Presentation om ämnet ledare och dielektrikum. Presentation om ämnet "Ledare i ett elektriskt fält." Det finns fria elektroner
Ledare i ett elektriskt fält Fria laddningar - laddade partiklar av samma tecken, som kan röra sig under påverkan elektriskt fält Bundna laddningar är motsatta laddningar som är en del av atomer (eller molekyler) som inte kan röra sig under påverkan av ett elektriskt fält oberoende av varandra. ämnen ledare dielektriska halvledare
Vilket medium som helst försvagar det elektriska fältets styrka
De elektriska egenskaperna hos ett medium bestäms av rörligheten hos laddade partiklar i det
Ledare: metaller, lösningar av salter, syror, fuktig luft, plasma, människokroppen
Detta är en kropp som innehåller en tillräcklig mängd gratis elektriska laddningar, som kan röra sig under påverkan av ett elektriskt fält.
Om man för in en oladdad ledare i ett elektriskt fält börjar laddningsbärarna röra sig. De är fördelade så att det elektriska fältet de skapar är motsatt det yttre fältet, det vill säga fältet inuti ledaren kommer att försvagas. Avgifterna kommer att omfördelas tills villkoren för jämvikt mellan laddningar på ledaren är uppfyllda, det vill säga:
en neutralledare som införs i ett elektriskt fält bryter spänningslinjerna. De slutar vid negativa inducerade laddningar och börjar vid positiva
Fenomenet med rumslig separation av laddningar kallas elektrostatisk induktion. Självfältet för de inducerade laddningarna kompenserar för det yttre fältet inuti ledaren med en hög grad av noggrannhet.
Om ledaren har ett inre hålrum kommer fältet att saknas inne i hålrummet. Denna omständighet används när man organiserar skydd av utrustning från elektriska fält.
Elektrifieringen av en ledare i ett externt elektrostatiskt fält genom separation av positiva och negativa laddningar som redan finns i den i lika stora mängder kallas fenomenet elektrostatisk induktion, och de omfördelade laddningarna själva kallas inducerade. Detta fenomen kan användas för att elektrifiera oladdade ledare.
En oladdad ledare kan elektrifieras genom kontakt med en annan laddad ledare.
Fördelningen av laddningar på ledarnas yta beror på deras form. Den maximala laddningstätheten observeras vid punkterna, och inuti urtagen reduceras den till ett minimum.
Egenskapen hos elektriska laddningar att koncentreras i ytskiktet av en ledare har funnit tillämpning för att erhålla betydande potentialskillnader genom elektrostatisk metod. I fig. ett diagram över en elektrostatisk generator som används för att accelerera elementarpartiklar visas.
En sfärisk ledare 1 med stor diameter är placerad på en isolerande pelare 2. En sluten dielektrisk tejp 3 rör sig inuti pelaren och driver trummor 4. Från en högspänningsgenerator överförs en eklektisk laddning genom ett system av spetsiga ledare 5 till tejp, på baksidan av tejpen finns jordningsplatta 6. Laddningar från tejpen avlägsnas med ett system av punkter 7 och rinner ut på den ledande sfären. Den maximala laddningen som kan ackumuleras på en sfär bestäms av läckage från den sfäriska ledarens yta. I praktiken, med generatorer av liknande design, med en sfärdiameter på 10–15 m, är det möjligt att erhålla en potentialskillnad i storleksordningen 3–5 miljoner volt. För att öka sfärens laddning placeras ibland hela strukturen i en låda fylld med komprimerad gas, vilket minskar intensiteten av jonisering.
