Характеристика электропроводности – Электропроводность — Википедия

Электрофизические характеристики материалов. Электропроводность.


⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 28Следующая ⇒

Электропроводность присуща всем материалам, без исключения. Дело в том, что заряды присутствуют в любых, даже самых идеальных диэлектриках, не говоря уже о металлах и полупроводниках. В этой лекции будут рассмотрены следующие вопросы:

Основное уравнение электропроводности.

Электропроводность проводников, полупроводников и диэлектриков

Проводимость жидких диэлектриков и электролитов.

Основное уравнение электропроводности.

Способность любых материалов проводить электрический ток определяется наличием зарядов в нем и возможностью их движения. Можно написать наиболее общую формулу, для плотности тока j верную для любых сред,

j = S ni·qi·Vi (2.1)

Здесь i - тип или cорт заряда, (например электроны, ионы различных молекул, молионы, заряженные частицы и т.п.), n

i - концентрация зарядов i-cорта, qi - значение заряда, Vi - скорость носителей заряда.

Чтобы разобраться с электропроводностью разных материалов, необходимо понять, какие в них плотности (концентрации) заряда, как они появляются и от чего они зависят, какие величины зарядов, с какими скоростями могут двигаться. Все это главные вопросы в изучении электропроводности.

Для всех сред, за исключением вакуума, скорость носителей пропорциональна напряженности поля

Vi = bi·E (2.2),

где bi - подвижность носителей заряда.

Подвижностью носителейзаряда называется коэффициент пропорциональности между скоростью носителей заряда Vi и напряженностью поля E.
Размерность подвижности - м2/(В с). Фактически подвижность численно равна скорости носителей заряда при напряженности поля 1 В/м.

Типы носителей заряда и их подвижность могут быть разными в различных средах. Подвижность носителей также сильно зависит от среды. Выражение (2.1) можно переписать, используя другие термины

j = s·E, s = S·ni·qi

·mi (2.3)

Здесь s - удельная электропроводность. Еще один вариант записи выражения (2.3)

j = E/r (2.4)

где r - удельное сопротивление.

Нетрудно убедиться, что это все разные способы записи закона Ома в дифференциальной форме, для локальных параметров электрической цепи. Вы знаете, что для участка цепи закон Ома можно записать в виде I = U/R. Нетрудно убедиться, что для участка цепи, используя (2.4), площадь сечения участка S, длину lнесложно получить классическое выражение для закона Ома. Для этого обе части в (2.4) умножаем на S, затем в правой части числитель и знаменатель умножаем на l. Получим в левой части ток, в числителе правой части напряжение, а если S перенести в знаменатель, то в знаменателе получим сопротивление. Таким образом мы доказали идентичность закона Ома в дифференциальной форме и в классической форме.

Электропроводность проводников, полупроводников и диэлектриков.

В начало лекции

Анализ выражений (2.2 - 2.4) проведем с учетом природы и поведения носителей заряда в различных средах. В первую очередь необходимо выяснить механизмы появления и исчезновения зарядов.

Сначала необходимо рассмотреть электронное строение разных сред.
В газахэлектроны находятся на орбитах, принадлежащих конкретным атомам, или молекулам. Согласно квантовой модели атома, электрон может находиться только на определенных орбитах, которым соответствуют определенные, квантованные уровни энергии. На каждом уровне может находиться только один электрон. Электрон, находящийся на уровне, соответствующем самой дальней орбите, имеет самую слабую связь с ядром. Поэтому он легче всего ионизируется, т.е отрывается от ядра.

Энергия, которую надо сообщить электрону, находящемуся в основном состоянии, для отрыва от "материнского" иона называется энергией ионизации W.

Чтобы оторвать второй электрон, надо сообщить ему гораздо больше энергии. Это второй уровень ионизации. Существует несколько уровней возбуждения, т.е. если сообщить электрону, энергию меньшую, чем энергия ионизации, то электрон перейдет на какой-либо уровень возбуждения. Все уровни дискретны. Их можно схематически изобразить на рисунке.

При сближении, допустим, двух атомов с одинаковыми энергетическими уровнями до расстояния, когда орбиты перекрываются, произойдет объединение электронных систем, причем каждый уровень разделится на два, которые чуть-чуть отличаются один от другого. Дело в том, что согласно законам квантовой физики, в принципе в любой системе не может быть двух одинаковых уровней. Этот принцип называется

принципом Паули. Когда объединятся три атома - будет три расщепленных уровня. Когда образуется кристалл - будет из каждого уровня образована некоторая область разрешенных энергий, которая называется зона. В принципе в зоне уровни практически сливаются и можно говорить о сплошном спектре. При этом верхняя часть зоны располагается выше, чем начальный уровень в одиночном атоме. Нижняя часть зоны располагается ниже, чем начальный уровень.

Могут возникнуть ситуации, когда из-за этого сдвига, зоны, соответствующие разным уровням, будут перекрываться. Здесь наиболее интересен случай, когда перекрывается зона, занятая электронами и зона, которая появилась из расщепленного возбужденного уровня. Именно этот случай соответствует металлам. Когда эти зоны не перекрываются, между ними существует область запрещенных энергий, т.н. запрещенная зона. В зависимости от ширины этой зоны можно говорить о полупроводниках и диэлектриках.

Для металлов зоны перекрываются и электроны могут свободно перемещаться по образцу. Ширина запрещенной зоны равна нулю. Поэтому подвижные электроны всегда существуют в металлах в большом количестве.

Можно посмотреть на это с других позиций. Дело в том, что в атомах металлов электроны достаточно слабо связаны с ионными остатками. Поэтому при образовании из атомов собственно материала металла эти электроны от разных атомов как - бы обобществляются и могут свободно передвигаться по всему объему металла. Они и являются носителями заряда. Примерное количество электронов в металле составляет около 1022 шт/см3. Их подвижность также велика. Оценки дают значения bi примерно 10-2-10-1 м2/(В ·с). Значения удельного сопротивления у металлов обычно находятся в диапазоне 0.01 мк·Ом·м до 1 мк·Ом·м.

При протекании тока в металле электрическое поле невелико. Можно сделать простую оценку по выражению (2.2). Если взять медный провод сечением 2 мм2 и пропустить ток 5 А, то при удельном сопротивлении меди =1.7 10

-8 Ом·м, получим E = j· r = 4·10-2 В/м, или E = 40 мВ/м. Если таким проводом протянуть питание на 1 км, то получим на нем падение напряжения 40 В.

В диэлектриках и полупроводниках, зонная структура такова, что существует запрещенная зона определенной ширины.

В полупроводниках ширина зоны составляет примерно от доли электрон-вольта до 3 электрон-вольт, в диэлектриках ширина зоны составляет примерно от 3 электрон-вольт до 10 электрон-вольт.

Для того, чтобы возникла электропроводность в этих веществах, заряды должны попасть из валентной, занятой электронами зоны, в зону проводимости, т.е. любой свободный носитель заряда появится, если только ему сообщить энергию, не меньшую, чем ширина запрещенной зоны.

Под действием не очень сильных электрических полей, заряды появляются, в первую очередь, путем термоионизации молекул основного вещества или примесей, либо за счет появления из электродов. Последний способ называется эмиссией носителей заряда. При всех способах в диэлектрике появляются, в основном, электроны и ионы. Оценку их концентрации ni можно сделать из общих энергетических соображений. Изменение концентрации носителей заряда определяется в соответствии с обычным законом Аррениуса

dni /dt ~ n·n·e-W/kT (2.5)

где n - плотность молекул, - частота колебаний электрона в молекуле (~10141/сек), W - энергия ионизации (ширина запрещенной зоны), k- постоянная Больцмана, Т - температура. При комнатной температуре kT~1/40 эВ.

Здесь важно учесть не только появление носителей заряда, но и их исчезновение. Механизмы исчезновения зарядов - рекомбинация электрона с ионом, уход на поверхности и электроды. Для рекомбинации можно воспользоваться выражением

dni /dt = - Krni2 (2.6)

где Kr - коэффициент рекомбинации. В равновесии количество носителей не меняется со временем, складывая (2.5) и (2.6) и приравнивая сумму нулю получим окончательное выражение.

ni = (N /Kr)1/2 ·e-W/2kT (2.7)

Оценим проводимость по (2.3) с учетом (2.7):

Твердые диэлектрики. Здесь носителями заряда могут быть электроны и дырки. Ионы "вморожены" и практически не имеют возможности движения b

i ~10-23 м2/(В ·с). Подвижность электронов и дырок достаточно высока и может достигать be~10-3 м2/(В·c). Количество электронов и дырок определяется шириной запрещенной зоны W~5-10 эВ, тепловой энергией kT~1/40 эВ, плотностью молекул n~1027шт/м3 и составляет пренебрежимо малую величину. Оценить ее ничтожность для диэлектриков можно с помощью выражения (2.5)

dni /dt ~ 1027e-200 ·1014 ~ 104120-67~10412-6710-67 ~ 104110-2010-67~10-46 шт/(м3·сек). Образование свободных носителей заряда в разумном количестве, характерном для хороших диэлектриков, практически невероятно. Рекомбинация носителей заряда в твердых телах не затруднена. Ясно, что по этому механизму проводимость твердых диэлектриков практически отсутствует, т.к. заметное изменение концентрации возможно лишь за времена, сопоставимые с геологическими периодами. Поскольку основную роль в выражениях (2.7), (2.5) играет экспоненциальный множитель, то лишь наличие примесей с энергетическими уровнями внутри запрещенной зоны, вблизи от краев зоны с W~1 эВ, дает возможность проводимости твердых тел. Поскольку таких примесей обычно немного, электропроводность диэлектриков обычно мала.

Таким образом, электропроводность диэлектриков определяется наличием примесей, уровни энергии которых, близки к уровням краев зоны проводимости или запрещенной зоны.

Полупроводники. Для полупроводников с малой шириной запрещенной зоны существенный вклад в электропроводность может дать термоионизация молекул вещества. Однако гораздо более сильную роль играют специальные, т.н. "легирующие" добавки. Дело в том, что если в полупроводник ввести примеси, энергетические уровни которых будут попадать в запрещенную зону основного вещества, то ионизация этих уровней, если они заняты и энергетически близки к зоне проводимости приведет к появлению зарядов в зоне проводимости. Если уровни не заняты, но энергетически близки к валентной зоне, то электроны могут выйти из валентной зоны и осесть на этих уровнях. Тогда в валентной зоне появятся подвижные положительно заряженные объекты, т.н. дырки.

Газообразные диэлектрики.

Рекомбинация носителей не затруднена, т.к. заряды разного знака могут беспрепятственно сближаться на близкое расстояние. В оценке считаем n ~ 1025 шт/м3, энергию ионизации W~10-20эВ, подвижность электронов be~10-3 м2/(В·c), ионов bi~10-4 м2/(В·c), заряд e = 1.6 10-19Кл. Определяющим фактором является экспоненциальный множитель e-W/kT

dni /dt ~ 1025e-400 ·1014 ~ 103920-133 ~ 10392-13310-133 ~ 103910-4010-133 ~ 10-136 шт/(м3·сек), что дает пренебрежимо малую проводимость.

На самом деле фактором, определяющим проводимость газов, является космическое излучение. Обычно в воздухе образуется порядка 1000 шт. электронов и ионов в 1 см3 за 1 сек. Часть электронов и ионов быстро рекомбинирует, часть прилипает к нейтральным молекулам, образуя долгоживущие отрицательные ионы. В равновесии в объеме газа обычно находится до 109 ионов/м3. Отсюда проводимость воздуха за счет естественной ионизации составит ~10

-14
Cм/м. Отметим, что если искусственно создавать носители заряда, то в газе можно получить высокую проводимость.


