

У діелектриках при нормальних умовах на відміну від провідників вільні електрично заряджені частинки майже відсутні. Тому вони мають незначною електропровідністю, т. Е. Не проводять електричний струм. При деяких умовах в діелектриках може відбуватися розщеплення молекул на іони (наприклад, під дією високої температури або сильного електричного поля). У цьому випадку вони втрачають ізолюючі властивості і стають провідниками. Помістимо в електричне поле плоского конденсатора (рис. 1.17) пластину діелектрика. Якщо в провіднику під впливом сил електричного поля заряджені частинки рухаються по всьому об'єму провідника, то в діелектрику вільного переміщення електричних зарядів статися не може. Але в межах однієї молекули діелектрика виникає зміщення позитивно заряджених частинок вздовж напрямку електричного поля, а негативно заряджених частинок - в зворотному напрямку. Зсунуті і одночасно пов'язані один з одним заряджені частинки в межах молекули утворюють так званий диполь. Це явище називається поляризацією діелектрика. Його поляризованность тим більше, чим сильніше електричне поле.

Поляризація більшості діелектриків повністю припи щается зі зникненням зовнішнього поля. Лише невелика група діелектриків (сегнетова сіль, титанат барію, титанат свинцю і т. Д-) зі зникненням зовнішнього поля зберігає залишкову поляризацію. Детальніше розглянемо процеси в діелектрику, вміщеному в зовнішнє електричне поле, наприклад в полі плоского конденсатора.

На поверхнях АБ і ВГ діелектрика, звернених до пластин конденсатора, зосереджені заряди + Qпол і - Qпол. Всередині діелектрика позитивні і негативні заряди диполів взаємно врівноважуються. Заряди поляризації + Qпол і - Qпол створюють внутрішнє електричне поле (поле поляризації), спрямоване назустріч зовнішньому полю. Результуюче поле в діелектрику визначається загальним зарядом частинок Qpeз = Q - Qпол. Це поле можна також представити як результат накладення двох полів: зовнішнього з напруженістю Е і внутрішнього з напруженістю Епол, тоді результуюча напруженість поля в діелектрику ерез = Е - Епол.

Чим сильніше поляризується діелектрик, то менше результуюче поле, т. Е. Менше його напруженість ерез при тому ж зовнішньому полі, а отже, тим більше діелектрична проникність # 949; а.

3. Електрична міцність діелектрика. При деякій напруженості зовнішнього поля Е може статися місцеве руйнування діелектрика з утворенням каналу високої провідності - пробій діелектрика, в результаті якого він втратить свої ізолюючі властивості і стає провідником. Напруженість електричного поля, при якій настає пробою, діелектрика, називається електричною міцністю діелектрика або пробивний напруженістю.

Значення пробивної напруженості Епр (при нормальних умовах і в однорідному постійному полі) деяких діелектриків наведені в табл. 1.2. Напруга, при якому відбувається пробій діелектрика, називається пробивним напругою.

Ставлення пробивної напруги Uпр до товщини діелектрика в місці пробою d одно напруженості поля при пробої, т. Е. Електричної міцності діелектрика:

Для надійної роботи установки необхідно, щоб допустима напруженість Е була в кілька разів менше електричної міцності діелектрика. Ставлення k = Eпр / E називається запасом міцності.

4. Напівпровідники. За значенням своєї електропровідності напівпровідники займають проміжне положення між провідниками і діелектриками і мають ряд властивостей, пов'язаних з існуванням в них електронної та доречний Електроприв-водності. Діркова електропровідність обумовлена переміщенням під дією електричного поля так званих дірок, т. Е. Не зайнятих валентними електронами місць в атомах, що еквівалентно переміщенню позитивно заряджених частинок, заряди яких за абсолютною величиною рівні зарядів електронів. Електропровідність напівпровідників у великій мірі залежить від температури, домішок, освітленості. При низьких температурах напівпровідники мають велике питомий опір і практично є ізоляторами. З підвищенням температури їх питомий опір сильно зменшується. При наявності домішок електропровідність напівпровідників змінюється. Напівпровідниками є кремній, германій, селен, закис міді, сірчистий свинець і ін.