http://www.physbook.ru/images/0/02/Img_T-68-004.jpg
http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/elmag/uchpos/text/2_2.html
http://www.ido.rudn.ru/nfpk/fizika/electro/course_files/el13.JPG
Bild 2
Ledare och dielektrika i ett elektriskt fält Laddade partiklar som kan röra sig fritt i ett elektriskt fält kallas fria laddningar och ämnen som innehåller dem kallas ledare. Ledare är metaller, flytande lösningar och smälta elektrolyter. Fria laddningar i en metall är elektronerna i de yttre skalen av atomer som har tappat kontakten med dem. Dessa elektroner, som kallas fria elektroner, kan röra sig fritt genom metallkroppen i vilken riktning som helst. Under elektrostatiska förhållanden, d.v.s. när elektriska laddningar är orörliga, är den elektriska fältstyrkan inuti ledaren alltid noll. Faktum är att om vi antar att det fortfarande finns ett fält inuti ledaren, kommer de fria laddningarna i den att påverkas av elektriska krafter som är proportionella mot fältstyrkan, och dessa laddningar kommer att börja röra sig, vilket betyder att fältet kommer att upphöra att vara elektrostatisk. Det finns alltså inget elektrostatiskt fält inuti ledaren.
Bild 3
Ämnen som inte har några gratis laddningar kallas dielektriska eller isolatorer. Exempel på dielektrikum inkluderar olika gaser, vissa vätskor (vatten, bensin, alkohol, etc.), såväl som många fasta ämnen (glas, porslin, plexiglas, gummi, etc.). Det finns två typer av dielektrikum - polära och icke-polära. I en polär dielektrisk molekyl är positiva laddningar huvudsakligen belägna i ena delen (”+”-polen), och negativa laddningar finns i den andra (-”-polen). I ett opolärt dielektrikum är positiva och negativa laddningar lika fördelade över hela molekylen. Elektriskt dipolmoment är en vektorfysisk storhet som kännetecknar de elektriska egenskaperna hos ett system av laddade partiklar (laddningsfördelning) i betydelsen fältet det skapar och effekten av yttre fält på det. Det enklaste systemet av laddningar som har ett visst (oberoende av valet av ursprung) dipolmoment som inte är noll är en dipol (tvåpunktspartiklar med motsatta laddningar av samma storlek)
Bild 4
Det absoluta värdet av det elektriska dipolmomentet för en dipol är lika med produkten av den positiva laddningens storlek och avståndet mellan laddningarna och är riktat från den negativa laddningen till den positiva, eller: där q är laddningarnas storlek , l är en vektor med början i den negativa laddningen och slutet i den positiva. För ett system med N partiklar är det elektriska dipolmomentet: Systemenheterna för att mäta det elektriska dipolmomentet har inget speciellt namn. I SI är det helt enkelt Kl·m. Molekylernas elektriska dipolmoment mäts vanligtvis i debyes: 1 D = 3,33564·10−30 Cm.
Bild 5
Dielektrisk polarisation. När ett dielektrikum förs in i ett yttre elektriskt fält sker en viss omfördelning av laddningarna som utgör atomerna eller molekylerna i det. Som ett resultat av sådan omfördelning uppträder överskott av okompenserade bundna laddningar på ytan av det dielektriska provet. Alla laddade partiklar som bildar makroskopiskt bundna laddningar är fortfarande en del av deras atomer. Bundna laddningar skapar ett elektriskt fält, som inuti dielektrikumet är riktat motsatt vektorn för den yttre fältstyrkan. Denna process kallas dielektrisk polarisering. Som ett resultat visar sig det totala elektriska fältet inuti dielektrikumet vara mindre än det yttre fältet i absolut värde. En fysisk storhet som är lika med förhållandet mellan modulen för den externa elektriska fältstyrkan i vakuum E0 och modulen för den totala fältstyrkan i ett homogent dielektrikum E kallas för ämnets dielektriska konstant:
Bild 6
Det finns flera mekanismer för polarisering av dielektrikum. De viktigaste är orientering och deformationspolarisering. Orienterings- eller dipolpolarisering uppstår i fallet med polära dielektrika som består av molekyler där distributionscentrumen för positiva och negativa laddningar inte sammanfaller. Sådana molekyler är mikroskopiska elektriska dipoler - en neutral kombination av två laddningar, lika stora och motsatta i tecken, belägna på något avstånd från varandra. Till exempel har en vattenmolekyl, såväl som molekyler av ett antal andra dielektrika (H2S, NO2, etc.) ett dipolmoment. I frånvaro av ett externt elektriskt fält är axlarna för molekylära dipoler slumpmässigt orienterade på grund av termisk rörelse, så att den elektriska laddningen på ytan av dielektrikumet och i alla volymelement är i genomsnitt noll. När ett dielektrikum införs i ett externt fält uppstår en partiell orientering av molekylära dipoler. Som ett resultat uppstår okompenserade makroskopiska bundna laddningar på ytan av dielektrikumet, vilket skapar ett fält riktat mot det yttre fältet
Bild 7
Polariseringen av polära dielektrika beror starkt på temperaturen, eftersom den termiska rörelsen av molekyler spelar rollen som en desorienterande faktor. Figuren visar att i ett yttre fält verkar motsatt riktade krafter på motsatta poler av en polär dielektrisk molekyl, som försöker rotera molekylen längs fältstyrkevektorn.
