1-3. Электропроводность

Атомы химических элементов, входящих в состав любого вещества, состоят из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Атомы обычно электрически нейтральны, так как заряд ядра равен сумме зарядов окружающих его электронов.

Если от нейтрального атома (молекулы) отделяется электрон, то атом превращается в положительный ион. Отделившийся от атома электрон присоединяется к другому нейтральному атому, образуя отрицательный ион, или остается свободным.

Такие свободные электроны называют электронами проводимости, а процесс образования ионов — ионизацией. Количество свободных электронов или ионов в единице объема вещества называется концентрацией носителей электрического заряда ().

В веществе, помещенном в электрическом поле, под действием сил ноля возникает направленное движение электронов проводимости или ионов, называемое электрическим током. Свойство вещества создавать электрический ток под действием электрического поля называется электропроводностью вещества. Степень электропроводности оценивается удельной электрической проводимостью материала (см. § 2-3). Электрическая проводимость вещества (тела) зависит от концентрации носителей заряда. При высокой концентрации проводимость вещества больше, чем при малой. Все вещества в зависимости от электрической проводимости делятся на проводники, диэлектрики (электроизоляционные материалы) и полупроводники.

Проводники обладают высокой проводимостью, к ним относятся металлы и их сплавы, уголь, электролиты (водные растворы солей, кислоты щелочей) и расплавы.

Диэлектрики, наоборот, обладают ничтожной проводимостью. К ним относятся газы, минеральные масла, лаки и большое число твердых неметаллических тел.

Полупроводники обладают промежуточной проводимостью между проводниками и диэлектриками. К ним относятся такие металлы, как кремний, германий, селен, окислы металлов и др.

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 энергетический уровень, т. е. на более удаленную орбиту, требует затраты энергии на преодоление притяжения электрона к ядру. Таким образом, более удаленные от ядра электроны обладают большими энергиями. Переход электрона на более низкий уровень сопровождается излучением энергии атомом.

В твердых 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 электрической проводимости проводников, полупроводников и диэлектриков вызывается особенностями их строения. Согласно зонной теории твердого тела у металлических проводников высокая электрическая проводимость обусловливается тем, что заполненная зона вплотную прилегает к свободной зоне (рис. 1-3, а).

Рис. 1-3. Энергетические уровни. а — проводник; б — диэлектрик; в — полупроводник; 1 — свободная зона; 2 — аапрещеннан зона; 3 — 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 проводника, становясь свободными. Легко возникающая значительная концентрация электронов и обеспечивает большую электрическую проводимость проводников.

При электрическом напряжении, приложенном к концам металлического проводника, в нем возникает электрическое поле. Под влиянием сил этого поля движение свободных электронов упорядочивается, и они дрейфуют в направлении, противоположном направлению поля (так как имеют отрицательный заряд), т. е. в проводнике возникает электрический ток.

Если у данного вещества свободная зона отделена от заполненной (рис. 1-3, б) достаточно широкой запрещенной зоной, то последняя делает практически невозможным переход электронов в свободную зону.

Таким образом, как концентрация свободных электронов, так и проводимость вещества будут ничтожно малы и, следовательно, это будет диэлектрик.

У полупроводников ширина запрещенной зоны значительно уже, чем у диэлектриков (рис. 1-3, б). Следовательно, для перехода электронов в свободную зону требуется небольшое возбуждение, например за счет усиления теплового движения атомов при повышении температуры, в связи с чем полупроводники обладают проводимостью, имеющей промежуточное значение между проводимрстью проводников и диэлектриков.

Проводники, в которых электрический ток создается перемещением одних электронов, называются проводниками с электронной проводимостью или проводниками первого рода. Основными представителями их являются металлы и их сплавы.

Проводники, в которых электрический ток создается перемещением положительных и отрицательных иоиов, называются проводниками с ионной проводимостью или проводниками второго рода — это электролиты, к которым относятся водные растворы кислот, солей и щелочей.