Проводник


Проводник.

 

 

Проводник – вещество, среда или материал, хорошо проводящие электрический ток. К проводникам относятся многие химические элементы, являющиеся металлами (медь, алюминий, золото, серебро, ртуть и  другие), огромное количество сплавов и химических соединений, расплавы металлов, электролиты, плазма, некоторые неметаллы.

 

Проводник

Свойства проводника

 

Проводник:

Проводник – вещество, среда или материал, хорошо проводящие электрический ток.

К проводникам относятся многие химические элементы, являющиеся металлами (медь, алюминий, золото, серебро, ртуть и  другие), огромное количество сплавов и химических соединений. Среди неметаллов проводником является углерод в виде угля и графита. Примером проводящих жидкостей являются электролиты, расплавы металлов, вода с растворенными в ней примесями, соленая и морская вода. Пример проводящих газов – ионизированный газ (плазма).

Носителями зарядов в проводниках выступают электроны, дырки, положительно и отрицательно заряженные ионы (катионы и анионы). В проводнике имеется большое число свободных носителей заряда, то есть заряженных частиц, которые могут свободно перемещаться внутри объёма проводника. Электрический ток в проводниках и прежде всего в металлах возникает под действием внешнего электрического поля, которое вызывает упорядоченное движение электронов. Благодаря большому числу свободных носителей заряда и их высокой подвижности значение удельной электропроводности проводников велико, а удельного сопротивления – минимально.

От проводников следуют отличать полупроводники, диэлектрики и сверхпроводники.

Диэлектрик – вещество или материал, относительно плохо проводящее электрический ток.  Диэлектрик обладает высоким удельным сопротивлением.

Полупроводник – материал, значение удельной проводимости которого занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и который отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от наличия и концентрации примесей, строения и дефектов кристаллической решетки, температуры, воздействия различных видов излучения, в т.ч. оптического, внешнего электрического поля и иных факторов.

Основным свойством полупроводников в отличие от проводников является увеличение электрической проводимости с повышением температуры. В то время как проводники ведут себя противоположным образом.   С повышением температуры у проводников значение электрической проводимости уменьшается.  Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков, а у проводников с понижением температуры растет электрическая проводимость. Как правило, вблизи температуры абсолютного нуля либо ниже критической температуры электрическое сопротивление проводника становится равным строго нулевому значению (нулю) и материал становится сверхпроводником (переходит в сверхпроводящее состояние).

Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10−5 Ом·м, а к диэлектрикам – материалы, у которых ρ > 108 Ом·м. Удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10−8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 1016 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий внешней среды и пр. факторов может изменяться в пределах от 10−5 до 108 Ом·м. Удельное сопротивление сверхпроводника равно 0 Ом·м.

Для разграничения проводников, полупроводников и диэлектриков друг от друг используют понятие запрещенной зоны. Под запрещенной зоной понимается область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле. Ширина запрещённой зоны – это минимальная энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости.

Ширину запрещённой зоны обозначают Eg (от англ.: g = gap – «промежуток», «зазор») и обычно численно выражают в электрон-вольтах. Электрон-вольт (эВ) – это единица измерения энергии, используемая в физике полупроводников. Один электрон-вольт – это энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов 1 вольт.

Величина параметра Eg различна для разных материалов, она во многом определяет их электрические и оптические свойства. По ширине запрещённой зоны твёрдые вещества разделяют на проводники – тела, где запрещённая зона отсутствует (имеется только валентная зона и зона проводимости, которые могут накладываться друг на друга), то есть электроны могут иметь произвольную энергию, полупроводники – в этих веществах величина Eg составляет от долей эВ до 3-4 эВ и диэлектрики – с шириной запрещённой зоны более 4-5 эВ. Граница между полупроводниками и диэлектриками условная.

 

Свойства проводника:

Проводник обладает свойствами электрической проводимостью и электрическим сопротивлением.

Электрическое сопротивление – физическая величина, характеризующая свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему.

Электрическое сопротивление в проводниках объясняется тем, что движущиеся под действием электрического поля электроны рассеиваются на неоднородностях ионной решётки. При этом электроны теряют импульс, а энергия их движения преобразуются во внутреннюю энергию кристаллической решётки, что и приводит к нагреванию проводника при прохождении по нему электрического тока.

Электрическое сопротивление проводника зависит от материала, из которого он изготовлен, и от его геометрических размеров. Для каждого  материала электрическое сопротивление обратно пропорционально площади поперечного сечения. Например, толстый медный провод имеет меньшее сопротивление, чем идентичный тонкий медный провод. Кроме того, для каждого  материала сопротивление пропорционально длине. Например, длинный медный провод имеет более высокое сопротивление, чем идентичный короткий медный провод.

Сопротивление (R) однородного проводника постоянного сечения вычисляется по формуле:

Сопротивление (R) однородного проводника постоянного сечения вычисляется по формуле

где ρ – удельное сопротивление вещества проводника, выраженное в Ом·м,

l – длина проводника, выраженная в метрах,

S – площадь сечения, м².

Единицей измерения электрического сопротивления в Международной системе единиц (СИ) является Ом, названная в честь немецкого учёного Георга Симона Ома.

1 ом представляет собой электрическое сопротивление между двумя точками проводника, когда постоянная разность потенциалов 1 вольт, приложенная к этим точкам, создаёт в проводнике ток 1 ампер, а в проводнике не действует какая-либо электродвижущая сила.

Единицей, обратной ому, является сименс – единица измерения электрической проводимости в СИ.

Электропроводность (электрическая проводимость, проводимость) – способность тела (среды) проводить электрический ток, свойство тела или среды, определяющее возникновение в них электрического тока под воздействием электрического поля.

Электропроводность материала (вещества) связана со способностью заряженных частиц (электронов, ионов), содержащихся в этом материала, достаточно свободно перемещаться в нем. Величина электропроводности и её механизм зависят от природы (строения) данного вещества, его химического состава, агрегатного состояния, а также от физических условий, прежде всего таких, как температура.

Электропроводность (G) однородного проводника постоянного сечения вычисляется по формуле:

Электропроводность (G) однородного проводника постоянного сечения вычисляется по формуле

где σ – удельная электропроводность вещества проводника, выраженная в сименсах на метр (См/м) или в Ом−1·м−1,

l – длина проводника, выраженная в метрах,

S – площадь сечения, м².

В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения электрической проводимости является сименс, определяемый как 1 См = 1 Ом−1, то есть как электрическая проводимость участка электрической цепи сопротивлением 1 Ом.

 

 

Источник: https://ru.wikipedia.org

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com