Az anyag elektromos vezetőképességének elméletének alapjai
Maxwell szerint a teljes elektromos áram sűrűsége egy közegben adható meg
ahol jpr. jcm a vezetőképesség és az elmozdulás áramsűrűsége, # 963; - a közeg sajátos elektromos vezetőképességét, # 949, a a közeg abszolút permittivitása, és # 949; a = # 949; # 949; 0. ahol # 949; - a közeg relatív permittivitása; # 949; 0 = 8,85 · 10 -12 F / m - értéke vákuumban.
Olyan területen, amely harmonikusan változik az idővel # 969;
Állandó és alacsony frekvenciájú váltakozó mezőkön a teljes áramot teljes egészében a vezetési áram határozza meg. Egy nagyfrekvenciás váltakozó mezőben a teljes áram a vezetési és elmozdulási áramok összege.
A vezetési áram közvetlenül az E elektromos mező hatására keletkezik.
A j értékét az érték határozza meg # 963; = 1 / # 961;
A közeg vezetőképessége elektromos áram átadásának képessége, az ellenállás az áram áthaladását gátló képesség. A tápközeg specifikus elektromos vezetőképessége # 963; és annak speciális elektromos ellenállása # 961; a vezetési képességek # 931; és a közeg térfogati egységének R ellenállását.
A közeg vezetőképessége az elektromos töltéseknek a jelenlegi elektronokon, ionokon, lyukakon át történő átvitelének köszönhető. Az elektronikus vezetőképességű (fémek, grafit) anyagokban a jelenlegi elektronok mozgása révén terjed. A dielektrikában a vezetőképesség jellege ionos, a félvezetőkben lyukszerű. Az elektrolit oldatok ionos vezetőképességgel rendelkeznek.
Az alacsony vezetőképességű közegben a dielektrikumokkal és félvezetők által képviselt nagyfrekvenciás mezőben az átáramló jsc-szel együtt a jelenlegi jre relaxációs komponense jelenik meg. amelyet a közeg részecskéinek polarizációja okoz. A polarizáció következtében a talajmezővel együtt további, az alapvető polarizációval ellentétes irányba fordul. A polarizáció arányos a polarizáló mezővel:
ahol # 945; - a közeg polarizálhatósága. A polarizabilitás jellemzően az alacsony vezetőképességű villanyszerelőkre jellemző adathordozókra jellemző. Bármely anyag lehet vezető, és polarizálható; Általában a relatív permittivitása a következő: # 949; = 1 + 4π # 945;
Megkülönböztetni a rugalmas, relaxációs és strukturális polarizáció polarizációját.
- A rugalmas polarizáció az anyag elasztikusan kötődő töltéseinek (elektronok, ionok) elektromos térben való elmozdulásából áll. Gyorsan megy végbe (a telepítési idő egybeesik az infravörös sugárzásnak megfelelő oszcillációkkal, azaz 10 -12 ÷ 10 -14 s). A dielektrikumok viszonylagos permittivitása rugalmas polarizációval általában 4-15, de néhány ionos kristályban több száz (legfeljebb 300 a stroncium-titanát esetében).
- A relaxációs (termikus) polarizáció jellemző a laza kötésű részecskéket tartalmazó anyagok esetében, amelyek képesek az egyensúly megváltoztatására a hőmozgás során. Az ilyen típusú polarizációt az okozza, hogy az alkalmazott külső elektromos mező bizonyos sorrendet teremt a töltött részecskék kaotikus hőmozgásában.
A polarizáció két típusa létezik: irányított dipólus termikus és ionos termikus.
- A dipól polarizáció poláris folyadékokban (beleértve a vízben is) keletkezik, mivel a gyengén kötött dipólmolekulák előnyös orientációja elektromos mezőben történik. A poláris folyadék relaxációs ideje arányos a viszkozitásával. A bonyolult poláris molekulákban a molekula különböző részeinek intramolekuláris forgása egymáshoz képest is megfigyelhető.
- Az ón termikus polarizáció lazán kötött ionokat tartalmazó ionos kristályokban keletkezik, amelyek megjelenése a kristályrács hibáinak köszönhető. Ionok mozognak a termikus mozgással, leküzdve a potenciális akadályokat. Az elektromos mező az átmenetik előnyös irányát képezi. Ennek eredményeképpen a kőzet térfogatának dipólus pillanata eltér a nullától, és ezt az elektromágneses folyamatot megtartja.
- Végül, a többfázisú kőzet-megfigyelt hőmérsékletű szerkezet (térfogati) polarizációs társított befogása hordozók microdefects rács lassulását mozgást a interfázisban interfészek, vagy beszorulásának szabad töltések macroinhomogeneity kristályok. Ez egy viszonylag lassú polarizáció, amelynek kialakulási ideje a rádiófrekvenciákon belül (10 -4 ÷ 10 -10 s).
