Проводники, диэлектрики, полупроводники - Практическая работа

ХАРЬКОВСКАЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА І-ІІІ СТУПЕНЕЙ № 122 ХАРЬКОВСКОГО ГОРОДСКОГО СОВЕТА ХАРЬКОВСКОЙ ОБЛАСТИПроводники отличаются от диэлектриков наличием свободных зарядов - заряженных частиц, положение которых не связано с какой-то точкой внутри вещества. Свободные заряды приходят в движение под действием электрического поля и могут перемещаться по всему объему проводника. Дело в том, что валентный электрон, находящийся на внешней электронной оболочке атома металла, весьма слабо связан с атомом. При взаимодействии атомов металла их валентные электроны покидают свои оболочки, «отправляясь в путешествие» по всему пространству металла. Так называются растворы и расплавы, свободные заряды в которых возникают в результате диссоциации молекул на положительные и отрицательные ионы.Первое общее свойство проводников в электростатическом поле состоит в том, что напряженность поля внутри проводника везде равна нулю. Хотелось бы понять, почему обнуляется поле внутри проводника. Возникновение этих зарядов, как вы помните, называется электростатической индукцией: заряды на поверхности проводника индуцируются (т. е. Индуцированные заряды создают свое поле Ei, направление которого внутри шара оказывается противоположным внешнему полю (приложение 1). Перестроение свободных зарядов шара продолжается до тех пор, пока поле Ei не компенсирует полностью внешнее поле E во всей области внутри шара.Теперь рассмотрим область пространства, внешнюю по отношению к проводнику. Оказывается, линии напряженности электрического поля входят в проводник (или выходят из него)перпендикулярно поверхности проводника. Вы видите, что любая силовая линия, пересекающая шар, направлена точно под прямым углом к его поверхности.Раньше мы говорили о потенциале той или иной точки электростатического поля. Большой интерес представляют множества точек, потенциал которых одинаков. Другим замечательным примером служит проводник. В самом деле, если бы между какой-либо парой точек проводника существовала ненулевая разность потенциалов, возник бы ток от одной точки к другой - ведь в этом случае электрическое поле совершало бы ненулевую работу по перемещению зарядов между данными точками.Все заряды являются связанными: электроны принадлежат своим атомам, а ионы твердых диэлектриков колеблются вблизи узлов кристаллической решетки.Но тем не менее, одно важнейшее общее свойство у диэлектриков имеется. Напряженность поля уменьшается внутри диэлектрика в некоторое число ? раз по сравнению с вакуумом. Давайте разберемся, каковы причины ослабления поля в диэлектрике. Рассмотрим диэлектрик, помещенный во внешнее однородное (для простоты) поле E0. Эти индуцированные заряды расположены так, что создаваемое ими поле Ei внутри диэлектрика направлено против внешнего поля E0 (приложение 3).Диполь - это система двух одинаковых по модулю и противоположных по знаку зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга (приложение 4).Например, в молекуле поваренной соли NACL одинокий внешний электрон натрия захватывается атомом хлора (которому как раз недостает одного электрона до полного комплекта из 8 электронов на внешней оболочке). Молекула становится диполем, состоящим из положительного иона Na и отрицательного и она Cl-. В результате центры положительных и отрицательных зарядов молекулы оказываются в разных местах, что и наделяет молекулу свойствами диполя. При отсутствии внешнего электрического поля молекулы-диполи полярного диэлектрика, совершая хаотическое тепловое движение, ориентированы в самых разных направлениях. Но если поместить такой диэлектрик во внешнее поле E0, то оно «развернет» диполи так, что они окажутся ориентированными вдоль линий напряженности («минусы» диполей повернутся влево - к тем «плюсам», которые создают внешнее поле).Диэлектрик называется неполярным, если его молекулы имеют симметричное распределение положительных и отрицательных зарядов и потому не ведут себя как диполи. К неполярным диэлектрикам относятся, например, керосин, масло, воздух, инертные газы. Тем не менее, поляризация наблюдается и у неполярных диэлектриков. При наложении внешнего поля E0 эта орбита деформируется (приложение 6, справа): электрон смещается в сторону положительных зарядов, создающих внешнее поле.До сих пор, говоря о способности веществ проводить электрический ток, мы делили их на проводники и диэлектрики. Удельное сопротивление обычных проводников находится в интервале 10-8 - 10-6 Ом · м; удельное сопротивление диэлектриков превышает эти величины в среднем на 20 порядков: 1010 - 1016 Ом·м. Но существуют также вещества, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Это полупроводники: их удельное сопротивление при комнатной температуре может принимать значения в очень широком диапазоне 10-3 - 107 Ом · м. К полупроводникам относятся кремний, германий, селен, некоторые другие химические элементы и соединения.

Оглавление

1. Проводники

1.1 Поле внутри проводника

1.2 Поле вне проводника

1.3 Потенциал проводника

2. Диэлектрики в электрическом поле

2.1 Диэлектрическая проницаемость

2.3 Полярные диэлектрики

2.4Неполярные диэлектрики

3. Полупроводники

3.1 Ковалентная связь

3.2 Кристаллическая структура кремния

3.3 Собственная проводимость

3.4 Примесная проводимость

Приложения

Использованная литература

1. Проводники