Електрична проводљивост чврстих тела

Преузми Word документ

Различити материјали не проводе наелектрисање подједнако.

Најбољи проводници:

метал, угаљ, графит, водени раствор соли, база и киселина

Слаби проводници или изолатори:

стакло, поливинил, парафин, смола, чиста вода, суво дрво, хартија, гума, ваздух…

Разлика у проводљивости између материјала је условљена њиховом различитом структуром и грађом.

Подела материјала у односу на провођење наелектрисања.

проводници
- има доста слободних електрона
полупроводници
- нагло повећање електропроводљивости под утицајем спољашњих фактора (температура, осветљеност, притисак, електрично, поље…)
изолатори
- електрони чврсто везани за атомска језгра – концентрација слободних електрона занемарљиво мала

Материјали који добро проводе наелектрисање су проводници, а они који не проводе или лоше проводе су изолатори. Не постоји оштра граница између проводника и изолатора. Неке супстанције су под једним условима проводници а под другим изолатори.

У електротехници се користе и тзв. полупроводници, чија се електропроводљивост нагло мења у зависности од спољашњих услова.

Носиоци наелектрисања:

електрони, протони, позитивни и негативни јони
ЈОНИ – атоми који имају вишак електрона или атоми који имају мањак електрона

У металима електричну струју чине електрони, а у течностима струју чине позитивни и негативни јони, док се у гасовима поред јона јављају и слободни електрони као носиоци наелектрисања.

Метали имају кристалну структуру. У чворовима кристалне решетке метала налазе се позитивни јони (атоми којима недостаје један или више елетрона). Између позитивних јона крећу се електрони. Ови електрони се називају слободни електрони. Од свих материјала метали имају највећу концентрацију слободних електрона (10²⁸ у кубном метру) – зато су најбољи проводници.

Велики број важних физичких особина метала, могу да се објасне полазећи од модела слободних електрона. По том моделу, најслабије везани електрони атома крећу се скоро слободно кроз запремину метала, слично молекулима идеалног гаса. Валентни електрони атома постају проводници електрицитета у металима и називају се проводним електронима. Дакле, класична теорија проводљивости метала заснована је на слободним електронима који се усмерено крећу под дејством електричног поља.

Полупроводници су материјали чија електрична проводљивост зависи од услова у којима се налазе као и од примеса у њима. Полупроводници су елементи IV групе периодног система. То су четворовалентни атоми. У кристалној решетки су везани ковалентним везама. Сваки атом је окружен са 4 атома који се налазе на једнаким растојањима. Свака два суседна атома имају заједнички пар електрона. Најчешће употребљавани полупроводници су германијум и силицијум.

Сви електрони су везани за атом ковалентним везама, па нема слободних електрона. Да би неки електрон постао слободан његова валентна веза мора да се прекине. Место које је један електрон напустио постало је позитивно наелектрисано и назива се шупљина. Ово место може да буде попуњено валентним електроном из суседног атома, тако да изгледа као да се шупљине померају у супротоном смеру. Без спољашњег утицаја кретање шупљина је потпуно неуређено. Под дејством електричног поља кретање шупљина постаје усмерено. Што значи да шупљине постају слободни носиоци наелектрисања и учествују у провођењу електричне струје. Концентрација шупљина у чистом полупроводнику је увек једнака концентрацији слободних електрона.

Електрони су, као што је познато, негативна наелектрисања па њих зовемо негативним носиоцима наелетрисања, док су шупљине места на којима се заправо налази позитиван јон па њих називамо позитивним носиоцима наелектрисања.

Електрична проводљивост чистих полупроводника назива се сопствена проводљивост полупроводника. Сопствена проводљивост полупроводника остварује се слободним електронима и шупљинама.

Чисти полупроводници представљају само полазну основу у изради електронских компоненти. Чистим полупроводницима се додају примесе (нечистоће) како би повећала електрична проводљивост. Процес у коме се чистом полупроводнику додају примесе назива се допирање.

Електрична проводљивост полупроводника се повећава додавањем хемијских елемената III и V групе. На тај начин се повећава број слободних носилаца наелектрисања. Петовалентне примесе повећавају концентрацију електрона, а тровалентне повећавају концентрацију шупљина.

Постоји могућност да се у кристалној решетки полупроводника (силицијума) нађе атом неког петовалентног елемента: фосфора (P), антимона (Sb) или арсена (As). Пошто је концентрација примеса мала, може се сматрати да се атом примесе налази потпуно окружен атомима полупроводника.