Az ásványi anyagok permittivitása elsősorban az elasztikus polarizációnak köszönhető (ionos és elektron). A relatív nagysága a dielektromos állandó fájdalom-nyakkal részek ásványi tartományban van 4 - 12, a nagy pórus-doobrazuyuschih ásványok - 4 - 7. A legkisebb érték van olaj (2 - 4), a legnagyobb - Rutil (90 - 170),.
Az anyag elektromos vezetőképességének elméletének alapjai
A kristályok elektromos vezetőképességének folyamata - amint az a fizika tanfolyamából ismert - a kvantummechanika törvényeit tartja be. E törvények szerint a kristály minden egyes atomján csak az elektronenergia bizonyos értékei vannak, amelyeket a megengedett szintek jellemeznek. Ezek az energiaértékek az elektron kölcsönhatása és az atom magja miatt következnek be. Minden energia szintjén lehet egy vagy két elektron (a Pauli-elv). Ez utóbbi esetben az elektronokat kvantumállapotokkal (spin irányok) kell megkülönböztetni. Gerjesztés hiányában az elektronok a legalacsonyabb szinteket foglalják el, és ha az anyagot kiegészítő energiával látják el, akkor magasabb szintre kerülhet. Az elektronenergia változása ebben az esetben bizonyos részekben - kvantában fordul elő. Az atom külső héjának (valence) elektronjai gyengén kapcsolódnak a maghoz, és a gerjesztésükhöz kevesebb energia szükséges. Egy olyan kristályban, amelyben az atomok összegyűlnek, az elektronok nemcsak atomjuk magjával, hanem más atomokkal is érintkeznek egymással, így minden egyes energiaszint ugyanolyan szintű lesz, mint atomok a kristályban. Ennek eredményeképpen kialakulnak olyan szoros energiatartományok zónái, amelyek átfedhetik egymást vagy szünet lehet közöttük, úgynevezett tiltott zóna # 916; w.
Az övezet vezetékeinek átfedése (a ábra), az elektronok egy része ezért multicentrikus keringési pályákat tartalmaz, amelyek a vezető teljes kristályát lefedik. Ezek az elektronok, amelyek nem helyezkednek el egy adott mag körül, gyengén kapcsolódnak a magokhoz, és ezért egy gyenge elektromos mezővel is rendelkeznek egy irányított elmozdulással, azaz hozzon létre egy elektromos áramot. Minél több nem lokalizált elektron, annál nagyobb a vezető vezetőképessége. Az elektronikus vezetőképességű fémek esetében - az ellenállás nagyon kicsi (# 961; = 10 -4 ÷ 10 -8 Ohm · m). Jelenlétük a kőzetek, amikor kovalensen fémion vagy a fém kapcsolat kristályforma jelentősen növeli az elektromos vezetőképesség az ásványi-specifikus soprotiv Leniye amelyek között változik 10 -3 ÷ 10 -6 ohm · m.
Az elektronikus vezetőképességű vezetőket az ellenállás növekedése jellemzi a hőmérséklet növelésével, ami az elektronok kaotikus mozgásának növekedésével jár.
A félvezetők és a dielektrikumok kristályaiban a w2 töltött sávot és a w1 vezetési sávot tiltott sáv választja el # 916; w. A félvezetőkben a sávrés értéke 0,1-1,5 eV, dielektrikumokban 10 eV-ig. Ez a fő különbség a félvezető és a dielektromos között.
A félvezetők és a dielektrikumok T = 0 0 K értékénél a megszállt zónában lévő összes energiaszintet elektronok foglalják el. Ezért az elektronok nem mozoghatnak az atomról az atomra, hanem kapcsolódnak egymáshoz. Növekvő hőmérséklet mellett néhány elektront ki lehet dobni a töltött zónából a vezetési sávba. Az elektron átvezetése a vezetési sávhoz egy elektron-lyukpár létrehozásával jár, vagyis egy "szabad", gyengén kötött elektron maggal, és ebben az atomban megjelenő hely (lyuk) jelenik meg. Az elektron-lyuk párok előállításának folyamatát az ilyen párok rekombinációjának inverz folyamata kísérte. A kristály alatt egy elektromos mező-mentes elektron tróna mozog, egyidejű mozgatásával lyukak az ellenkező irányba, ahogy azt a teret, az atom elveszti egy elektron, az elektron ugrik egy szomszédos atom. Ennek eredményeképpen elektronok és lyukak rendezett mozgása jelenik meg a kristályban, azaz. elektromos áram áramlik.