Bild 8
Deformationsmekanismen (eller elastisk) manifesterar sig under polariseringen av opolära dielektrika, vars molekyler inte har ett dipolmoment i frånvaro av ett externt fält. Under elektronisk polarisering under påverkan av ett elektriskt fält deformeras de elektroniska skalen av opolära dielektrika - positiva laddningar förskjuts i vektorns riktning och negativa laddningar i motsatt riktning. Som ett resultat förvandlas varje molekyl till en elektrisk dipol, vars axel är riktad längs det yttre fältet. Okompenserade bundna laddningar uppträder på ytan av dielektrikumet och skapar ett eget fält riktat mot det yttre fältet. Det är så polariseringen av ett opolärt dielektrikum uppstår. Ett exempel på en opolär molekyl är metanmolekylen CH4. I denna molekyl är den fyrdubbla joniserade koljonen C4– belägen i mitten av en vanlig pyramid, vid vars hörn det finns vätejoner H+. När ett externt fält appliceras, förskjuts koljonen från pyramidens centrum, och molekylen utvecklar ett dipolmoment som är proportionellt mot det yttre fältet.
Bild 9
När det gäller fasta kristallina dielektrika observeras en typ av deformationspolarisation - den så kallade joniska polariseringen, där joner av olika tecken som utgör kristallgittret, när ett externt fält appliceras, förskjuts i motsatta riktningar, som ett resultat av vilka bundna (okompenserade) laddningar uppträder på kristallytorna. Ett exempel på en sådan mekanism är polariseringen av en NaCl-kristall, där Na+- och Cl–-jonerna bildar två subgitter kapslade inuti varandra. I frånvaro av ett externt fält är varje enhetscell i en NaCl-kristall elektriskt neutral och har inget dipolmoment. I ett externt elektriskt fält är båda subgittren förskjutna i motsatta riktningar, d.v.s. kristallen är polariserad.
Bild 10
Figuren visar att ett externt fält verkar på en molekyl av ett opolärt dielektrikum och rör sig motsatta laddningar inuti det i olika riktningar, som ett resultat av vilket denna molekyl blir lik en molekyl av ett polärt dielektrikum, orienterad längs fältlinjerna. Deformationen av opolära molekyler under påverkan av ett externt elektriskt fält beror inte på deras termiska rörelse, därför beror polariseringen av ett opolärt dielektrikum inte på temperaturen.
Bild 11
Grunderna i bandteorin om fasta ämnen Bandteorin är en av huvuddelarna i kvantteorin om fasta ämnen, som beskriver elektronernas rörelse i kristaller, och är grunden för den moderna teorin om metaller, halvledare och dielektrikum. Energispektrumet för elektroner i ett fast ämne skiljer sig väsentligt från energispektrumet för fria elektroner (som är kontinuerligt) eller spektrumet av elektroner som tillhör enskilda isolerade atomer (diskret med en specifik uppsättning tillgängliga nivåer) - det består av individuella tillåtna energiband åtskilda av förbjudna energiband. Enligt Bohrs kvantmekaniska postulat kan energin hos en elektron i en isolerad atom ta strikt diskreta värden (elektronen har en viss energi och är belägen i en av orbitalen).