Рекомендуемые страницы:

lektsia.com

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Электропроводность металлов - Справочник химика 21

    Одно из наиболее характерных свойств металлов — высокая электропроводность, обусловленная направленным переносом их электронов в электрическом поле. С другой стороны, имеется большая группа твердых тел с молекулярной, ионной или ковалентной решеткой, которые образуют класс диэлектриков. Их электропроводность на двадцать—тридцать порядков ниже электропроводности металлов. [c.81]
    Самую большую и разнообразную группу составляют полупроводники, т. е. вещества со значениями электропроводности в интервале примерно от Ю" до 10 ом -см . К ним относятся многие простые тела (германий, кремний, бор, иод), сплавы (например, сплав цинка с сурьмой), различные неорганические соединения (окислы, сульфиды) и довольно большое число органических веществ (сложные ароматические соединения, белки, ряд синтетических полимеров). Однако особенности электрических свойств полупроводников не ограничиваются только величинами электропроводности. Одним из наиболее существенных отличий полупроводника от металла является характер зависимости электропроводности от температуры. В то время как сопротивле- [c.274]

    Электропроводность металлов сильно зависит от степени очистки металла и понижается по мере появления новых примесей, что связано с нарушением упорядоченности в кристаллической решетке и возникновением новых препятствий направленному движению электронов. Металлы по своим электрическим свойствам относятся к проводникам. [c.323]

    Металлические пигменты. Пигменты этой группы— порошки металлов, из которых наиболее широко применяются алюминиевая пудра и цинковая пыль. Ограниченное применение имеют бронзовые пудры и свинцовый порошок. Металлические пигменты по ряду свойств (электропроводность, теплостойкость, отражательная способность и др.) существенно отличаются от большинства неорганических пигментов, представляющих собой соли или оксиды. Это обусловливает и некоторые специфические области их применения. Так, при достаточном наполнении металлическими пигментами лакокрасочные покрытия приобретают электропроводящие свойства и применяются для защиты электросварных конструкций, в печатных электрических схемах, а при наполнении цинковой пылью — в качестве протекторных грунтовок [21]. [c.66]

    Растворы солей проводят электрический ток, и это их свойство сыграло чрезвычайно важную роль на первой стадии развития теорий химической связи. Электропроводность металлов обусловлена перемешением в них электронов ионы металла при протекании через него электрического тока остаются на своих местах. Кристаллические соли вообще не проводят электрический ток, но если расплавить соль, положительные и отрицательные ионы при наличии электрического напряжения могут в жидкости направленно мигрировать в противоположные стороны. Подвижность ионов соли оказывается еще большей, если соль растворена в воде и, следовательно, если ее ионы гидратированы. [c.40]

    При повышении температуры проводимость полупроводников в отличие от металлов обычно возрастает (см. 2). Электропроводность диэлектриков тоже возрастает. При температуре, близкой к абсолютному нулю, проводимость полупроводников и диэлектриков практически нулевая. По электрическим свойствам полупроводники стоят ближе к диэлектрикам, чем к металлам, от которых они имеют принципиальное качественное отличие. [c.232]

    Часть 6 — электрические свойства электропроводность металлов и твердых ионных проводников — кристаллов полупроводники свойства пьезоэлектрических кристаллов диэлектрические свойства термогальванический и другие эффекты. [c.45]

    Какие свойства этого металла предопределили его использование в электрических генераторах Конечно, пластичность меди сделала очень удобным изготовление из нее сложных изогнутых конструкций генераторов. Кроме того, очень полезным свойством меди в этом случае является ее хорошая электропроводность. При производстве столь больших дорогих машин, несомненно, хорошо и то, что медь — коррозионно-стойкий материал. [c.148]

    Практическое применение находят почти все металлы или в чистом виде, или в виде сплавов друг с другом. Их использование определяется свойствами самих металлов и сплавов. Наиболее широко применяют железо и алюминий, а также их сплавы (главы IX и X). Чистая медь имеет большую электропроводность, уступающую только серебру, и применяется для изготовления электрических проводов и радиотехнической аппаратуры. Сплавы меди с цинком называют томпаками (до 10% 2п) или латунями (10—40% 2п), а с другими металлами — бронзами. Алюминиевые бронзы (5—11% А1) обладают высокой коррозионной стойкостью и золотистым блеском служат для изготовления лент, пружин, шестерен и художественных изделий. Кремнистые бронзы (4—5% 51) обладают высокими механическими и антикоррозионными свойствами. Их применяют в химической промышленности для изготовления сеток, проводов, трубопроводов. [c.131]

    До сравнительно недавнего времени носитель рассматривали как инертную составляющую катализатора. Обычно как доказательство инертности носителей приводится отсутствие у них каталитической активности. Однако, как указывалось несколько выше, и у других типов сложных катализаторов один из компонентов может не обладать каталитической активностью. Шваб [87] показал, что при варьировании носителей для одного и того же активного компонента изменяется не только удельная каталитическая активность последнего, но и электрические свойства получаемого катализатора (электропроводность). Следовательно, влияние носителя может иметь электронную природу, что должно также вытекать из теории явлений в пограничных слоях металлов и полупроводников. [c.46]

    Электрические и оптические свойства. Наиболее важной из электрических характеристик элементарных веществ является их электропроводность. Их классификация в значительной мере основана на электропроводности металлы являются проводниками электричества первого рода, металлоиды — полупроводниками, элементарные окислители — диэлектриками, благородные газы — скользящими проводниками электричества. [c.43]

    В последнее время полупроводники стали важнейшими материалами новой техники. По определению А. М. Иоффе, полупроводники — это неметаллические проводники с электронным механизмом тока. Сходство их с металлами и состоит в одинаковом электронном механизме проводимости. Длительное прохождение электрического тока через металлы и полупроводники не изменяет их физические и химические свойства. Большой интерес к полупроводникам вызван тем, что по величинам электропроводности они занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. [c.243]

    Возможность вычисления электропроводности жидких металлов по значениям интерференционной функции и псевдопотенциала подтверждает наличие прямой связи между структурой и электрическими свойствами. На это впервые указал А. Ф. Иоффе. По мысли ученого, процесс образования электронов проводимости непосредственно связан с ближним порядком и электронной конфигурацией атомов. [c.54]

    Свойства растворов щелочных металлов в жидком аммиаке сильно зависят от концентрации. В разбавленных растворах имеются катионы металла, а вместо анионов-электроны, которые, однако, не могут свободно передвигаться, так как связаны с молекулами аммиака. Именно такие соль-ватированные электроны придают растворам красивый синий цвет. Электрический ток разбавленные растворы обычно проводят плохо, но с повышением концентрации металла, когда электроны приобретают способность перемещаться в растворе, электропроводность увеличивается исключительно сильно-иногда в триллионы раз, от 10 Ом см (что типично для диэлектриков) до 10 Ом х X см (что приближается уже к электропроводности металлов). Разбавленные и концентрированные растворы щелочных металлов в жидком аммиаке сильно различаются и по другим физическим свойствам. Иногда даже трудно поверить, что это растворы одного и того же вещества. Недаром концентрированные растворы называют жидкими металлами они имеют отчетливый металлический блеск, с золотисто-бронзовым отливом. Это свойство сохраняется также в твердом состоянии, когда раствор замораживают. [c.25]

    Некоторые физические свойства металлов в свете зонной теории. Электропроводность металлов связана, как известно, с тем, что внешнее электрическое поле, приложенное к [c.203]

    В заключение обратим внимание еще на одно обстоятельство. Химическая связь в полупроводниках проявляется почти полностью как ковалентная. Доля металлической связи незначительна. Это связано с незначительным числом носителей зарядов, ответственных за металлическую связь. Но в то же время это незначительное число носителей зарядов создает вполне измеримые электрические свойства, такие же, как у металлов. Объяснение такого различия заключается в том, что электрические свойства (например, электропроводность) определяются не только числом свободных носителей зарядов, но и их подвижностью, т. е. средней добавочной скоростью, создаваемой единичным внешним электрическим полем. У полупроводников эта подвижность имеет довольно большую величину. [c.217]

    Первичным актом гетерогенного катализа, как известно, является слабая или прочная адсорбция по меньщей мере одного из реагирующих веществ [1, 2]. С точки зрения электронной теории катализа, химическая адсорбция осуществляется путем взаимодействия электронов сорбента и сорбата. Если при этом изменяется электронное состояние катализатора, то тем самым обнаруживается связь между каталитическими и электрическими свойствами последнего. Такая связь обнаружена в ряде исследований. Р. Зурман и Г. Цеш [3] нашли соотнощение между изменением работы выхода на металлах при адсорбции атомов водорода и каталитической активностью металлов в отношении реакции рекомбинации этих атомов. Вагнер (4] рассмотрел обмен электронами между реагентами и катализатором при изучении электропроводности и предложил схему разложения закиси азота на окисных катализаторах. Исходя из того, что селективность катализатора определяется положением уровня Ферми, К. Хауффе [5] рассмотрел механизм ряда реакций на поверхности полупроводников. Связь между типом проводи- [c.81]

    Электропроводность — характерное свойство металлов (проводников первого рода), которые проводят электрический ток без химических изменений. Лучшими проводниками электричества считают серебро и медь, худшими — свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность металлов падает, а при понижении температуры снова растет. Около абсолютного нуля она стремится к бесконечности — явление сверхпроводимости. [c.240]

    Значительная часть металлических элементов в газовой фазе существует в виде нейтральных двухатомных молекул (см. рис. 5.10). Остальные металлические элементы в газовой фазе чаще всего одноатомны и электрически нейтральны. Однако все металлы, конденсируясь в жидкости и кристаллы, образуют фазы, которые являются хорошими проводниками электричества и характеризуются высокими координационными числами, как показано на рис. 5.13. Электропроводность металлов в жидком и кристаллическом состояниях почти полностью обусловлена подвижностью электронов, а не ионов. Очевидно, в конденсированном состоянии металлы содержат электроны, которые не локализованы на конкретных атомах или небольших группах атомов. Часть электронов в конденсированных металлах делокализована— эти электроны могут перемещаться по всей конденсированной фазе под действием даже небольшой разности электрических потенциалов. Свойства металлов более подробно обсуждаются в гл. 16, 17 и 33. [c.462]

    ПОЛУПРОВОДНИКИ — вещества с электронной проводимостью, величина электропроводности которых лежит между электропроводностью металлов и изоляторов. Характерной особенностью П. является положительный температурный коэффициент электропроводности (в отличие от металлов). Электропроводность П. зависит от температуры, количества и природы примесей, влияния электрического поля, света и других внешних факторов. К П. относятся простые вещества — бор, углерод (алмаз), кремний, германий, олово (серое), селен, теллур, а также соединения — карбид кремния, соединения типа filmen (инднй — сурьма, индий — мышьяк, галлий — сурьма, алюминий — сурьма), соединения двух или трех элементов, в состав которых входит хотя бы один элемент IV—VII групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева, некоторые органические вещества — полицены, азоаромати-ческие соединения, фталоцианин, некоторые свободные радикалы и др. К чистоте полупроводниковых материалов предъявляют повышенные требования, например, в германии контролируют примеси 40 элементов, в кремнии — 27 элементов и т. д. Тем не менее некоторые примеси придают П. определенные свойства и тип проводимости, а потому и являются необходимыми. Содержание примесей не должно превышать 10 —Ш %. П. применяются в приборах в виде монокристаллов с точно определенным содержанием примесей. Применение П. в различных отраслях техники, в радиотехнике, автоматике необычайно возросло в связи с большими преимуществами полупроводниковых приборов — они экономичны, надежны, имеют высокий КПД, малые размеры и др. [c.200]

    Часть 6 (1959 г.). Электрические свойства. I. Электропроводность металлов и твердых ионных проводников. Полупроводники. Диэлектрические свойства. Термогальванический и другие эффекты. [c.97]

