Электрические свойства

Электрические свойства

Уравнения Максвелла устанавливают зависимость четырех основных характеристик электромагнитного поля (ЭМП) (векторов ) от электрических и магнитных параметров среды (s, e, m), в которой существует поле. Здесь s – удельная электропроводность, e – диэлектрическая проницаемость, m – магнитная проницаемость этой среды.

Под действием электромагнитного поля в любом веществе происходит перемещение свободных зарядов. Различают свободные и связанные электрические заряды. В зависимости от преобладания того или иного вида зарядов все материалы подразделяются на проводники и непроводники (полупроводники и диэлектрики).

При воздействии электромагнитного поля на твердый проводник приходят в движение свободные носители заряда – электроны, покидая пределы атомов и молекул, которым они принадлежат. Такое явление называется электропроводностью. Разобщенные заряды разных знаков (электроны и ионы) полностью экранируют внутренний объем проводника от внешнего поля, поэтому внутри проводника электрическое поле отсутствует.

Явление смещения связанных зарядов на ограниченное расстояние, как правило сопоставимое с межатомным, называется поляризацией. Смещение связанных зарядов под действием электрического поля характерно для диэлектриков, т.е. материалов с низкой концентрацией свободных носителей заряда. В этом случае внешнее электрическое поле не приводит к пространственному (макроскопическому) разделению разноименных зарядов, поэтому в единице объема диэлектрика сохраняется электронейтральность. Диэлектрик ведет себя подобно электрическому диполю с разноименно заряженными полюсами (поверхностями), при этом внешнее поле экранируется, но не полностью, а лишь частично. Поляризация диэлектрика создает внутреннее электрическое поле, направленное противоположно внешнему.

Электрические свойства материалов наиболее полно раскрывают их природу и сущность. Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводность, т.е. способность проводить электрический ток под воздействием приложенного постоянного электрического напряжения. Электрический ток – это упорядоченное, направленное движение электрических зарядов в пространстве. При отсутствии электрического поля тепловое движение носителей заряда является хаотическим.

Если в веществе существуют свободные носители заряда только одного вида, то плотность тока j, т.е. электрический заряд, переносимый за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к напряженности электрического поля , равна:

                                           ,                                               (1.1)

где q – заряд, Кл; n – число находящихся в единице объема вещества свободных носителей заряда  (концентрация носителей, м^-3); u – средняя скорость упорядоченного движения носителей (дрейфовая скорость), возникшего под действием электрического поля, м/с. Обычно эта скорость пропорциональна напряженности поля e:

                                             ,                                                 (1.2)

Рекомендуемые материалы

где m – коэффициент пропорциональности, называемый подвижностью свободных носителей заряда, м²/(В'с), см²/(В'с).

С учетом (1.2) уравнение (1.1) можно представить в виде

                                         j = se = e/r,                                             (1.3)

где s = qnm – удельная электрическая проводимость, См/м; r = 1/s – удельное электрическое сопротивление, Ом'м.

В более общем случае, когда в веществе присутствуют носители заряда разных видов, удельная проводимость представляет собой сумму отдельных составляющих электропроводности:

                                       s = 5_q_i_n_im_I,                                           (1.4)

причем суммирование распространяется на все виды носителей заряда.

Уравнение (1.3) выражает закон Ома в дифференциальной форме. Удельная проводимость и удельное сопротивление определяют плотность тока в веществе при заданной напряженности электрического поля, т.е. являются количественными параметрами электропроводности вещества.

Параметры s или r определяют также рассеяние электрической энергии в веществе при постоянном поле. Закон Джоуля–Ленца в дифференциальной форме имеет вид

                                       E = se² = e²/r,                                           (1.5)

где Е – энергия электрического поля с напряженностью e, превращающаяся в тепло за единицу времени в единице объема вещества, т.е. удельная мощность,  Вт/м³.

Значения r и s разных материалов как естественного, так и искусственного (синтетического) происхождения находятся в широком диапазоне. У веществ в сверхпроводящем состоянии удельное сопротивление практически равно нулю, а у разреженных газов стремится к бесконечности. Значения r твердых веществ охватывают 25 порядков: от r ~10^-8 Ом'м для лучших металлических проводников (серебро, медь) до r ~10¹⁷ Ом'м для лучших диэлектриков (кварц, фторопласт-4).

Обратите внимание на лекцию "25 Злоупотребление циклодолом".

Обычно к проводникам относят вещества с удельным сопротивлением менее 10^-5 Ом'м, к диэлектрикам – с r более 10⁷ Ом'м; удельное сопротивление полупроводников составляет 10^-6 - 10⁹ Ом'м [3]. Как следует из (1.4), величина электропроводности материала зависит от концентрации носителей заряда и их подвижности. Подвижность носителей в одном и том же материале может меняться в тысячи раз, но наиболее характерны ее значения: для металлов – десятки, для кристаллических полупроводников – тысячи см²/(В'с). Подвижность ионов, которые являются преобладающими носителями заряда в диэлектриках, гораздо ниже: m = 10^-7 - 10^-2 см²/(В'с).

При классификации материалов по электрическим свойствам, кроме значения r, необходимо учитывать и физическую природу электропроводности, в частности вид свободных носителей заряда, зависимость электропроводности от температуры [1–4].

Кратко остановимся на основных технических применениях проводников, полупроводников и диэлектриков.

Проводниковые материалы предназначены для проведения электрического тока. К ним также относятся, с одной стороны, сверх- и криопроводниковые материалы, удельное сопротивление которых при низких (криогенных) температурах весьма мало, а с другой – материалы высокого сопротивления, применяемые для изготовления резисторов и электронагревательных элементов.

Полупроводниковые материалы используют в технике в тех случаях, когда необходимо управление проводимостью материала (или прибора) с помощью электрического напряжения, температуры, освещенности и др. Из этих материалов изготавливают диоды, транзисторы, термисторы, свето- и фоторезисторы, другие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы.

Диэлектрические материалы как вещества с высоким удельным сопротивлением применяют в качестве электроизоляционных, которые препятствуют прохождению тока нежелательными путями. В конденсаторах диэлектрические материалы служат для создания необходимой электрической емкости.