ПРОВОДНИКИ, ИЗОЛЯТОРЫ, ПОЛУПРОВОДНИКИ

Все вещества (тела) состоят из атомов имолекул. Атом имеет положительно заряженное ядро и отрицательно заря­женные электроны, совершающие орбитальные движения

вокруг ядра. Если суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду, то атом электрически нейтрален. Порядковый номер элемента в периодической таблице Менделеева определяется числом электронов нейт­рального атома. Электрический заряд электрона (элемен­тарный заряд) равен —1,6 ·10-¹⁹ Кл. Заряд ядра по абсо­лютному значению равен заряду электрона, умноженному на число электронов нейтрального атома.

Электроны атомов обычно находятся на определеных орбитах. Электроны, находящиеся на внутренних орбитах, относительно прочно связаны с ядром атома. Электроны, находящиеся на внешних орбитах (валентные электроны), сравнительно легко могут отделяться от атома, после чего становятся «свободными» или соединяются к другому атому или молекуле. Атом, потерявший один или несколько электронов, называется положительным ионом, а атом, при­соединивший электроны, — отрицательным ионом. Процесс образования ионов называется ионизацией. Количество но­сителей заряда — свободных электронов или ионов — в еди­нице объема вещества принято называть концентрацией но­сителей заряда.

Электрический ток проводимости — это явле­ние упорядоченного (направленного) движения заряжен­ных частиц. Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называется элек­тропроводностью. Электропроводность вещества за­висит от концентрации носителей заряда: чем выше кон­центрация, тем больше электропроводность. Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на провод­ники, диэлектрики и полупроводники.

Основным свойством проводящих веществ (материа­лов), или проводников, является их высокая электро­проводность. Проводники делятся на два рода. В провод­никах первого рода, к которым преимущественно относятся все металлы и их сплавы, электрический ток создается пе­ремещением только электронов — это проводники с элект­ронной проводимостью. Прохождение тока в них не сопро­вождается химическими изменениями материала проводни­ка. Лучшими проводниками являются серебро, медь, алюминий.

Согласно классической электронной теории высокая электропроводность металлов объясняется наличием в них огромного количества свободных электронов — электронов проводимости, находящихся в состоянии беспорядочного

движения и заполняющих объем проводника наподобие га­за— электронного газа. При движении электроны сталки­ваются с ионами неподвижной кристаллической решетки, состоящей из атомов вещества; направление их дви­жения, скорость, кинетическая энергия при этом изменя­ются.

Если в таком проводнике существует электрическое по­ле, то на заряды проводника действуют силы этого поля. Направление сил, действующих на положительные заряды, совпадает с направлением поля, а действующих на отрица­тельные заряды, — противоположно направлению поля. В результате наступает упорядоченное движение свобод­ных электронов в одном направлении, т. е, в проводнике возникает ток (проводимости).

Проводники второго рода, или проводники с ионной про­водимостью, представляют собой расплавы некоторых со­лей и водные растворы кислот, солей, щелочей и др. В расплавах и растворах независимо от прохождения тока про­исходит распад их нейтральных молекул на положительные и отрицательные ионы (электролитическая диссоциация). Положительными ионами являются ионы металлов и водо­род, отрицательными — кислотные остатки и гидроксильная группа (ОН). Расплавы и растворы веществ, состоя­щие частично или полностью из ионов, называются еще электролитами. При отсутствии внешнего электрического поля ионы и молекулы находятся в состоянии хаотического движения.

Если в таком проводнике создать электрическое поле, то силы поля вызовут движение положительных ионов в на­правлении поля, а отрицательных — в противоположном направлении. Их упорядоченное движение и представляет собой ток (проводимости) в электролите.

Диэлектриками (изоляторами) называются вещества (материалы), в которых при нормальных услови­ях (невысокие температуры и отсутствие сильных электри­ческих полей) имеется ничтожное количество свободных электрически заряженных частиц; вследствие этого они обладают ничтожной электропроводностью, которой во многих случаях можно пренебречь. К числу изоляторов от­носятся некоторые газы и жидкости — минеральные масла, лаки, а также большое число твердых материалов, за ис­ключением металлов, их сплавов и угля. Однако при неко­торых условиях, например при действии высоких темпера­тур или сильных электрических полей, в диэлектриках возможны расщепление молекул на ионы и потеря ими изолирующих свойств.

Полупроводники (полупроводящие вещества или материалы) по своей электропроводности занимают проме­жуточное место между проводниками и изоляторами. К по­лупроводникам относятся кремний, германий, теллур, селен, окислы металлов, соединения металлов с серой и т. д.

Полупроводники обладают рядом характерных свойств, электропроводность их и концентрация свободных носите­лей заряда в сильной степени зависят от температуры, осве­щенности, электрических полей, примесей и др. Отличительные особенности полупроводников объясняются тем, что кроме электронной электропроводности, вызываемой электронами проводимости, они обладают еще так называе­мой дырочной электропроводностью. Последняя вызва­на перемещением под действием электрического поля «дырок», т. е. не занятых валентными электронами мест в атомах (из-за перемещения от атома к атому валентных электронов), что равноценно перемещению положительно заряженных частиц, заряды которых по абсолютному зна­чению равны зарядам электронов.

В настоящее время свойства полупроводников использу­ются в большом количестве весьма разнообразных прибо­ров и устройств (полупроводниковые диоды и триоды, фо­торезисторы и т. п.).