    Электрические и оптические свойства. Наиболее характерное свойство металлов, обусловленное целиком их внутренней структурой, — электропроводность. Металлы — проводники первого рода. Способность проводить электричество обусловлена наличием в их кристаллических решетках свободных электронов, которые при наложении электрического поля на металлический проводник получают направленное движение. Для возникновения этого движения, т. е. электрического тока, достаточно даже очень небольшого напряжения поля (небольшой разности потенциалов иа концах проводника). С повышением температуры электропроводность металлов уменьшается. Это объясняется тем, что ионы, находящиеся в узлах кристаллической решетки металла, способны совершать колебательные движения, которые усиливаются с повышением температуры, что препятствует направленному движению электронов. Сильно уменьшается электропроводность при плавлении Металлов. [c.203]

    Действительно, теперь имеется метод получения таких чистых металлов — зонная плавка. Первое применение этого метода не относилось к металлам в узком смысле слова. Оказалось, что электропроводность германия и кремния практически полностью опр-еделяется наличием примесей. При помощи зонной плавки электропроводность постепенно уменьшали при возрастающей степени чистоты, и лишь при концентрации примесей 10 атомов проводимость упала до такой степени, что образцы можно было использовать для изготовления транзисторов. Оказалось возможным достигнуть степени чистоты германия 10, не принимая во внимание содержание кислорода. Но оказалось также, что в этих образцах кислород может находиться в количествах, еще легко определяемых аналитически, и, тем не менее, не оказывает заметного влияния на электрические свойства. Зонная плавка является столь эффективным методом именно потому, что ее можно провести таким образом, чтобы весьма чистый металл не соприкасался с другими веществами. Этот метод уже успешно применен к таким тугоплавким металлам, как титан и молибден, находившимся в виде свободно расположенных образцов. [c.350]

    Физические свойства металлов. Металлы в твердом и жидком состоянии обладают более или менее ярко выраженными общими физическими свойствами. Так, они хорощо проводят электричество и теплоту. Причина этого — подвижность свободных электронов в твердом и расплавленном металле. Лучшими проводника.ми теплоты и электричества являются серебро, медь и алюминий. Вследствие значительной теплопроводности и электропроводности металлы широко используют в электротехнической промышленности. По мере повышения температуры электропроводность металлов уменьшается. Нагревание усиливает колебательные движения ионов металла, вследствие чего перемещение электронов между ними затрудняется. Чистые металлы проводят электрический ток лучше, чем металлы, содержащие примеси. Примеси нарушают правильную структуру металла, что увеличивает сопротивление прохождению тока. Поэтому в качестве материала для электрических проводов используют возможно более чистые металлы. [c.192]

    Таким образом, в металлах имеются положительно заряженные ионы, электроны и небольшое количество нейтральных атомов. Этот особый тип химической связи и обусловливает наличие определенных физических свойств. Высокая электропроводность металлов объясняется наличием свободных электронов. В электрическом поле беспорядочное движение электронов становится направленным они перемещаются от отрицательного полюса к положительному. [c.390]

    С этой особенностью внутренней структуры металлов связаны их характерные физические свойства. Так как электроны в металлах не связаны с определенными ионами, то они легко могут перемещаться под влиянием уже небольшой разности потенциалов, что и обусловливает хорошую электропроводность металлов. Легкой подвижностью свободных электронов в кристаллах металлов объясняется также и их высокая теплопроводность. Поэтому по способности проводить тепло и электрический ток металлы располагаются в одном и том же порядке (рис. 56). Лучшими проводниками являются серебро, медь и алюминий. [c.285]

    Тепло- и электропроводность металлов почти на два порядка больше, чем у полимерных материалов и поэтому в случае металлов не возникает никаких проблем в отводе тепла от локального источника (например, в корпусах подшипников, плитах разъема). На практике при расчете теплопередачи к жидкостям через металлические стенки редко возникала необходимость принимать во внимание тепловое сопротивление стенки. Несколько отличная картина наблюдается в случае композиционных материалов, теплопроводность которых определяется теплопроводностью матрицы и армирующего наполнителя, причем и матрица, и наполнитель являются худшими проводниками, чем металлы, которые они могут заменять. Естественно, что с увеличением масштабов использования высокопрочных композиционных материалов появилась необходимость в получении информации об их теплофизических и электрических свойствах. [c.285]

    Электрическим свойствам кристаллического кварца посвящено много исследований. Иоффе [1] и Шапошников [2] установили, что электропроводность кристаллического кварца обусловлена в основном примесными ионами. Было замечено [3], что перенос ионов щелочных металлов через кристаллы с последующей их нейтрализацией находится в полном соответствии с законом Фарадея. [c.83]

    Часть 6 — раздел 27 — электрические свойства (электропроводность металлов и твердых ионных проводни- [c.49]

    Электрические свойства. Электропроводность К. меняется в чрезвычайно широком диапазоне разница в проводимости хороших диэлектриков и хороших проводников достигает величины порядка 10 . В К. имеют место оба крайних типа электропроводности ионная и электронная. Ионная проводимость является характерной для Na l, электронная — для металлов. Обычно в К. имеет место промежуточная форма электропроводности. К. со смешанной проводимостью, как, например, полупроводники, играют исключительную роль в технике. В теории ионной и электронной проводимости важная роль отводится дефектам структуры. В ионных соеди-шениях со стехиометрич. составом различают 4 типа [c.430]

    При образовании твердого раствора электропроводность металла снижается. При размещении в пространственной решетке растворителя чуждых атомов растворенного вещества электрическое поле решетки растворителя искажается, и рассеяние элеюронов увеличивается. Электрические свойства твердого раствора обусловлены также химическим взаимодействием компонентов. При наклепе удельное электрическое сопротивление твердых растворов, так же как и чистых металлов, повьш1ается, а при отжиге понижается. При наклепе и отжиге твердых растворов, даже слабо-концентрирюванных, их электрическое сопротивление изменяется в большей степени, чем сопротивление чистых металлов в тех же условиях. [c.58]

    Каждый, кто когда-нибудь имел дело с куском медной проволоки или железным болтом либо рассматривал свежеотрезанный кусок натрия, знает, что металлам присущи характерные физические свойства. Три только что упомянутых металла значительно отличаются друг от друга по своим физическим свойствам, однако во многом их свойства сходны. Наряду с характерным блеском металлы лучше всего характеризуются высокими электропроводностью и теплопроводностью. Если к куску металла приложено напряжение, в нем возникает электрический ток. Протекание тока через металлы не сопровождается перемещением их атомов. Электрический ток в металлах обусловлен перемещениями электронов. Электропроводные металлы характеризуются низким сопротивлением, возрастающим при повышении температуры. [c.360]

    Наличие в металлах свободных электронов обусловливает их специфические физические свойства электропроводность, теплопроводность, непрозрачность и блеск (отражательная способность). Электроны, свободно передвигаясь в металле, не могут выйти наружу из-за потенциального барьера. Для преодоления электроном этого барьера необходимо затратить работу. Если при этом затрачивается лучистая энергия, то эффект отрыва электрона вызывает так называемый фотоэлектрический эффект. Аналогичный эффект наблюдается и у го-меополярных соединений. Вырванный из молекулярной орбиты электрон, оставаясь внутри кристалла, обусловливает у последнего металлическую проводимость (внутренний фотоэлектрический эффект). В нормальных же условиях (без облучения) такие соединения не являются проводниками электрического тока ни в кристаллическом, ни в расплавленном состояниях. [c.244]

    Исследование закономерностей химической адсорбции на полупроводниковых контактах, электрические свойства которых регулируются растворением в их решетке примесей, позволяет сделать некоторые выводы о природе активных центров адсорбции и причинах изменения энергий активации с ростом заполнения поверхности. Совместно с Л. Н. Куцевой [1, см. также стр. 82 наст, сб.] и Г. И. Чижиковой [2, см. также стр. 77 наст, сб.] были исследованы окисные контакты относящиеся к разным классам полупроводников закись никеля—дырочный полупроводник и окись цинка — электронный. Электропроводность их изменялась на 5—7 порядков при растворении окислов одно-и трехвалентных металлов, оказывающих на нее противоположное влия ние. [c.73]

    Металлы в твердом и жидком состоянии обладают более или менее ярко выраженными общими фгззл ческимн свойствами. Так, они хорошо проводят электричество и теплоту. Лучшими проводниками теплоты и электричества являются серебро, медь и алюминий. Вследствие значительной теплопроводности и электропроводности металлы широко используются в электротехнической промышленности. Чистые металлы проводят электрический ток лучше, чем металлы, содержащие примеси. Примеси нарушают правильную структуру металла, что увеличивает сопротивлизие прохождению тока. Поэтому в качестве материала для электрических проводов используют возможно более чистые металлы. [c.147]

    Для изучения электронного фактора при хемосорбции некоторые экспериментальные методы оказались особенно пригодными. Два из них, а именно определение изменений электропроводности полупроводников и магнитной восприимчивости, рассмотрены в гл. 5, в частности применительно к окислам. Изменение электропроводности при хемосорбции было также изучено на очень тонких металлических пленках, например никеля [29], молибдена [30] и меди [31 ]. Электрические свойства этих пленок заметно отличаются от свойств массивного металла, и де Бур и Краак [30] отметили, что пленки проявляют некоторые особенности, характерные для полупроводников. Изменения электропроводности, которые Твигг [32] наблюдал при хемосорбции газов на серебряном катализаторе, на носителе следует отнести за счет изменения контактных сопротивлений. [c.492]

    Получение высокочистых селена и теллура в настоящее время является важной проблемой в связи со все растущей потребностью народного хозяйства в этих металлах. Элементарный селен широко используется для изготовления выпрямителей, фотоэлементов, в электронографии. Селениды и теллуриды нашли применение в качестве фотосопротивлений, люминофоров, кристаллических счетчиков. На основе селена и теллура получены сплавы с высокими термо- и фотоэлектрическими характеристиками. Однако микропримеси различных металлов, а также кислорода и галогенов оказывают большое влияние на свойства получаемых на основе селена и теллура. полупроводниковых материалов. Так, мйк-ропримеси кадмия изменяют электропроводность селена. Таллий очень сильно влияет на кристаллизацию селена. Чем больше таллия, тем более крупнозернистым получается селен. Наличие таллия также сказывается на тепло- и электропроводности селена. Примеси кислорода в селене в количествах 10 — 10- % изменяют проводимость селена. Также сильное влияние оказывают следы влаги. Известно, что галогены изменяют электрические свойства металлического селена при содержании 10 — [c.445]

    Электропроводность металлов. Изотопические эффекты в электропроводности металлов возникают главным образом по двум причинам 1) из-за изменения фононного спектра при полном изотопическом замещении атомов решётки и 2) в результате появления динамических и статических возмущений электрического поля вблизи изотопической примеси в изотонически разупорядоченном металле. Изотопические эффекты в свойствах собственно электронной подсистемы металла (форма поверхности Ферми, закон дисперсии) как ожидается должны быть незаметными. Измерения теплоёмкости металлов Li [127] и Мо [129] при низких температурах, где электронная часть теплоёмкости значительно больше решёточной, не обнаружили изотопического эффекта в электронной теплоёмкости. Этот результат согласуется с тем, что электронный спектр металла и электрон-фононное взаимодействие в первом приближении не меняются с массой изотопа. [c.76]

    Электрические свойства. Образование неупорядоченных твердых р-ров приводит к значительному понижению электропроводности С. (по сравнению с чистым металлом — основой С.) в результате рассеяния электронных волн на искажениях решетки, вызванных наличием чужеродных атомов. По мере роста степени упорядочения электронровод-пость возрастает в связи с постепенным восстановлением правильной периодичности электрич. поля внутри С., но все же остается ниже электропроводности чистого металла-основы, даже в полностью упорядоченных С. Образование интерметаллич. соединения по тем же причинам сопровождается нек-рым возрастанием электропроводности но сравнению с неупорядоченным твердым р-ром.У многих С. при низких температурах обнаружено свойство сверхпроводимости, причем даже в тех случаях, когда ни один из компонентов этих С. сам по себе не является сверхпроводником (напр., МоС или W2 ). [c.503]


chem21.info

лекции по курсу Электротехнические материалы

      Электропроводность присуща всем материалам, без исключения. Дело в том, что заряды присутствуют в любых, даже самых идеальных диэлектриках, не говоря уже о металлах и полупроводниках. В этой лекции будут рассмотрены следующие вопросы:

2.1. Основное уравнение электропроводности.