Приклад 1.5. Між пластинами плоского конденсатора знаходиться парафинированная папір товщиною d = 0,04 мм. Визначити напругу між пластинами конденсатора, при якому відбудеться пробій діелектрика, а також допустима напруга, якщо запас міцності k = 3,2.

Рішення. За табл. 1.2 беремо електричну міцність паперу Епр = 17,5 кВ / мм. Пробивна напруга Uпр = Eпрd = 17,5 · 0,04 = 0,7 кВ = 700 В. Допустима напруга Uдоп = Uпр / k = 700 / 3,2 = 220 В.

Завдання. Дайте відповідь на питання контрольної карти 1.5.

Контрольна карта 1.5

ЗАВДАННЯ До ЧОЛІ 1

1.1. Два точкових тіла з зарядами Q1 = Q2 = 6 · 10-11 Кл розташовані в повітрі на відстані 12 см один від одного. Визначити напруженість поля цих зарядів в точці В (рис. 1.18), якщо вона знаходиться на перпендикуляре ВГ до прямої АБ, а АГ = БГ, ВГ = 8 см.

1.2. Два точкових заряджених тіла, що мають однакові за значенням і протилежні за знаком заряди Q, розташовані в повітрі, як показано на рис. 1.19. Визначити значення зарядів, якщо в точці А напруженість поля ЕА = 90 В / м.

Відповідь: Q = 5,33 · 10-11 Кл.

1.3. Поверхнева щільність заряду на пластинах плоского конденсатора # 963; = 10-10 Кл / м2. Визначити силу, що діє на позитивний пробний заряд q = 10-12 Кл, що знаходиться в електричному полі конденсатора.

Відповідь: F = 11,3 · 10-12 Н.

1.4. Пластини плоского конденсатора мають розміри 10 X 5 см і віддалені один від одного на відстань 3 мм. Визначити потік вектора напруженості електричного поля крізь площину, розташовану між пластинами паралельно їм, якщо напруга між пластинами U = 120 В.

Відповідь: N = 200 В · м.

1.5. До пластин плоского конденсатора, що має розміри 100 × 120 см, підведена напруга U = 6 кВ. Визначити напруженість електричного поля в діелектрику і заряд на кожній пластині, якщо відстань між пластинами d = 0,45 см, а між ними - скло (# 949; г = 5). Як зміняться отримані результати, якщо видалити з конденсатора скло, що не відключаючи напруга?

Відповідь: Е = 1333 кВ / м, Q = 7,08 · 105 Кл.

Після видалення скла напруженість електричного поля залишиться незмінною, так як U = const, а заряд на кожній пластині зменшиться в п'ять разів.

1.6. Між пластинами 1 і 2 плоского конденсатора (рис. 1.20) внесена тонка металева пластина 3. Відстані d1 = 4 мм, d2 = 6 мм. Напруга між пластинами конденсатора U12 = 100 В. Визначити потенціал пластини 3, вважаючи рівним нулю потенціал негативно зарядженої пластини.

1.7. Плоский повітряний конденсатор з розмірами пластин 80 × 60 см і відстанню між ними d = 0,5 см включається на напругу U = 2 кВ. Після заряду конденсатора його відключили від джерела напруги і збільшили вдвічі відстань між пластинами. Визначити заряд на кожній пластині, напруженість електричного поля і напруження між пластинами після відключення джерела. Витоком зарядів з пластин знехтувати.

Відповідь: Q = 17 · 10-7 Кл, Е = 400 кВ / м, U = 4 кВ.

1.8. Електрична міцність діелектрика конденсатора Епp = 12 кВ / мм. Визначити робочу напругу конденсатора, якщо товщина його діелектрика 2 мм, а запас міцності ізоляції чотириразовий.