Bild 12
I fallet med ett system med flera atomer förenade av en kemisk bindning delas de elektroniska energinivåerna i en mängd som är proportionell mot antalet atomer. Måttet på splittringen bestäms av interaktionen elektronskal atomer. Med en ytterligare ökning av systemet till den makroskopiska nivån blir antalet nivåer mycket stort, och skillnaden i energierna hos elektroner som finns i angränsande orbitaler är på motsvarande sätt mycket liten - energinivåerna delas upp i två nästan kontinuerliga diskreta mängder - energi zoner.
Bild 13
Det högsta av de tillåtna energibanden i halvledare och dielektrika, där vid en temperatur på 0 K alla energitillstånd är upptagna av elektroner, kallas valensbandet, nästa är ledningsbandet. Baserat på principen om det relativa arrangemanget av dessa zoner delas alla fasta ämnen in i tre stora grupper: ledare - material där ledningsbandet och valensbandet överlappar varandra (det finns inget energigap), vilket bildar en zon som kallas ledningsbandet (därmed , kan elektronen röra sig fritt mellan dem, efter att ha fått vilken som helst tillåten låg energi); dielektrika - material där zonerna inte överlappar varandra och avståndet mellan dem är mer än 3 eV (för att överföra en elektron från valensbandet till ledningsbandet krävs betydande energi, så dielektrika leder praktiskt taget inte ström); halvledare - material i vilka banden inte överlappar varandra och avståndet mellan dem (bandgap) ligger i intervallet 0,1–3 eV (för att överföra en elektron från valensbandet till ledningsbandet krävs mindre energi än för ett dielektrikum, därför är rena halvledare svagt ledande).
Bild 14
Bandgapet (energigapet mellan valens- och ledningsbanden) är en nyckelstorhet i bandteorin och bestämmer de optiska och elektriska egenskaperna hos ett material. Övergången av en elektron från valensbandet till ledningsbandet kallas processen för generering av laddningsbärare (negativ - elektron och positiv - hål), och den omvända övergången kallas rekombinationsprocessen.
Bild 15
Halvledare är ämnen vars bandgap är i storleksordningen flera elektronvolt (eV). Till exempel kan diamant klassificeras som en halvledare med breda gap, och indiumarsenid kan klassificeras som en halvledare med smala gap. Halvledare inkluderar många kemiska grundämnen(germanium, kisel, selen, tellur, arsenik och andra), ett stort antal legeringar och kemiska föreningar (galliumarsenid, etc.). Den vanligaste halvledaren i naturen är kisel, som utgör nästan 30 % av jordskorpan. En halvledare är ett material som vad gäller sin ledningsförmåga intar en mellanposition mellan ledare och dielektrikum och som skiljer sig från ledare genom att konduktiviteten är starkt beroende av koncentrationen av föroreningar, temperatur och exponering för olika typer av strålning. Den huvudsakliga egenskapen hos en halvledare är en ökning av elektrisk ledningsförmåga med ökande temperatur.
Bild 16
Halvledare kännetecknas av både ledares och dielektriska egenskaper. I halvledarkristaller behöver elektroner cirka 1-2 10−19 J (ungefär 1 eV) energi för att frigöras från en atom mot 7-10 10−19 J (cirka 5 eV) för dielektrikum, vilket kännetecknar den största skillnaden mellan halvledare och dielektrikum. Denna energi uppträder i dem när temperaturen ökar (till exempel vid rumstemperatur är energinivån för atomernas termiska rörelser 0,4·10−19 J), och individuella elektroner får energi som ska separeras från kärnan. De lämnar sina kärnor och bildar fria elektroner och hål. Med ökande temperatur ökar antalet fria elektroner och hål, därför minskar den elektriska resistiviteten i en halvledare som inte innehåller föroreningar. Konventionellt betraktas element med en elektronbindningsenergi på mindre än 2-3 eV som halvledare. Elektronhålskonduktivitetsmekanismen manifesterar sig i naturliga (det vill säga utan föroreningar) halvledare. Det kallas den inneboende elektriska ledningsförmågan hos halvledare.