2.2. Электропроводность проводников, полупроводников и диэлектриков

2.3. Проводимость жидких диэлектриков и электролитов. 


2.1. Основное уравнение электропроводности. 

в начало лекции


      Способность любых материалов проводить электрический ток определяется наличием зарядов в нем и возможностью их движения. Можно написать наиболее общую формулу, для плотности тока j верную для любых сред, 

j = S ni·qi·V                                                                                (2.1) 

      Здесь i - тип или cорт заряда, (например электроны, ионы различных молекул, молионы, заряженные частицы и т.п.), ni - концентрация зарядов i-cорта, qi - значение заряда, Vi - скорость носителей заряда. 

     Чтобы разобраться с электропроводностью разных материалов, необходимо понять, какие в них плотности (концентрации) заряда, как они появляются и от чего они зависят, какие величины зарядов, с какими скоростями могут двигаться. Все это главные вопросы в изучении электропроводности. 

    Для всех сред, за исключением вакуума, скорость носителей пропорциональна напряженности поля 

Vi = bi·E                                                                                           (2.2),

 где bi - подвижность носителей заряда. 

Подвижностью носителей заряда называется коэффициент пропорциональности между скоростью носителей заряда Vi и напряженностью поля E. 
     Размерность подвижности -  м2/(В с). Фактически подвижность численно равна скорости носителей заряда при напряженности поля 1 В/м. 

     Типы носителей заряда и их подвижность могут быть разными в различных средах. Подвижность носителей также сильно зависит от среды. Выражение (2.1) можно переписать, используя другие термины

 j = s·E,  s = S·ni·qi·mi                                                                   (2.3) 

Здесь s - удельная электропроводность. Еще один вариант записи выражения (2.3) 

j = E/r                                                                                            (2.4) 

где r - удельное сопротивление. 

      Нетрудно убедиться, что это все разные способы записи закона Ома в дифференциальной форме, для локальных параметров электрической цепи. Вы знаете, что для участка цепи закон Ома можно записать в виде I = U/R. Нетрудно убедиться, что для участка цепи, используя (2.4), площадь сечения участка S, длину l несложно получить классическое выражение для закона Ома. Для этого обе части в (2.4) умножаем на S, затем в правой части числитель и знаменатель умножаем на l. Получим в левой части ток, в числителе правой части напряжение, а если S перенести в знаменатель, то в знаменателе получим сопротивление. Таким образом мы доказали идентичность закона Ома в дифференциальной форме и в классической форме. 


2.2. Электропроводность проводников, полупроводников и диэлектриков.

в начало лекции


       Анализ выражений (2.2 - 2.4) проведем с учетом природы и поведения носителей заряда в различных средах. В первую очередь необходимо выяснить механизмы появления и исчезновения зарядов. 

       Сначала необходимо рассмотреть электронное строение разных сред. 
       В газах электроны находятся на орбитах, принадлежащих конкретным атомам, или молекулам. Согласно квантовой модели атома, электрон может находиться только на определенных орбитах, которым соответствуют определенные, квантованные уровни энергии. На каждом уровне может находиться только один электрон. Электрон, находящийся на уровне, соответствующем самой дальней орбите, имеет самую слабую связь с ядром. Поэтому он легче всего ионизируется, т.е отрывается от ядра. 

Энергия, которую надо сообщить электрону, находящемуся в основном состоянии, для отрыва от "материнского" иона называется энергией ионизации W. 

       Чтобы оторвать второй электрон, надо сообщить ему гораздо больше энергии. Это второй уровень ионизации. Существует несколько уровней возбуждения, т.е. если сообщить электрону, энергию меньшую, чем энергия ионизации, то электрон перейдет на какой-либо уровень возбуждения. Все уровни дискретны. Их можно схематически изобразить на рисунке. 

       При сближении, допустим, двух атомов с одинаковыми энергетическими уровнями до расстояния, когда орбиты перекрываются, произойдет объединение электронных систем, причем каждый уровень разделится на два, которые чуть-чуть отличаются один от другого. Дело в том, что согласно законам квантовой физики, в принципе в любой системе не может быть двух одинаковых уровней. Этот принцип называется принципом Паули. Когда объединятся три атома - будет три расщепленных уровня. Когда образуется кристалл - будет из каждого уровня образована некоторая область разрешенных энергий, которая называется зона. В принципе в зоне уровни практически сливаются и можно говорить о сплошном спектре. При этом верхняя часть зоны располагается выше, чем начальный уровень в одиночном атоме. Нижняя часть зоны располагается ниже, чем начальный уровень. 

      Могут возникнуть ситуации, когда из-за этого сдвига, зоны, соответствующие разным уровням, будут перекрываться. Здесь наиболее интересен случай, когда перекрывается зона, занятая электронами и зона, которая появилась из расщепленного возбужденного уровня. Именно этот случай соответствует металлам. Когда эти зоны не перекрываются, между ними существует область запрещенных энергий, т.н. запрещенная зона. В зависимости от ширины этой зоны можно говорить о полупроводниках и диэлектриках. 

    Для металлов зоны перекрываются и электроны могут свободно перемещаться по образцу. Ширина запрещенной зоны равна нулю. Поэтому подвижные электроны всегда существуют в металлах в большом количестве. 

Можно посмотреть на это с других позиций. Дело в том, что в атомах металлов электроны достаточно слабо связаны с ионными остатками. Поэтому при образовании из атомов собственно материала металла эти электроны от разных атомов как - бы обобществляются и могут свободно передвигаться по всему объему металла. Они и являются носителями заряда. Примерное количество электронов в металле составляет около 1022 шт/см3. Их подвижность также велика. Оценки дают значения bi примерно 10-2-10-1 м2/(В ·с). Значения удельного сопротивления у металлов обычно находятся в диапазоне 0.01 мк·Ом·м до 1 мк·Ом·м. 

      При протекании тока в металле электрическое поле невелико. Можно сделать простую оценку по выражению (2.2). Если взять медный провод сечением 2 мм2 и пропустить ток 5 А, то при удельном сопротивлении меди =1.7 10-8 Ом·м, получим E = j· r = 4·10-2 В/м, или E = 40 мВ/м. Если таким проводом протянуть питание на 1 км, то получим на нем падение напряжения 40 В. 

      В диэлектриках и полупроводниках, зонная структура такова, что существует запрещенная зона определенной ширины. 

В полупроводниках ширина зоны составляет примерно от доли электрон-вольта до 3 электрон-вольт, в диэлектриках ширина зоны составляет примерно от 3 электрон-вольт до 10 электрон-вольт. 

Для того, чтобы возникла электропроводность в этих веществах, заряды должны попасть из валентной, занятой электронами зоны, в зону проводимости, т.е. любой свободный носитель заряда появится, если только ему сообщить энергию, не меньшую, чем ширина запрещенной зоны. 

      Под действием не очень сильных электрических полей, заряды появляются, в первую очередь, путем термоионизации молекул основного вещества или примесей, либо за счет появления из электродов. Последний способ называется эмиссией носителей заряда. При всех способах в диэлектрике появляются, в основном, электроны и ионы. Оценку их концентрации ni можно сделать из общих энергетических соображений. Изменение концентрации носителей заряда определяется в соответствии с обычным законом Аррениуса

dni/dt ~ n·n·e-W/kT                                                                            (2.5) 

где n - плотность молекул, - частота колебаний электрона в молекуле (~10141/сек), W - энергия ионизации (ширина запрещенной зоны), k- постоянная Больцмана, Т - температура. При комнатной температуре kT~1/40 эВ. 

       Здесь важно учесть не только появление носителей заряда, но и их исчезновение. Механизмы исчезновения зарядов - рекомбинация электрона с ионом, уход на поверхности и электроды. Для рекомбинации можно воспользоваться выражением

 dni/dt = - Krni 2                                                                                    (2.6) 

где Kr - коэффициент рекомбинации. В равновесии количество носителей не меняется со временем, складывая (2.5) и (2.6) и приравнивая сумму нулю получим окончательное выражение. 

ni = (N /Kr)1/2 ·e-W/2kT                                                                     (2.7) 

         Оценим проводимость по (2.3) с учетом (2.7): 

Твердые диэлектрики. Здесь носителями заряда могут быть электроны и дырки. Ионы "вморожены" и практически не имеют возможности движения bi ~10-23 м2/(В ·с). Подвижность электронов и дырок достаточно высока и может достигать be~10-3 м2/(В·c). Количество электронов и дырок определяется шириной запрещенной зоны W~5-10 эВ, тепловой энергией kT~1/40 эВ, плотностью молекул n~1027 шт/м3 и составляет пренебрежимо малую величину. Оценить ее ничтожность для диэлектриков можно с помощью выражения (2.5) 

dni/dt ~ 1027e-200 ·1014 ~ 104120-67~10412-6710-67 ~ 104110-2010-67~10-46 шт/(м3·сек). Образование свободных носителей заряда в разумном количестве, характерном для хороших диэлектриков, практически невероятно. Рекомбинация носителей заряда в твердых телах не затруднена. Ясно, что по этому механизму проводимость твердых диэлектриков практически отсутствует, т.к. заметное изменение концентрации возможно лишь за времена, сопоставимые с геологическими периодами. Поскольку основную роль в выражениях (2.7), (2.5) играет экспоненциальный множитель, то лишь наличие примесей с энергетическими уровнями внутри запрещенной зоны, вблизи от краев зоны с W~1 эВ, дает возможность проводимости твердых тел. Поскольку таких примесей обычно немного, электропроводность диэлектриков обычно мала. 

Таким образом, электропроводность диэлектриков определяется наличием примесей, уровни энергии которых, близки к уровням краев зоны проводимости или запрещенной зоны.

       Полупроводники. Для полупроводников с малой шириной запрещенной зоны существенный вклад в электропроводность может дать термоионизация молекул вещества. Однако гораздо более сильную роль играют специальные, т.н. "легирующие" добавки. Дело в том, что если в полупроводник ввести примеси, энергетические уровни которых будут попадать в запрещенную зону основного вещества, то ионизация этих уровней, если они заняты и энергетически близки к зоне проводимости приведет к появлению зарядов в зоне проводимости. Если уровни не заняты, но энергетически близки к валентной зоне, то электроны могут выйти из валентной зоны и осесть на этих уровнях. Тогда в валентной зоне появятся подвижные положительно заряженные объекты, т.н. дырки. 

        Газообразные диэлектрики. Рекомбинация носителей не затруднена, т.к. заряды разного знака могут беспрепятственно сближаться на близкое расстояние. В оценке считаем n ~ 1025 шт/м3, энергию ионизации W~10-20 эВ, подвижность электронов be~10-3 м2/(В·c), ионов bi~10-4 м2/(В·c), заряд e  = 1.6 10-19 Кл. Определяющим фактором является экспоненциальный множитель e-W/kT 

  dni/dt ~ 1025e-400 ·1014 ~ 103920-133 ~ 10392-13310-133 ~ 103910-4010-133 ~ 10-136 шт/(м3·сек), что дает пренебрежимо малую проводимость. 

На самом деле фактором, определяющим проводимость газов, является космическое излучение. Обычно в воздухе образуется порядка 1000 шт. электронов и ионов в 1 см3 за 1 сек. Часть электронов и ионов быстро рекомбинирует, часть прилипает к нейтральным молекулам, образуя долгоживущие отрицательные ионы. В равновесии в объеме газа обычно находится до 109 ионов/м3. Отсюда проводимость воздуха за счет естественной ионизации составит ~10-14 Cм/м. Отметим, что если искусственно создавать носители заряда,  то в газе можно получить высокую проводимость. 

 


2.3. Проводимость жидкостей и электролитов. 

