Электрический ток в разных средах

Электрический ток в металлах обусловлен движением свободных электронов, которые находятся внутри пространственной кристаллической решетки. В этой решетке узлы совпадают с центрами положительно заряженных ионов, вокруг которых свободные электроны движутся хаотически. Таким образом, электрическим током в металлах называется упорядоченное движение электронов.

Математически это может быть выражено следующим образом:

$$I = n \cdot A \cdot v \cdot e$$

Где:

• $I$ - сила тока,

• $n$ - концентрация свободных электронов,

• $A$ - площадь поперечного сечения проводника,

• $v$ - средняя скорость свободных электронов,

• $e$ - заряд электрона.

Эксперимент Л.И. Мандельштама и Н.Д. Папалекси, проведенный в 1913 году, подтвердил эту электронную проводимость металлов.

Сила тока в проводнике определяется законом Ома, который устанавливает пропорциональную зависимость между напряжением ( V ) и силой тока ( I ). Математически закон Ома выражается следующим образом:

$$I = \frac{V}{R}$$

Где:

• $I$ - сила тока,

• $V$ - напряжение,

• $R$ - сопротивление проводника.

Если сопротивление известно, можно использовать эту формулу для определения силы тока при заданном напряжении.

Электроэнергия используется в металлах для различных целей, включая:

1. Передача электроэнергии: Металлические проводники широко применяются для передачи электроэнергии от источника к потребителю. Это основной метод распределения электроэнергии в электрических сетях.

2. В электродвигателях: Многие электродвигатели, используемые в промышленности и бытовых устройствах, содержат металлические детали, такие как обмотки из меди или алюминия. Электрическая энергия преобразуется в механическую энергию, позволяя двигателю выполнять работу.

3. В нагревательных приборах: Нагревательные элементы, такие как спирали или нагревательные проволоки, часто изготавливаются из металла. Подводимая к ним электроэнергия преобразуется в тепловую энергию, что позволяет нагревать воду, воздух или другие среды в различных процессах, таких как в бытовых печах или промышленных печах.

Полупроводники занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками по способности проводить электрический ток. Они обладают свойствами как проводников, так и диэлектриков, в зависимости от различных условий, таких как температура.

Главное отличие полупроводников от металлов и диэлектриков заключается в их характере электрической проводимости при различных температурах. Например, при повышении температуры проводимость металлов обычно увеличивается, а диэлектриков — уменьшается. В случае полупроводников, проводимость может изменяться нелинейно в зависимости от температуры и других факторов. Это делает полупроводники уникальными материалами с точки зрения их применения в электронике и других областях техники.

Особенности проводимости полупроводников обусловлены их внутренним атомарным строением. Например, кремний, являющийся одним из распространенных полупроводников, является $4-$валентным химическим элементом. Это означает, что каждый атом кремния имеет в своем внешнем электронном слое $4$ электрона.

Это свойство делает кремний и другие полупроводники особенно интересными для электроники, потому что за счет наличия "свободных" электронов (то есть электронов, которые могут участвовать в проведении тока) они обладают возможностью контролировать проводимость через изменение внешних условий, таких как напряжение или температура. Это позволяет использовать полупроводники в широком спектре устройств, от транзисторов и диодов до солнечных батарей и полупроводниковых лазеров.

Ковалентные связи между атомами полупроводника формируют его кристаллическую структуру. Эта правильная структура сохраняется при достаточно низких температурах, близких к абсолютному нулю, когда энергия тепловых колебаний атомов невелика.

Хотя валентные электроны могут свободно перемещаться по всему объему кристалла, на данный момент времени они всегда "привязаны" к определенному атому. Суммарное движение валентных электронов не может привести к переносу заряда через поперечное сечение полупроводника. Так как свободных зарядов в кристалле полупроводника при низких температурах практически нет, он ведет себя как диэлектрик.

Однако все меняется при достаточном повышении температуры. При более высоких температурах энергия тепловых колебаний становится достаточной, чтобы освободить валентные электроны от связи с атомами. Это приводит к возникновению свободных носителей заряда (электронов и дырок) и увеличению электрической проводимости полупроводника.

При наложении внешнего электрического поля (при подключении к источнику тока) свободные электроны в полупроводнике начинают двигаться, образуя электрический ток. Это явление иллюстрирует, как внешнее поле, обозначаемое ( E ), воздействует на мобильные заряды, вызывая их движение и образование тока.

Чем выше температура, тем больше свободных электронов доступно в полупроводнике, что приводит к увеличению силы тока при неизменном напряжении на концах полупроводника. Это эквивалентно уменьшению сопротивления полупроводника при повышении температуры.

Электроны также могут быть освобождены не только за счет энергии теплового движения (нагрева), но и за счет энергии, поступающей на полупроводник в виде света. Этот процесс называется внутренним фотоэффектом полупроводников. Световые источники тока, такие как фотоэлементы, используют этот эффект.

Проводимость полупроводников, обусловленная движением освободившихся электронов, называется электронной проводимостью полупроводников.

Помимо электронной проводимости, в полупроводниках существует и другой механизм проводимости, параллельный электронной. В общем случае полупроводник всегда остается электрически нейтральным, что означает, что количество положительных и отрицательных зарядов в нем сбалансировано.

Однако, когда отрицательный электрон вырывается из атома, образуется область с избытком положительных зарядов в месте, откуда произошло вырывание электрона. Можно выразить это следующей формулой:

$$\text{Нейтральность полупроводника: } n_+ = n_-$$

Где:

• $n_+$ - количество положительных зарядов,

• $n_-$ - количество отрицательных зарядов.

Это явление приводит к образованию областей с избытком и недостатком носителей заряда, что создает электрические поля внутри полупроводника.

1. Собственная проводимость полупроводников:

   • В химически чистых полупроводниках без примесей сумма электронной и дырочной проводимостей называется собственной проводимостью.

   • Это значит, что электрическая проводимость обеспечивается только за счет собственных носителей заряда, и ничего стороннего не вмешивается.

2. Примесные полупроводники:

   • Полупроводники без примесей называются собственными.

   • Однако для практического использования их проводимость слишком низка.

   • Поэтому вводят примеси, чтобы увеличить число свободных зарядов.

3. Примесная проводимость:

   • Введение примесей в кристаллическую решетку полупроводника создает дополнительных свободных зарядов.

   • Это добавляет к собственной проводимости и создает примесную проводимость.

   • Полупроводники с примесями называются примесными.

4. Допинг:

   • Для увеличения числа свободных электронов вводят примеси с лишними валентными электронами, например, мышьяк.

   • Лишний электрон становится свободным и увеличивает проводимость полупроводника.

5. Типы полупроводников:

   • Самое распространенное применение полупроводников связано с их использованием в типах p и n.

   • При контакте п и n полупроводников свободные электроны и дырки начинают диффундировать друг в друга.

   • Это создает слои с зарядами противоположного знака, образуя p-n переход, который создает электрическое поле, препятствующее дальнейшему переносу зарядов.