Један електрон петовалентног атома не улази у ковалентну везу. Тај електрон је слабо везан за атом. Довољно је веома мала енергија да би се раскинула веза и електрон постао слободан. Појава слободног електрона није праћена појавом шупљине, тако да је број слободних електрона знатно већи од броја шупљина. Слободни електрони представљају главне носиоце електричне струје, а шупљине су споредни носиоци електричне струје. Примесе, које уношењем у полупроводник повећавају број слободних електрона називају се донори. Полупроводници добијени на овај начин називају се полупроводници n-типа.

Неки од атома полупроводника (силицијума) у кристалној решетки може да буде замењен тровалентним атомом – бор (В), инидијум (In), алуминијум (Al). Атом примесе нема довољно електрона да би се успоставиле све ковалентне везе са суседним атомима. Једна валентна веза по атому примесе недостаје.

Потребна је веома мала енергија да неки од суседних атома полупроводника преда један свој валентни електрон атому примесе. То значи да ће у полупроводнику настати шупљина. Пошто је електрон само прешао из једног атом у други, појава шупљина није праћена појавом слободних електрона. Број шупљина већи у односу на број слободних електрона.

Шупљине представљају главне носиоце електричне струје, а слободни електрони су споредни носиоци електричне струје. Примесе, које уношењем у полупроводник повећавају број шупљина називају се акцептори. Полупроводници добијени на овај начин називају се полупроводници p-типа.

Проводљивост полупроводника изазвана примесама, назива се примесна проводљивост.

Суперпроводљивост

Суперпроводљивост је појава која се јавља код неких материјала на ниским температурама, у којој долази до потпуног одсуства електричне отпорности.

Отпорност свих проводника зависи од температуре. Код металних проводника отпорност расте са температуром, а код електролита и угља отпорност опада. При високим температурама отпорност металних проводника брже расте са температуром него при средњим вредностима температуре.

Постоје неки материјали код којих је електрична отпороност нагло пада (једнака је нули) у близини апсолутне нуле. Материјали чија је електрична отпорност једнака нули називају се суперпроводници. Прелаз метала у стање суперпроводности дешава се нагло (у скоку). Температура на којој долази до ове нагле промене назива се критична температура. Критичне температуре за чисте метале су врло ниске, углавном око или испод 4К.

Пример: Критичне температуре – олово 7,2К, жива 4,12К, кадмијум 0,54К, талијум 2,38К, ниобијум 9,5К.

Суперпроводност се појављује код разних материјала, укључујући и једноставне елементе попут калаја и алуминијума, неке маталне легуре, и неке полупроводнике, као и извесна керамичка једињења која садрже нешто атома бакра и кисеоника. Суперпроводност се не појављује код племенитих метала попут злата и сребра, нити код феромагнетних метала попут гвожђа (мада гвожђе може да се претворити у суперпроводник ако се подвргне врло високим притисцима).

Контактна разлика потенцијала

При додиру два различита метала између њих се јавља електрични напон који се назива контактна разлика потенцијала (контактни напон). Он је различит за различите парове метала и износи од неколико десетих делова волта до једног волта. Зависи од чистоће метала и од чистоће додирних површина.

Пример:

Две плоче од различитих метала са добро углачаним површинама се поставе једна преко друге (плоче имају дршке од изолатора). Ако се плоче после извесног времена нагло раздвоје, површина једне плоче биће наелектрисана позитивно, а површина друге плоче исто толико негативно.

Експериментално је утврђено да контактни електрични потенцијал зависи од температуре споја и хемијског састава материјала.

Објашњење – Класична електронска теорија

Број слободних електрона у различитим металима је различит. Због те разлике долази до дифузије слободних електрона из једног метала у други. Због тога настаје електрично поље чије је деловање на електроне такво да се супротставља процесу даље дифузије. Када електрично поље достигне довољну јачину престаје процес дифузије и тада се успоставља стална контактна разлика потенцијала између датих метала.

Што је већа разлика концентрација слободних електрона у металима већа је контактна разлика потенцијала.

Објашњење – Сличност са површинским напоном течности

Излазни рад (код већине метала неколико eV) – минимална енергија коју треба да има електрон да би напустио површину метала.

Термоелектрицитет

Могуће је претварање топлоте у електрицитет.

Када се контакти (спојеви) два различита метална проводника налазе на различитим температурама, појављује се термоелектромоторна сила. Кроз проводнике протиче електрична струја. Оваква два проводника чине термоелемент.

Термоелектромотрна сила је сразмерна разлици температура спојева:

$\varepsilon =k(t_{2}-t_{1})$