в начало лекции


           Жидкости. Современные представления о проводимости диэлектрических жидкостей состоят в следующем. Здесь носителями заряда являются ионы, т.к. электроны легко прилипают к нейтральным молекулам жидкости и не могут существовать в свободном состоянии. Кроме того, в жидкости заряды могут переноситься молионами, частицами и даже пузырьками. Ионизация облегчена по сравнению с газами за счет большей диэлектрической проницаемости, ибо высота потенциального барьера (энергия ионизации) понижена в e раз. Это можно показать рассматривая кулоновскую энергию взаимодействия двух зарядов +e и -e, разошедшихся на расстояние r   W = e2/(4pe0er). Рекомбинация носителей заряда в жидкости затруднена, поскольку заряды взаимодействуют со средой, а именно, легко окружаются соседними молекулами, ориентированными соответствующими концами постоянных или индуцированных диполей к ионам. 

Эффект взаимодействия со средой называется сольватацией.      Ионизироваться могут молекулы основной жидкости, или примесей, если они являются ионофорами, т.е. имеющими преимущественно ионную связь между частями молекулы. Характерный пример ионофора - молекула NaCl, которую можно представить состоящей из ионов Na+ и Cl-. В жидкости молекула NaCl может растворяться и существовать сразу в виде ионов, либо ионных пар (Na+Cl). Превращение молекулы в пару ионов называется диссоциацией. Помимо ионофоров, в жидкости могут существовать ионогены, т.е. вещества, образующие ионы только при взаимодействии друг с другом. Например вода, растворенная в диэлектрической жидкости, может облегчать ионизацию других примесей, растворенных в жидкости. Оценка по выражению (1.9) степени ионизации примеси с потенциалом ионизации 4 В, растворенной в жидкости с e = 2 в количестве 1% с учетом рекомбинации (коэффициент рекомбинации Kr ~ 10-15 м3/cек) дает, что практически вся примесь оказывается диссоциированной на ионы. 

          Что касается подвижности, то она определяется движением жидкости. При этом подвижности любых ионов близки друг другу, т.к. ионы "вморожены" в жидкость и переносятся "микроструйками" жидкости. Наши эксперименты по исследованию движения носителей заряда и микропузырьков в нитробензоле под действием сильных импульсных электрических полей показали, что и пузырьки и ионы движутся при временах воздействия менее 1 мкс. Отсюда был сделан вывод, что они переносятся микроструйками, которые образуются за времена менее 1 микросекунды. Доказательством образования струек являлось зарегистрированное оптическим способом, в сочетании с электрооптическим способом, движение различных носителей заряда и пузырьков с одинаковыми скоростями. 

        Подвижность, связанная с движением жидкости, называется электрогидродинамической подвижностью. Она составляет mэгд ~ (10-7 - 10-8) м2/(В·c), т.е. на три - четыре порядка меньше подвижности ионов в газах. Оценка для вышеприведенного примера с диссоциированной примесью дает s ~10-9 Cм/м. 

        Таким образом, в жидкостях обычно проводимость больше, чем в газах и твердых телах за счет облегченной ионизации и затрудненной рекомбинации. 


       С другой стороны, отсутствие формы жидкости, легкость очистки дают возможность уменьшения электропроводности, что невозможно сделать с твердыми диэлектриками. В настоящее время существуют несколько новых технологий очистки жидкостей, например электродиализ, благодаря которым некоторые жидкости очищали до проводимости, не хуже лучших образцов твердых диэлектриков, типа янтарь, т.е. до проводимости менее  s ~ 10-19 Ом·м. 

       Еще необходимо отдельно рассмотреть электропроводность электролитов. В энергетике они применяются, в основном, в аккумуляторах. Кроме того, естественные электролиты обеспечивают электропроводность в системах заземления энергетических объектов. Дело в том, что земля имеет преимущественно электролитический характер электропроводности. 

При этом, наиболее важным видом электролитов являются водные электролиты. Вода является самым распространенным жидким веществом, кроме того, она является самым сильным растворителем и самой сильной ионизирующей средой. 

В электролитах заряды появляются в жидкости за счет электролитической диссоциации молекул на ионы. Условно все вещества, растворенные в жидкости и частично диссоциирующие на ионы делят на два типа: сильные электролиты и слабые. Сильные электролиты - вещества полностью диссоциирующие на ионы. Это соли типа NaCl, сильные кислоты типа HCl. Выше, при рассмотрении проводимости диэлектрических жидкостей они назывались ионофорами.  Слабые электролиты - малодиссоциирующие вещества, т.е. они растворяются в виде молекул, только малая часть молекул диссоциирует на ионы. Пример - спирты, органические кислоты (например, уксусная кислота). Число ионов зависит от концентрации растворенных веществ. Подвижность ионов - невелика, обычно она составляет порядка 10-8 м2/(В·с). 

        За счет большой растворяющей способности воды, обычно электропроводность влажных сред оказывается достаточно велика, т.к. растворенные вещества зачастую содержат соли, которые сильно диссоциируют. Причиной электропроводности увлажненных диэлектриков является растворение в воде различных примесей с их последующей диссоциацией на ионы. Поэтому обычно самым большим "врагом" электрической изоляции является вода, попадание которой в диэлектрик ухудшает электрофизические (конкретно - диэлектрические) характеристики материала.

sermir.narod.ru

Электропроводность диэлектриков. Виды диэлектриков, их свойства и применение

Электропроводность диэлектриков является важной физической характеристикой. Информация о ней позволяет выявлять сферы применения материалов.

Термины

По проводимости электрического тока вещества подразделяют на группы:

  • диэлектрики;
  • полупроводники;
  • проводники.

Отлично проводят ток металлы - величина их удельной электропроводимости достигает 106-108 (Ом · м)-1.

А диэлектрические материалы не способны проводить электрический ток, поэтому они применяются в качестве изоляторов. Они не имеют свободных носителей зарядов, отличаются дипольным строением молекул.

Полупроводниками же являются твердые материалы, имеющие промежуточные значения проводимости.

Классификация

Все диэлектрические материалы подразделяют на полярные и неполярные виды. У полярных изоляторов центры положительных и отрицательных зарядов смещены от центра. Молекулы таких веществ по своим электрическим параметрам аналогичны жесткому диполю, имеющему свой дипольный момент. В качестве полярных диэлектриков можно привести воду, аммиак, хлороводород.

Неполярные диэлектрики отличаются совпадением центров положительных и отрицательных зарядов. Они сходны по электрическим характеристикам упругому диполю. Примерами таких изоляторов являются водород, кислород, тетрахлорметан.

Электропроводность

Электропроводность диэлектриков объясняется присутствием в их молекулах незначительного числа свободных электронов. При смещении зарядов внутри вещества за некоторый промежуток времени, наблюдается постепенное установление равновесного положения, что и является причиной появления тока. Электропроводность диэлектриков существует в момент выключения и включения напряжения. Технические образцы изоляторов имеют максимальное количество свободных зарядов, поэтому в них появляются незначительные сквозные токи.

Электропроводность диэлектриков в случае постоянного значения напряжения вычисляется по сквозному току. Данный процесс предполагает выделение и нейтрализацию на электродах имеющихся зарядов. В случае переменного напряжения на величину активной проводимости влияет не только сквозной ток, но и активные компоненты поляризационных токов.

Электрические свойства диэлектриков зависят от плотности тока, сопротивления материала.

Твердые диэлектрики

Электропроводность твердых диэлектриков подразделяют на объемную и поверхностную. Для проведения сравнения этих параметров у различных материалов применяют значения объемного удельного и поверхностного удельного сопротивления.

Полная проводимость суммируется из двух этих величин, ее величина зависит от влажности среды и температуры окружающего воздуха. В случае продолжительной работы под напряжением, наблюдается уменьшение сквозного тока, проходящего через жидкие и твердые изоляторы.

А в случае увеличения тока через некоторый промежуток времени, можно вести речь о том, что внутри вещества будут протекать необратимые процессы, ведущие к разрушению (пробой диэлектрика).

Особенности газообразного состояния

Газообразные диэлектрики имеют незначительную электропроводность в том случае, если напряженность поля принимает минимальные значения. Возникновение тока в газообразных веществах возможно только в тех случаях, когда в них присутствуют свободные электроны либо заряженные ионы.

Газообразные диэлектрики являются качественными изоляторами, поэтому используются в современной электронике в больших объемах. Ионизация в таких веществах обуславливается внешними факторами.

Из-за соударений ионов газа, а также при термическом воздействии, ультрафиолетовом или рентгеновском действии, наблюдается и процесс образования нейтральных молекул (рекомбинация). Благодаря этому процессу ограничивается увеличение количества ионов в газе, устанавливается определенная концентрация заряженных частиц через короткий временной промежуток после воздействия внешнего источника ионизации.

В процессе возрастания напряжения, прикладываемого к газу, увеличивается движение ионов к электродам. Они не успевают рекомбинироваться, поэтому осуществляется их разряжение на электродах. При последующем повышении напряжения ток не возрастает, его именуют током насыщения.

Рассматривая неполярные диэлектрики, отметим, что воздух является совершенным изолятором.

Жидкие диэлектрики

Электропроводность жидких диэлектриков объясняется особенностями строения молекул жидкости. В неполярных растворителях существуют диссоциированные примеси, включая и влагу. В полярных молекулах проводимость электрического тока объясняется также процессом распада на ионы самой жидкости.

В этом агрегатном состоянии ток также вызывается движением коллоидных частиц. Из-за нереальности полного выведения из такого диэлектрика примесей, возникают проблемы получения жидкостей с незначительной проводимостью тока.

Все виды изоляции предполагают поиск вариантов снижения удельной проводимости диэлектриков. Например, удаляют примеси, корректируют температурный показатель. Повышение температуры вызывает снижение вязкости, возрастание подвижности ионов, рост степени тепловой диссоциации. Данные факторы воздействуют на величину удельной проводимости диэлектрических материалов.

Электропроводность твердых тел

Она объясняется перемещением не только ионов самого изолятора, но и заряженных частиц примесей, содержащихся внутри твердого материала. По мере прохождения через твердый изолятор происходит частичное удаление примесей, что постепенно сказывается на проводимости тока. Учитывая особенности строения кристаллической решетки, перемещение заряженных частиц обусловлено флуктуацией теплового движения.

При невысоких температурах происходит движение положительных и отрицательных ионов примесей. Такие виды изоляции характерны для веществ с молекулярной и атомной кристаллической структурой.

Для анизотропных кристаллов величина удельной проводимости меняется в зависимости от его осей. К примеру, в кварце в направлении, расположенном параллельно основной оси, она превышает в 1000 раз перпендикулярное положение.

В твердых пористых диэлектриках, где практически нет влаги, незначительное повышение электрического сопротивления приводит к повышению их электрического сопротивления. У веществ, которые содержат примеси, растворимые в воде, наблюдается существенное уменьшение объемного сопротивления из-за изменения влажности.

Поляризация диэлектриков

Данное явление связано с изменением положения частиц изолятора в пространстве, которое приводит к приобретению каждым макроскопическим объемом диэлектрика некоторого электрического (индуцированного) момента.

Существует поляризация, которая возникаем под воздействием внешнего поля. Также выделяют самопроизвольный вариант поляризации, появляющейся даже при отсутствии действия внешнего поля.

Относительная диэлектрическая проницаемость характеризуется:

  • емкостью конденсатора с этим диэлектриком;
  • ее величиной в вакууме.

Сопровождается этот процесс возникновением на поверхности диэлектрика связанных зарядов, которые уменьшают внутри вещества величину напряженности.

В случае полного отсутствия внешнего поля отдельный элемент объема диэлектрика не обладает электрическим моментом, поскольку сумма всех зарядов равна нулю и наблюдается совпадение отрицательных и положительных зарядов в пространстве.

Варианты поляризации

При электронной поляризации происходит смещение под воздействием внешнего поля электронных оболочек атома. В ионном варианте наблюдается смещение узлов решетки. Для дипольной поляризации характерны потери на преодоление внутреннего трения и сил связи. Структурный же вариант поляризации считается самым медленным процессом, он характеризуется ориентацией неоднородных макроскопических примесей.