Bild 17
Sannolikheten för elektronövergång från valensbandet till ledningsbandet är proportionell mot (-Eg/kT), där Eg är bandgapet. Vid ett stort värde på Eg (2-3 eV) visar sig denna sannolikhet vara mycket liten. Sålunda har uppdelningen av ämnen i metaller och icke-metaller en mycket bestämd grund. Däremot har inte uppdelningen av icke-metaller i halvledare och dielektriska en sådan grund och är rent villkorad.
Bild 18
Inneboende och föroreningskonduktivitet Halvledare där fria elektroner och "hål" uppstår under joniseringen av de atomer som hela kristallen är uppbyggd av kallas halvledare med inneboende konduktivitet. I halvledare med inneboende konduktivitet är koncentrationen av fria elektroner lika med koncentrationen av "hål". Orenhetskonduktivitet Kristaller med orenhetskonduktivitet används ofta för att skapa halvledarenheter. Sådana kristaller tillverkas genom att införa föroreningar med atomer av ett femvärt eller trevärt kemiskt element
Bild 19
Elektroniska halvledare (n-typ) Termen "n-typ" kommer från ordet "negativ", som syftar på den negativa laddningen hos majoritetens bärare. En förorening av en femvärd halvledare (till exempel arsenik) läggs till en fyrvärd halvledare (till exempel kisel). Under interaktionen går varje föroreningsatom in i en kovalent bindning med kiselatomer. Det finns dock ingen plats för den femte elektronen i arsenikatomen i mättade valensbindningar, och den bryts av och blir fri. I det här fallet utförs laddningsöverföringen av en elektron, inte ett hål, det vill säga denna typ av halvledare leder elektrisk ström som metaller. Föroreningar som läggs till halvledare, vilket gör att de blir halvledare av n-typ, kallas donatorföroreningar.
Bild 20
Hålhalvledare (p-typ) Termen "p-typ" kommer från ordet "positiv", som betecknar den positiva laddningen av majoritetsbärarna. Denna typ av halvledare, förutom föroreningsbasen, kännetecknas av konduktivitetens hålkaraktär. En liten mängd atomer av ett trevärt element (som indium) tillsätts till en fyrvärd halvledare (som kisel). Varje föroreningsatom upprättar en kovalent bindning med tre närliggande kiselatomer. För att upprätta en bindning med den fjärde kiselatomen har indiumatomen ingen valenselektron, så den tar tag i en valenselektron från den kovalenta bindningen mellan närliggande kiselatomer och blir en negativt laddad jon, vilket resulterar i bildandet av ett hål. De föroreningar som tillsätts i detta fall kallas acceptorföroreningar.
Bild 21
Bild 22
Fysikaliska egenskaper halvledare är de mest studerade i jämförelse med metaller och dielektrika. I stor utsträckning underlättas detta av ett stort antal effekter som inte kan observeras i varken ett eller annat ämne, främst relaterade till strukturen av bandstrukturen hos halvledare och närvaron av ett ganska smalt bandgap. Halvledarföreningar är indelade i flera typer: enkla halvledarmaterial - de kemiska grundämnena i sig: bor B, kol C, germanium Ge, kisel Si, selen Se, svavel S, antimon Sb, tellur Te och jod I. Germanium, kisel och selen. Resten används oftast som dopmedel eller som komponenter i komplexa halvledarmaterial. Gruppen av komplexa halvledarmaterial inkluderar kemiska föreningar som har halvledaregenskaper och inkluderar två, tre eller flera kemiska element. Naturligtvis är det främsta incitamentet för att studera halvledare produktionen av halvledarenheter och integrerade kretsar.
Bild 23
Tack för din uppmärksamhet!