Заключение

Электроизоляционные материалы представляют собой вещества, которые позволяют получать надежную изоляцию некоторых составных частей электрического оборудования, находящегося под определенными электрическими потенциалами. В сравнении с проводниками тока, у многочисленных изоляторов значительно большее электрическое сопротивление. Они способны создавать сильные электрические поля и накапливать дополнительную энергию. Именно это свойство изоляторов применяют в современных конденсаторах.

В зависимости от химического состава, их подразделяют на природные и синтетические материалы. Самой многочисленной является вторая группа, поэтому именно эти изоляторы применяют в разнообразных электрических приборах.

В зависимости от технологических характеристик, структуры, состава, выделяют пленочные, керамические, восковые, минеральные изоляторы.

При достижении величины пробивного напряжения, наблюдается пробой, приводящий к резкому возрастанию величины электрического тока. Среди характерных признаков подобного явления можно выделить незначительную зависимость прочности от напряжения и температуры, толщины.

fb.ru

Электропроводность свойства - Энциклопедия по машиностроению XXL

Электропроводность — свойство вещества проводить под действием не изменяющегося во времени электрического поля не изменяющийся во времени электрический ток.  [c.117]

Модели из электропроводной бумаги, обеспечивая достаточную точность (погрешность 2—5 %) и наглядность решения при приемлемой трудоемкости, обладают рядом недостатков, наиболее важными из которых являются сложность обеспечения и изменения граничных условий (особенно II и III рода), а также изменение во времени из-за старения электропроводных свойств бумаги и используемого при монтаже модели клея. От этих недостатков свободны электрические модели, создаваемые из сеток электрических сопротивлений.  [c.81]


Применять алюминий как конструкционный материал нз-за низкой прочности совершенно нецелесообразно, однако некоторые его свойства — высокая пластичность, коррозионная стойкость и электропроводность — позволяют весьма эффективно его использовать.1 Таким образом имеются три направления применения технического алюминия  [c.566]

Действие излучения на металлы состоит в нарушении их кристаллической решетки при упругих столкновениях с ядрами атомов тяжелых металлов и при термических преобразованиях, что приводит к изменению ряда свойств понижению пластичности и возрастанию сопротивления пластической деформации, росту электропроводности, ускорению процессов диффузии, инициированию фазовых превращений в металле.  [c.369]

Общие свойства меди и ее сплавов. Медь, помимо широкого применения в технике по причине ее высокой электропроводности, используется в химическом машиностроении в качестве конструкционного материала для изготовления разнообразной химической аппаратуры и в особенности теплообменной аппаратуры (выпарные аппараты,теплообменники,конденсаторы, испарители, змеевики и т. п.). Объясняется это высокой теплопроводностью меди и ее сплавов, их благоприятными физико-механическими свойствами при достаточно высокой  [c.245]

Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением свойств металлов или сплавов удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств механических и химических свойств и т. д.  [c.41]

Связь между свойствами и диаграммой состояния. В сплавах с ограниченной растворимостью свойства при концентрациях, отвечающих однофазному твердому раствору, изменяются по криволинейной зависимости, а в двухфазной области по прямой (см. рис. 60), Крайние точки на прямой отвечают свойствам предельно насыщенных твердых растворов. При образовании гетерогенной структуры [например, (а + Р)-фаз I, некоторые свойства (твердость, прочность, электропроводность и др,) изменяются по правилу аддитивности.  [c.100]

Медь — химический элемент 1 группы Периодической системы элементов, порядковый номер 29, атомная масса 63,54. Медь — металл красного, в изломе розового цвета. Температура плавления 1083 " С. Кристаллическая г. ц. к. решетка с периодом а = 0,36074 нм. Плотность меди 8,94 г/см Медь обладает наибольшей (после серебра) электропроводностью и теплопроводностью Удельное электросопротивление меди составляет 0,0178 мкОм-м. В зависимости от чистоты медь поставляют следующих марок МОО (99,99 % Си), МО (99,95 % Си), Ml (99,9 % Си), М2 (99,7 % Си), М3 (99,5 % Си) и М4 (99,0 % uV Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на ее свойства.  [c.342]

Чистые металлы, как правило, не отвечают необходимым требованиям, предъявляемым к материалам для деталей современных машин. Поэтому наибольшее применение в технике получили не чистые металлы, а их сплавы. Однако наряду с увеличением количества сплавов и усложнением их состава для атомной, электронной и других отраслей новой техники особое значение приобретают металлы высокой чистоты. Сплавы по сравнению с металлами отличаются более высокой прочностью. Но они обладают меньшими пластичностью, электропроводностью и другими физическими свойствами.  [c.29]

На диаграммах состав — свойство ось абсцисс характеризует состав, а ось ординат — свойства при постоянной температуре (например, твердость, электропроводность, плотность и др.).  [c.50]

Основные свойства чистого Си следующие плотность 8,9 г см , температура плавления 1083 С, электропроводность 0,65 (мком-м) . Си обладает кристаллической решеткой К12 с параметром 0,36 нм (рис.  [c.289]

В1, РЬ, 8 и др. незначительно влияют на электропроводность Си, но резко ухудшают механические свойства и являются вредными примесями. В1 и РЬ почти нерастворимы в Си и образуют легкоплавкие эвтектики (рис. 16.3).  [c.289]

Участок и начинается после точки Л, когда диаграмма становится криволинейной. Однако до точки В деформации остаются упругими, т. е. при разгрузке образец восстанавливает свою первоначальную форму и размеры. При дальнейшем увеличении нагрузки за точкой В появляются неупругие деформации. В точке С начинается процесс деформации детали без увеличения внешней нагрузки. Этот процесс называется процессом текучести материала. В зоне текучести у стальных образцов существенно меняются электропроводность и магнитные свойства. Поверхность полированного образца покрывается линиями, наклоненными к его оси (линии Чернова).  [c.133]

Основные свойства упругих элементов. Требования, предъявляемые к упругим элементами, зависят от их назначения, условий работы и точности механизмов. Однако упругие элементы разного назначения обладают рядом общих свойств. Точность работы механизмов во многом зависит от стабильности упругих характеристик пружин, достигаемой за счет использования высококачественных материалов при их изготовлении. Кроме того, упругие элементы приборов должны обладать достаточной прочностью и выносливостью, а в ряде случаев электропроводностью и устойчивостью к агрессивным средам.  [c.460]

Начало пластической деформации соответствует наступлению некоторого критического состояния металла, которое можно обнаружить не только по остаточным деформациям, но и по другим признакам. При пластической деформации повышается температура образца у стали изменяются электропроводность и магнитные свойства на полированной поверхности образцов, особенно плоских, заметно потускнение, являющееся результатом появления густой сетки линий, носящих название линий Чернова (линий Людерса). Последние наклонены к оси образца приблизительно под углом 45 (рис. 101, а) и представляют собой микроскопические неровности, возникающие вследствие сдвигов в тех плоскостях кристаллов, где действуют наибольшие касательные напряжения. В результате сдвигов по наклонным плоскостям образец получает остаточные деформации. Механизм образования их упрощенно показан на рис. 101, 6.  [c.93]

Латуни характеризуются хорошим сопротивлением коррозии, электропроводностью, достаточной прочностью и особо хорошими технологическими свойствами. Применяют литейные латуни, обладающие высокими литейными качествами, и латуни, обрабатываемые давлением, допускающие обработку в холодном состоянии и  [c.35]

В главе о дисперсии. Действительно, взяв для меди, например, статическое значение электропроводности о = 5,14 10 с , найдем для желтого света, т. е. для V = 5 10 с , что о/у = 1000, тогда как = 1,67. Точно так же произведение для ртути значительно больше, чем для натрия, тогда как обычная электропроводность натрия несравненно больше, чем для ртути. Однако проверка указанных соотношений возможна, если определять д и х для более низких частот (инфракрасных), где и для оптических свойств металлов главную роль играют свободные электроны. Так, например, для X = 12 мкм требуемая теорией связь между оптическими константами и коэффициентом электропроводности металла хорошо оправдывается на опыте.  [c.494]

В первоначальное состояние она определяется в основном свойствами этой молекулы (атома) и сравнительно мало зависит от внешних условий (температуры, окружающих молекул и т. д.). Сюда относится в первую очередь люминесценция газов и жидкостей. Другой тип наиболее ясно представлен люминесцирующими кристаллами или кристаллическими порошками. При возбуждении таких веществ электрон нередко совершенно удаляется от своего положения в кристаллической решётке, благодаря чему повышается электропроводность кристаллов и возникает фосфоресценция, сопровождающая возвращение на старое место отделившегося электрона или какого-либо другого.  [c.760]

Систему материальных точек в том случае, когда число их очень велико и они расположены плотно друг по отношению к другу, можно приближенно заменить моделью сплошной среды, с непрерывным распределением вещества, его физических свойств (плотности, вязкости, тепло- и электропроводности и др.), а также общих механических характеристик движения среды (перемещений, скоростей, ускорений, сил и др.).  [c.103]

Такой вывод подкрепляется данными изучения физических свойств и рентгеноструктурного анализа устойчивость искажений II рода, вызванных вЬлочением металла, выше при малых степенях обжатия, чем при больших изменение магнитных и электрических (электропроводность) свойств образцов, обжатых до 25%, испытывает аномалию, по-видимому, связанную с перераспределением дислокаций в ячеистую (или сеточную) структуру.  [c.76]

Введением в пластмассовые детали армирующих элементов (арматуры) можно значительно повысить их механическую прочность и износостойкость, а также придать электропроводные свойства, изменить и улучшить внешний вид и т. д. Однако при этом могут возникнуть внутренние напряжения, приводящие к короблению детали и к ее местному растрескиванию (особенно резко это проявляется при тепло-сменах), а также технологические трудности, связанные с укладкой арматуры, с необходимостью установки в прессформах специальных фиксаторов, закрепляющих положение армирующих элементов, и т. д. Армированные детали изготовляют методом литьевого прессования (с несколько удлиненным режимом).  [c.88]

Лолу чение электропроводного подслоя. Придание поверхности диэлектрика электропроводных свойств с целью последующего нанесения гальванических покрытий достигают раз-ны.ми способами химическим восста-нов.тением металла из раствора его соли, электрохимическим восстановлением металла из окислов, введенных в состав поверхностного слоя диэлектрика или промежуточного покрытия, образованием электропроводных соединений (фосфидов, сульфидов и др.), ианесение.м электропроводных эмалей или металлических покрытий конденсационным способом и т. д. Из них самое широкое промышленное применение нашел способ хими-  [c.30]

Прочность эпоксидных покрытий при горячем отверждении выше, чем при холодном. Однако горячее отверждение трубет сложного технологи Чвокаго оборудования, не всегда примени.мого при громоздких, тяжелых конструкциях, а также удорожает стоимость покрытий. Учитывая электропроводные свойства эпоксидных компаундов, наполненных металлическими и графитовыми порошками, интенсифицировали процесс их отверждения разогревом при пропускании электрического тока. К склеиваемым чугунным стандартным грибкам подводили электрический ток промышленной частоты напряжением 1 в и силой 15 а в течение 4 часов. Температура соединения (адгезивО М являлся рецепт № 1) 80 5°С. Прочность оклеек при электропрогреве на 40% выше, чем при отверждении их в термошкафу при той же температуре и времени, и на 80% выше, чем у отвержденных при комнатной температуре. Следовательно, при электропрогреве происходят более сложные физико-химические процессы, чем при простом нагревании.  [c.144]

Дуговая плазменная струя — интенсивный источник теплоты с Бшроким диапазоном технологических свойств. Ее можно исполь зовать для нагрева, сварки или резки как электропроводных металлов (обе схемы рис. 53), так и неэлектропроводпых материалов, таких как стекло, керамика и др. (плазменная струя косвенного действия, рис. 53, б). Тепловая эффективность дуговой плазмониой струи зависит от величины сварочного тока и напряжения, состава, расхода и скорости истечения плазмообразующего газа, расстояния от сопла до поверхности изделия, скорости  [c.65]

Флюс, используемый для сварки и подкладки перед сваркой, доля сн быть прокален цри температуре 300—400° С. При использовании для сварки присадочной медной проволоки состав металла шва и его свойства незначительно отличаются от свойств основного металла. Легирование металла шва раскислителямп при сварке с использованием присадочного металла из бронз сильно снижает его тенло- и электропроводность.  [c.348]

Сварку ведут электродами диаметром 4—6 мм короткой дугой без поперечных колебаний на постоянном токе обратной полярности. Сила сварочного тока I = (50 60) d . Сварка нокрытымп электродами позволяет получить швы с хорошими прочностными свойствами, но ввиду применения раскислителей нроисходяш,ее легирование металла шва ухудшает его теплофизическне и элект-рпческие свойства (электропроводность шва составляет 20—25% электропроводности основного металла).  [c.349]

Так как коррозионные процессы в большинстве случаев протекают по электрохимическому механизму, то большое значение для этих процессов имеют свойства растворов электролитов. Электролитами называются проводники второго рода, электропроводность которых обусловлена передвижением ионов в электрическом поле (ионная проводимость) положительно заряженных катионов и отрицательно заряженных анионов. Проводниками второго рода обычно являются водные растворы солей, кислот и оснований, а также эти вещества в расплавленном состоянии. Электролитами могут быть и некоторые неводные растворы. Наряду с сильными электролитами, полностью диссоциирующими в растворах на ионы, некоторые вещества, например органические кислоты, лишь частично распадаются на ионы их принято называть слабыми электролитами.  [c.11]

Характерными свойствами коррозионно-активных грунтов являются хорошая воздухопроницаемость, высокая кислотность, хорошая электропроводность и достаточная влажность. Влажность является существенным фактором грунтовой коррозии металлов. Для того чтобы электрохимический коррозионный процесс мог протекать беспрелятстпешю, необходим определенный минимум воды. Если грунт  [c.186]

Простая модель электронного газа, созданная Друде в 1900 г., успещно предсказала законы Ома и Видемана — Франца. Однако она не объяснила зависимость электропроводности от температуры, а также магнитные свойства и малую величину электронной теплоемкости по сравнению с классическим значением 3/ . В настоящее время ясно, почему удельное сопротивление особо чистых металлов падает от типичного для комнатных температур значения 10 мкОм см до значения менее 10 з мкОм -см при температуре жидкого гелия в то время как удельное сопротивление концентрированного сплава падает всего в два раза в том же диапазоне температур. Поведение полупроводников также хорошо понято удельное сопротивление экспоненциально возрастает при уменьшении температуры, и при очень низких температурах чистые полупроводники становятся хорошими диэлектриками. Добавка в образец полупроводника небольшого количества примесей чаще всего существенно уменьшает удельное сопротивление (в противоположность чистым металлам, в которых наличие примесей ведет к увеличению удельного сопротивления).  [c.187]

Р существенно снижает электропроводность и теплопроводность Си, однако положительно влияет на технологические свойства (жид-котекучесть и свариваемость).  [c.290]

А1А , А18Ь, ОаР, ОаАз, ОаЗЬ, 1пР, 1пА5, 1п5Ь. По ряду свойств эти химические соединения близки к полупроводниковым материалам — Ое и 51. Так, подвижность носителей заряда в них достигает больших значений ширина запрещенной зоны также велика, а вводимые примеси изменяют механизм электропроводности, поскольку некоторые атомы II группы (2п, Сс1) являются акцепторными, а VI группы (5е, Те) — донорными примесями.  [c.390]

Материалы. Моментные пружины являются ответственными деталями механизмов, поэтому к их материалам предъявляется ряд особых требований а) постоянство упругих свойств во времени и в заданном градиенте температур б) минимальная величина остаточных деформаций в) строгая пропорциональность между создаваемым противодействующим моментом и углом закручивания г) антимагнитность, антикоррозионность и электропроводность (для специальных приборов). Для выполнения требований по пунктам а), б), в) принимают большие запасы прочности, т. е. отношение предела прочности материала к максимальным напряжениям  [c.475]

Для электрошлаковой сварки используют обычные флюсы (например, АН-348А, ФЦ-7), а также специальные флюсы, образующие электропроводный расплав с заданными технологическими свойствами вязкостью, электропроводностью, температурой плавления и т. д. (АН-8, АН-22 и др.).  [c.53]

Наряду с отмеченными имеются еще трудности и особенности, которые необходимо учитывать при сварке прежде всего обеспечение требуемых эксплуатационных свойств сварных соединений, например коррозионной. стойкости, обеспечение электропроводности, равной с основным металлом и др. Дополнительными технологическими трудностями при сварке меди являются высокая теплопроводность, высокий коэффициент линейного расширения, жидкоте-кучесть.  [c.136]

Семейство d-металлов или переходных металлов, заполняющих электронами подуровень d, образует многочисленные карбиды, имеющие важное промышленное значение. Особенно устойчивы карбиды d-металлов, не имеющих парных электронов в подуровне d. Они обладают высокой твердостью (Ti Zr Nb СгдзСв МоС W ), близкой к твердости алмаза, электропроводностью — электронной или полупроводниковой. Растворяясь в жидких металлах, они образуют сложные диаграммы плавкости и могут становиться упрочняющими фазами в зависимости от их термообработки. Термодинамическая устойчивость карбидов различна ЛЯ их образования и другие их свойства приведены в табл. 9.3.  [c.339]

Для сварки легированных сталей, содержащих легкоокисляю-щиеся компоненты, используют флюсы с минимальной окислительной способностью. Такие флюсы строятся на основе флюорита СаРг, к которому добавляют для понижения электропроводности АЬОз и СаО. Эти флюсы также активно понижают содержание серы. Длительное пребывание жидкого металла в контакте с синтетическим шлаком дает возможность подавать в шлаковую ванну электродные проволоки или пластины различного состава для их переплава, а это создает условия для улучшения свойств полученного металлического слитка (снижение содержания серы  [c.378]

Работу ракетного двигателя можно представить в виде последовательности квазиравновесных процессов, таких как нагревание топлива, его горение, расширение продуктов сгорания до давления истечения из сопла. Особенность их состоит в зависимости химического состава продуктов сгорания от условий проведения процесса. Термодинамика позволяет рассчитать равновесный молекулярный состав газов на каждом из этапов работы двигателя, если известны необходимые свойства исходных веществ и продуктов сгорания. В итоге удается отделить термодинамические задачи от газодинамических и оценить удельную тягу двигателя при заданном топливе или, не прибегая к прямому эксперименту, подобрать горючее и окислитель, обеспечивающие необходимые характеристики двигателя. Другой пример — расчет электропроводности низкотемпературной газовой плазмы, являющейся рабочим телом в устройствах для магнитно-гидродинамического преобразования теплоты в работу. Электропроводность относится к числу важнейших характеристик плазмы она пропорциональна концентрации заряженных частиц, в основном электронов, и их подвижности. Концентрация частиц может сложным образом зависеть от ис- ходного элементного состава газа, температуры, давления и свойств компонентов, но для равновесной плазмы она строго рассчитывается методами термодинамики. Что касается подвижности частиц, то для ее нахождения надо использовать другие, нетермодипамические методы. Сочетание обоих подходов позволяет теоретически определить, какие легкоионизирующиеся вещества и в каких количествах следует добавить в плазму, чтобы обеспечить ее требуемую электропроводность.  [c.167]

Наличие в металлах металлической связи придает им ряд характерных свойств высокую тепло- и электропроводность, термоэлектрическую эмиссию, т.е. способность испускать электроны при нагреве, хорошую отражательную способность, т.е. обладают мета11лическим блеском и непрозрачны положительный температурный коэффициент электросопротивления, i.e. с повышением температуры электросопротивление увеличивается.  [c.273]


mash-xxl.info

Особенности электропроводности диэлектриков

Количество просмотров публикации Особенности электропроводности диэлектриков - 79

Электропроводность диэлектриков

Любой радиотехнический материал – проводник, полупроводник или диэлектрик – проводит электрический ток. Но в диэлектриках протекают токи очень малой величины, в случае если даже они находятся под воздействием большого напряжения (500 В и выше).

Электрический ток в диэлектриках - ϶ᴛᴏ направленное движение электронов и ионов: положительных и (или) отрицательных ионов.

Основные виды электропроводности диэлектриков

1. Абсорбционные токи

Абсорбционными токами называются токи смещения различных видов замедленной поляризации. Абсорбционные токи при постоянном напряжении протекают в диэлектрике до момента установления равновесного состояния, изменяя свое направление при включении и выключении напряжения. При переменном напряжении абсорбционные токи протекают в течение всœего времени нахождения диэлектрика в электрическом поле.

В общем случае электрический ток j в диэлектрике представляет собой сумму сквозного тока jск и тока абсорбции jаб

j = jск + jаб.

Ток абсорбции можно определить через ток смещения jсм - скорость изменения вектора электрической индукции D

Сквозной ток определяется переносом (движением) в электрическом поле различных носителœей заряда.

2. Электронная электропроводность характеризуется перемещением электронов под действием поля. Кроме металлов она присутствует у углерода, оксидов металлов, сульфидов и др.
Размещено на реф.рф
веществ, а также у многих полупроводников.

3. Ионная – обусловлена движением ионов. Наблюдается в растворах и расплавах электролитов – солей, кислот, щелочей, а также во многих диэлектриках. Она подразделяется на собственную и примесную проводимости. Собственная проводимость обусловлена движением ионов, получаемых при диссоциации[1] молекул. Движение ионов в электрическом поле сопровождается электролизом[2] – переносом вещества между электродами и выделœением его на электродах. Полярные жидкости диссоциированы в большей степени и имеют большую электропроводность, чем неполярные.

В неполярных и слабополярных жидких диэлектриках (минœеральные масла, кремнийорганические жидкости) электропроводность определяется примесями.

4. Молионная электропроводность – обусловлена движением заряженных частиц, называемых молионами. Наблюдают ее в коллоидных системах, эмульсиях[3], суспензиях[4]. Движение молионов под действием электрического поля называют электрофорезом. При электрофорезе, в отличие от электролиза, новых веществ не образуется, меняется относительная концентрация дисперсной фазы в различных слоях жидкости. Электрофоретическая электропроводность наблюдается, к примеру, в маслах, содержащих эмульгированную воду.

Все диэлектрические материалы под воздействием постоянного напряжения пропускают некоторый, хотя обычно и весьма незначительный ток, называемый током утечки. В случае если для низкокачественных электроизоляционных материалов (дерево, мрамор, асбестоцемент и пр.) ρ лежит в пределах 106-108 Ом*м, то для полистирола, фторлона, кварца оно достигает 1014-1016 Ом*м, еще выше значение неионизированных газов. Очевидно, что чем выше ρ, тем выше качество электроизоляционного материала.

По сравнению с электропроводностью проводников и полупроводников электропроводность диэлектриков имеет ряд особенностей.

Во-первых, ввиду очень большого удельного сопротивления диэлектрика ток через объём участка изоляции – объёмный сквозной ток Iν – очень мал и сравним с ним оказывается ток по поверхности – поверхностной сквозной ток Is. По этой причине при изучении электропроводности диэлектрика крайне важно учитывать наряду с объёмным и поверхностный ток, полагая общий ток участка изоляции:

I= Iν + Is

Следовательно проводимость G = I/U cкладывается из двух проводимостей объёмной и поверхностной.

G = Gν + Gs

Общее сопротивление изоляции определяют как результирующее двух параллельно включенных сопротивлений(объемного и поверхностного):

R= 1/G = Rν * Rs / (Rν + Rs)

Под удельным сопротивлением диэлектрика обычно понимают удельное объёмное сопротивление, для характеристики Rs вводят понятие удельного поверхностного сопротивления ρs.