Visa alla bilder
1. I avsaknad av ett yttre fält fördelas partiklar inuti ämnet på ett sådant sätt att det elektriska fältet de skapar är noll. 2. I närvaro av ett externt fält sker en omfördelning av laddade partiklar, och ett ämnes eget elektriska fält uppstår, som består av det externa E0-fältet och det inre E/ som skapas av ämnets laddade partiklar? Vilka ämnen kallas ledare? 3. Konduktörer -
- ämnen med närvaro av gratis laddningar som deltar i termisk rörelse och kan röra sig genom hela ledarens volym
- 4. I frånvaro av ett externt fält i ledaren kompenseras den "-" fria laddningen av "+"-laddningen av jongittret. I ett elektriskt fält, uppstår omfördelning gratis avgifter, som ett resultat av vilka okompenserade "+" och "-" laddningar visas på dess yta
- Denna process kallas elektrostatisk induktion, och laddningarna som uppträder på ytan av ledaren är induktionsavgifter.
- 8. Det finns inga gratis elektriska laddningar i dielektrikum (isolatorer). De består av neutrala atomer eller molekyler. Laddade partiklar i en neutral atom är bundna till varandra och kan inte röra sig under påverkan av ett elektriskt fält genom hela dielektrikumets volym.
- Vatten, alkohol,
- kväveoxid (4)
- inerta gaser, syre, väte, bensen, polyeten.
- A) Potentiell energi av laddningar
- B) Kinetisk energi för laddningar
- B) noll
- A) Dessa är ämnen i vilka laddade partiklar inte kan röra sig under påverkan av ett elektriskt fält.
- B) Detta är ämnen i vilka laddade partiklar kan röra sig under påverkan av ett elektriskt fält.
- A) Detta är en förskjutning av positiva och negativa bundna laddningar av dielektrikumet i motsatta riktningar
- B) Detta är en förskjutning av positiva och negativa bundna laddningar av dielektrikumet i en riktning
- B) Detta är arrangemanget av positiva och negativa laddningar av dielektrikumet i mitten
- A) inuti ledaren
- B) På dess yta
- 8. Icke-polära dielektrika är dielektrika där distributionscentrumen för positiva och negativa laddningar...
- A) Det faktum att det elektriska fältet inuti ledaren är maximalt.
- B) på det faktum att det inte finns något elektriskt fält inuti ledaren
- A) Detta är ett positivt laddat system av laddningar
- B) Detta är ett negativt laddat system av laddningar
- B) Detta är ett neutralt system av avgifter
Bild 1
Ledare är ämnen i vilka det finns många fria laddade partiklar. Till exempel i metaller är dessa elektroner i det yttre skalet, som är mycket svagt förbundna med atomkärnorna och därför faktiskt tillhör metallledaren som helhet. Detta är den så kallade elektrongasen. Det är just på grund av närvaron av laddade partiklar som kan röra sig fritt genom hela volymen av en metallledare som det inte finns något elektriskt fält inuti metaller. Det finns inget elektriskt fält i andra ledare heller. Tänk på det elektriska fältet inuti en metallledare...
Bild 2
Bild 3
Därför att E0 = E1, sedan E = E0-E1= 0 Det finns inget elektriskt fält inuti ledaren
Bild 4
När laddningar är i jämvikt finns det inget elektriskt fält inuti ledaren, och laddningarna ligger på dess yta.
Bild 5
Dielektrik
Dessa är ämnen som inte har några fria laddade partiklar inuti sig. Det är nödvändigt att skilja mellan polära dielektrika, där mitten av den positiva och negativa laddningen inte sammanfaller. I opolär dielektrik sammanfaller mitten av den positiva och negativa laddningen. I ett elektriskt fält blir vilket dielektriskt material som helst polärt.
Bild 6
Dipol
Detta är ett system av två sammankopplade motsatta laddningar, där mitten av den positiva och negativa laddningen inte sammanfaller. En dipol placerad i ett elektriskt fält utsätts för ett vridmoment, vilket får den att orientera sig längs fältet. M=F٠L, där L är avståndet mellan centra för bundna laddningar.