Рис.1. Виды электрического тока в диэлектрике

Второй характерной особенностью электропроводности диэлектрика является постепенное спадание тока со временем после подключения постоянного напряжения (замыкания контакта К на рис.1) В начальный промежуток времени в цепи протекает быстро спадающий ток смещения Iсм, плотность которого Jсм=dD/dt (где D=εε0Е - электрическое смещение). Этот ток прекращается за время порядка постоянной времени RC схемы источник-образец диэлектрика, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ обычно мало.

При этом ток продолжает изменяться и после этого, часто в течение минут и даже часов. Медленно изменяющуюся составляющую тока, обусловленную перераспределœением свободных зарядов в объёме диэлектрика называют током абсорбции( Iабс). Ток абсорбции связан с поглощением носителœей заряда объёмом диэлектрика: часть носителœей встречает на своем пути ловушки захвата – дефекты решетки, захватывающие и удерживающие носители. Со временем, когда всœе ловушки заполняются носителями, ток абсорбции прекращается и остается только не изменяющийся во времени сквозной ток Iскв. Который обусловлен прохождением носителœей заряда от одного электрода до другого и равен сумме объёмного и поверхностного сквозных токов: Iскв= Iν + Is

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис.2. Изменение тока в диэлектрике после подключения постоянного напряжения.

Ток абсорбции приводит к накоплению носителœей заряда в определœенных местах диэлектрика – дефектах решетки, границах раздела, неоднородностях. Вследствие появления объёмных зарядов распределœение напряженности поля в диэлектрике становится неоднородным. Накопление в диэлектрике объёмных зарядов приводит к такому нежелательному явлению, как неполный разряд конденсатора при коротком замыкании его обкладок, характеризуемый коэффициентом абсорбции, равным отношению остаточного напряжения к начальному.

При измерении удельного сопротивления ток абсорбции крайне важно исключить, выдерживая образец под напряжением в течение некоторого времени.

Кроме перечисленных, электропроводность диэлектриков имеет различный характер исходя из агрегатного состояния диэлектрика.

referatwork.ru

Особенности электропроводимости биологических тканей

Г.К.Ильич, В.Г.Лещенко

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ

Учебное методическое пособие

МИНСК, 2006 г.

УДК 612.014.423 (075.8)

ББК 28.071 я73

И 46

Утверждено Научно-методическим советом университета в качестве учебно-методического пособия ___________ 2006 г., протокол № __.

 

Авторы: доценты Г.К. Ильич и В.Г. Лещенко

 

Рецензенты: зав.каф.гистологии, цитологии и эмбриологии БГМУ профессор Б.А. Слука; старший научный сотрудник БНТУ, доцент Г.И.Олефир.

 

Ильич Г.К., Лещенко В.Г. Электрические и магнитные свойства биологических тканей: Учебно-методичекое пособие / И46– Мн.: БГМУ, 2006 – 28с.

 

ISBN 985-462

Рассматриваются электрические свойства биотканей и тканевых электролитов, оценивается их сопротивление постоянному и переменному току. Обсуждается эквивалентная электрическая схема живой ткани и приводится формула для расчета ее импеданса. Подробно рассмотривается формирование реограммы, ее связь с кровенаполнением биотканей Кратко рассмотрены основные магнитные свойства биотканей.

Предназначено для студентов первого курса медицинских вузов и студентов технических вузов, изучающих медицинскую физику.

 

УДК 612.014.423 (075.8)

ББК 28.071 я73

 

 

ISBN 985-462 © Белорусский государственный медицинский университет

Электропроводимость биологических тканей и

Жидкостей для постоянного тока

Ток в электролитах

В состав практически любого биологического объекта входят элементы, обладающие свойствами электролитов (тканевая жидкость, цитоплазма клеток и т.д.). Поэтому, перед рассмотрением особенностей прохождения тока через биологические ткани, напомним некоторые общие законы прохождения тока через растворы электролитов.

Для возникновения постоянного тока в некоторой среде необходимо осуществление 2–х условий: 1) наличие свободных электрических зарядов в этой среде и 2) наличие напряженности E электрического поля, вызывающей направленное движение этих зарядов. В растворах электролитов свободные электрические заряды (положительные и отрицательные ионы) возникают в результате электролитической диссоциации, а под действием приложенной внешней разности потенциалов происходит движение ионов через раствор –идет электрический ток. Полная сила тока I через электролит определяется движением как положительных (составляющая I+ ), так и отрицательных (I ) ионов: I = I+ + I



Основной закон прохождения тока по однородным проводникам – закон Ома, согласно которому сила тока I пропорциональна напряжению U на проводнике:

I = U/R . (1.1)

Сопротивление R однородного проводника, как известно, зависит от его длины , площади его поперечного сечения S и удельного сопротивления проводника ρ:

R = ρℓ/S. (1.2)

Для описания прохождения токов через сложные, неоднородные среды используют закон Ома в дифференциальной форме. Для получения соответствующего выражения преобразуем формулу (1.1), подставив в нее (1.2):

I = US/ρℓ. Учитывая, что I/S = j – плотность тока, а для однородного электрического поля его напряженность E = U/ℓ, получим: j = E/ρ. Обозначив g = 1/ρ, окончательно запишем Закон Ома в дифференциальной и векторной форме:

j= gE. (1.3)

Удельная электропроводимость электролитов g – величина, обратная удельному сопротивлению r. Удельная электропроводимость имеет размерность Ом–1 × м –1 . Напомним, что единица измерения электропроводимости (Ом –1 ) имеет название "сименс" (См): 1См = 1 Ом –1.

Установим зависимость удельной электропроводности g электролита от его свойств. Скорость v упорядоченного движения ионов электролита пропорциональна напряженности электрического поля, вызывающего это движение:

v = b E

Коэффициент пропорциональности b зависит от массы иона, его заряда, формы и называется подвижностью ионов, для положительных ионов - b+, для отрицательных - b. Подвижность ионов численно равна отношению скоростей v+ и v установившегося движения ионов к величине напряженности Е поля, которое вызвало это движение:

; .

Выделим некоторый объем электролита, по которому протекает постоянный электрический ток. Пусть полярность напряжения такова, что положительные ионы движутся через этот объем слева направо, а отрицательные - справа налево (см. рисунок 1).

Тогда суммарный заряд Q ионов, переносимый за время t через плоскую поверхность площадью S , будет определятся формулой:

Q = Q+ + Q­– = q+ n+ S l+ + q n S l,

где q+ и q – заряды положительных и отрицательных ионов, l+и l– расстояние которое пройдут заряды за время t, n+и n – концентрации ионов.

Учитывая, что l+ = v+t = b+ Et и l= vt = bEt, получим:

Q = (q+ n+ b+ + q n b) S t E. (1.3)

Разделив правую и левую части формулы (1.3) на площадь S и время t, получим выражение для плотности тока через электролит:

j = (q+ n+ b+ + q n b) E. (1.4)

Сравнивая Закон Ома в дифференциальной форме (1.2) и формулу (1.4), получим выражение для удельной электропроводимости электролита:

g = (q+ n+ b+ + q n b). (1.5)

Если считать, что величина заряда концентрация положительного и отрицательного ионов одинакова: |q+| = |q| = q, и n+ = n = α n, где α – коэффициент диссоциации, а n – концентрация молекул растворенного вещества, то выражение для удельной электропроводимости электролита (1.5) при этом условии принимает более простой вид:

g = a q n ( b+ + b). (1.6)

Особенности электропроводимости биологических тканей

Поскольку электролиты входят в структуру живых тканей, то при прохождении тока через ткань, в определенной степени, проявляются общие законы прохождения тока через электролиты. Однако, биологические ткани содержат элементы, обладающими выраженными свойствами диэлектриков – клеточные мембраны, которые играют большую роль в формировании механизмов прохождения тока через живую ткань. Если в электролитах под действием приложенной разности потенциалов возникает направленное движение ионов – электрический ток, то в диэлектриках в этом случае возникают явления поляризации – процессы перемещения связанных электрических зарядов и образование из–за этого собственного электрического поля, напряженность которого направлена против внешнего поля.Виды поляризации могут быть различными. Так дипольная (ориентационная) поляризация состоит в том, что под действием внешнего поля отдельные полярные молекулы веществ ориентируются в соответствии с направлением этого поля. В растворах веществ, молекулы которых обладают большим дипольным моментом, дипольная поляризация вызывает внутри диэлектрика значительное уменьшение напряженности внешнего электрического поля. Так для воды диэлектрическая проницаемость e = 81.

Для биологических объектов весьма существенна макроструктурная поляризация. Она обусловлена тем, что электролиты, содержащиеся в структурных элементах клетки, окружены мембранами. Электрическое поле вызывает перемещение ионов электролита внутри отдельного проводящего слоя, а прохождение ионов через окружающую мембрану затруднено из-за ее низкой проводимости. Таким образом, в структуре ткани возникают образования с установившимся разделением электрических зарядов, которые обладают гигантским (по сравнению с отдельными молекулами) дипольным моментом. Суммарное электрическое поле этих образований направлено против внешнего поля, чем и объясняется высокое значение диэлектрической проницаемости тканей, измеренное в постоянном электрическом поле.

Упрощенно механизм прохождения постоянного тока через ткань иллюстрируется рисунком 2. Основной тканевый ток определяется движением ионов в тканевой жидкости под действием приложенной разности потенциалов. Внутри клеточных структур происходит разделение зарядов и возникает разность потенциалов противоположного направления (электродвижущая сила поляризации), обуславливающая внутритканевый поляризационный ток. Это приводит к снижению электропроводности тканей в целом по сравнению с тканевыми электролитами. Следует подчеркнуть, что макроструктурная поляризация, сильно влияющая на электропроводимость тканей, происходит не только на цитоплазматической мембране (как упрощенно представлено на рисунке 2) но и проявляется на отдельных клеточных структурах, имеющие собственные мембраны.

 

Электрические свойства тканей и органов сильно различаются. Значение удельного сопротивления (r) и удельной электропроводимости (g) для некоторых тканей и жидкостей приведены в таблице 1.

 

Таблица 1

Ткань, электролит r, Ом×м g, См/м
Спинномозговая жидкость 0,55 1,8
Кровь 1,66 0,6
Мышечная ткань 0,5
Ткань мозговая и нервная 14,3 0,07
Ткань жировая 33,3 0,03
Кожа (сухая) 10–5
Кость без надкостницы 107 10–7

 

Хорошей электропроводимостью обладают жидкие среды организма- спинно-мозговая жидкость, кровь, лимфа. Большое сопротивление имеют эпидермис кожи, соединительная ткань (связки, сухожилия) и, особенно, кость без надкостницы. Однако, электропроводимость отдельных участков организма определяется не только значениями электропроводимости тканей, входящих в их состав, но и их топографией и функциональным состоянием.
Мягкие ткани внутренних органов человека обладают сравнительно небольшим сопротивлением – десятки и сотни Ом (в расчетах по обеспечению электробезопасности сопротивление тела человека без кожных покровов принимается равным 1000 Ом). Реально, из–за наличия кожных покровов, имеющих высокое удельное сопротивление, измеряемое на поверхности тела сопротивление отдельных его участков значительно больше и сильно зависит от их выбора.

Важнейшим фактором, определяющим электрическое сопротивление кожи, является толщина рогового слоя эпидермиса и его состояние. Если неороговевающие слои эпидермиса содержит до 70% воды, то роговой слой – лишь 10%, что обуславливает его высокое сопротивление. Однако, при выделении пота и при наложении влажных электродных прокладок роговой слой может впитывать воду, что снижает его сопротивление. Основной путь электрического тока в коже – протоки потовых желез.

Разветвление токов начинается на уровне 4–го слоя эпидермиса, который имеет относительно большое количество межклеточной жидкости, и достигает сильного ветвления на уровне дермы (соединительнотканной основы кожи). В дальнейшем ток распространяется по путям с наименьшим сопротивлением – структурам с максимальной электропроводностью.

stydopedia.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *