Какие вещества называются проводниками

Проводники в электростатическом поле

В зависимости от электрических характеристик все вещества в физике принято делить на две большие категории — вещества, способные проводить электрический ток, и вещества, которые не проводят электричество. Первая категория носит название проводников, а вторая — диэлектриков или изоляторов.

Структура вещества представлена набором атомов, состоящих из зарядов. При отсутствии вокруг вещества внешнего поля, распределение частиц осуществляется таким образом, что сумма внутренних электрических полей имеет нулевое значение. В случае помещения вещества в среду внешнего электрического поля, оно оказывает воздействие на заряды. В результате частицы перераспределяются, что приводит к образованию собственного электрического поля. Полное электрическое поле \(\vec\) представляет собой сумму внешнего поля \(\vec>\) и внутреннего поля \( \vec>\) сформированного с помощью зарядов.

Проводником является тело или материал, в котором наблюдается перемещение электрических зарядов в процессе воздействия на них сколь угодно малой силы.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Какие вещества являются проводниками

Заряженные частицы в проводнике называют свободными. Металл обладает такими зарядами. Они носят название электронов. В веществах, которые являются растворами или расплавами солей, кислот и щелочей, в качестве свободных зарядов выступают ионы.

Проводники проводят электричество. Типичными проводниками принято считать металлы. Важной особенностью проводников является присутствие свободных зарядов, участвующих в тепловом движении и способных двигаться по всему объему вещества.

Если внешнее поле отсутствует, в любой области проводника положительные заряды, составляющие ионную решетку, компенсируют отрицательные свободные заряды. В итоге поверхность проводника наполняется нескомпенсированными положительными и отрицательными заряженными частицами. Такое явление носит название электростатической индукции. Образующиеся заряженные частицы на поверхности вещества называют индукционными зарядами. Такие заряженные частицы обладают собственным полем \(\vec>\) компенсирующим внешнее поле \(\vec>\) по всему объему проводника:

Полное электростатическое поле внутри проводника обладает нулевым значением. Во всех точках вещества потенциалы равны и соответствуют потенциалу, характерному для поверхности проводника.

В чем отличие проводника от диэлектрика

В отличие от диэлектрических веществ, материалы, которые способны проводить электричество, обладают высокой концентрацией свободных носителей заряда. Для металлов характерно присутствие свободных электронов, которые по сравнению со связанными электронами, перемещаются по всему объему вещества.

Образование свободных электронов связано с тем, что атомы металлических веществ обладают валентными электронами, слабо взаимодействующими с ядрами и достаточно просто теряющими связи с ними. Таким образом, металл является кристаллической решеткой, включающей узлы с положительными ионами, которые окружены отрицательным электронным газом.

В качестве примера можно поместить металлический предмет в электрическое поле, напряженность которого равна E0.

Вначале наблюдается образование поля с такой же напряженностью \(E_<0>\) внутри проводника. Данное поле будет воздействовать на свободные электроны. В результате заряды приходят в движение в противоположном направлении полю \(E_ <0>\) . В процессе распределения электронов образуется внутреннее поле $$E_<‘>$$. Его направление будет противоположно внешнему полю $$E_<0>$$. Перемещение электронов прекращается в том случае, когда суммарное поле внутри материала примет нулевое значение:

Данное равенство подтверждено многочисленными практическими опытами. Известно, что с помощью замкнутой проводящей оболочки целиком экранируется находящаяся внутри нее область от внешних электрических полей. Таким образом, образуется электростатическая защита.

Условия равновесного состояния заряда в проводнике

Можно представить пару точечных зарядов, модули которых одинаковы, а знаки противоположны. Такие заряженные частицы +q и –q отдалены друг от друга на некоторое расстояние. Они создают электростатическое поле, в котором наблюдают системы с взаимно перпендикулярными силовыми линиями и эквипотенциальными поверхностями. В качестве одной из таких поверхностей представлена плоскость. Она пролегает сквозь середину отрезка, который соединяет заряженные частицы. Плоскость обладает нулевым потенциалом, так как, исходя из принципа суперпозиции, если точки удалены на равные расстояния r1 = r2 от заряженных частиц, то:

Далее необходимо совместить плоскость и тонкую проводящую пластину с последующим ее заземлением.

Можно наблюдать, что поле при этом сохранит стабильность, так как все точки пластины обладают одинаковым потенциалом, равным нулю. При исключении заряда –q, который наблюдается за проводящей пластиной, поле перед ней не изменится. Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что при приближении тонкой проводящей заземленной пластины к точечному заряду электрическое поле, которое создают реальный заряд и его мнимое изображение противоположного знака в пластине, будет совпадать с полем в зеркале. Способ электростатических изображений не является универсальным методом, однако с его помощью можно упростить решение многих задач.

Примеры решения задач

Задача №1

Облако небольшого размера обладает зарядом q. Оно располагается на высоте h над землей. Если принять землю за проводник, то необходимо определить, какова напряженность поля, которое создает этот заряд на расстоянии S от точки, над которым расположен заряд. В этом случае кривизна поверхности не учитывается.

Решение

Точечный заряд имеет вид небольшого заряженного облака в данном случае. Для поля точечного заряда характерна сферическая симметрия. На поверхности земли наблюдается образование индуцированных зарядов. Линии напряженности исходят радиально из точечного заряда +q и достигать поверхности земли под прямым углом. В таком случае сторона, которая обращена к положительному заряду, покрывается отрицательными зарядами. На внутренней стороне поверхности земли заряды отсутствуют.

Справедливо утверждение, что отрицательные заряды, приходящие из земли, скомпенсируют положительный заряд, который образовался на внутренней поверхности земли. Результирующее поле будет соответствовать полю двух точечных равных, но разноименных зарядов, удаленных на расстояние 2h друг от друга. Поверхность земли при этом представляет собой эквипотенциальную поверхность. Таким образом:

Результирующее поле будет рассчитано следующим образом:

Задача №2

Требуется рассчитать поверхностную плотность \(\sigma\) заряда под зарядом.

Решение

Поверхностная плотность заряда представляет собой функцию координат на поверхности земли. Изменения вектора напряженности происходят скачками от E(r) до нулевых значений, так как внутри земли нет электрического поля. Изменения можно рассчитать таким образом:

С учетом отсутствия поля в земле уравнение можно записать в виде:

Из данного равенства следует:

Под зарядом \(S = 0\) , из чего следует:

Задача №3

Проводящий предмет обладает зарядом q и располагается внутри замкнутой металлической оболочки. Необходимо выяснить, изменится ли внешнее электрическое поле при перемещении объекта внутри оболочки.

Решение

Как бы ни располагался проводник с зарядом +q под оболочкой, его внутренняя поверхность будет обладать зарядом –q, распределенным так, что поле в структуре металла отсутствует. Верхняя сторона оболочки будет обладать зарядом +q, распределяемым таким образом, что поле в толще материала будет отсутствовать. Распределение заряда +q по внешней стороне оболочки не зависит от положения, которое занимает проводник внутри оболочки. Из этого можно сделать вывод, что изменения поля вне оболочки отсутствуют во время движения проводника внутри оболочки.

Можно представить, что оболочка обладает сферической формой. В этом случае индуцированный на ее внешней поверхности заряд, который распределен равномерно, сформирует вне оболочки поле, которое не определяется расположением и геометрическими размерами заряженного проводника внутри сферы и обладает сферической симметрией, а напряженность E и потенциал в каждой точке этого поля будут рассчитаны таким образом:

Где r является расстоянием от центра сферы до рассматриваемой точки.

Задача №4

Однородное электростатическое поле обладает напряженностью Е. В это поле помещают пластину из металла площадью S. Необходимо определить заряд, который будет индуцироваться на сторонах пластины.

Решение

Представим, что правой стороне пластины соответствуют положительно заряженные частицы, а левой — отрицательные. С помощью этих зарядов будет образовано поле с напряженностью, которую можно рассчитать по формуле:

Где σ является поверхностной плотностью зарядов.

Определив сумму полей, можно определить результирующее поле:

Исходя из того, что пластина представляет собой проводник, получаем равенство:

Из этого уравнения получим:

\(\sigma =\varepsilon _<0>E\)

В таком случае искомый заряд будет рассчитан по формуле:

\(q=\sigma S =\varepsilon _<0>ES\)

Задача №5

Пару металлических пластин расположили параллельно. Они отдалены на небольшое расстояние. Первую пластину заряжают положительно, ее заряд составляет q. Необходимо определить заряды, индуцированные на поверхности второй пластины.

Решение

Правая сторона второй пластины будет обладать положительным зарядом, а левая — отрицательным. С помощью этих зарядов будет образовано поле с напряженностью:

Где q является величиной заряда, который образован на сторонах второй пластины, S представляет собой площадь пластины.

Кроме общего поля на второй пластине будет сформировано поле:

Данное поле формируется с помощью заряда первой пластины. Результирующее поле будет обладать нулевым значением. Таким образом:

проводники

ПРОВОДНИКИ — класс веществ, обладающих способностью хорошо проводить электрический ток, т. е. имеющих высокую электропроводность. К П. относятся (см.), (см.) и (см.). Природа проводимости бывает различной, а деление на П. и непроводники условно, т.к.… … Большая политехническая энциклопедия

ПРОВОДНИКИ — тонкие тросы, служащие для передачи с помощью их более толстых тросов одного судна на другое, на стенку, пристань и т. д. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ Союза ССР, 1941 ПРОВОДНИКИ… … Морской словарь

ПРОВОДНИКИ — вещества, хорошо проводящие электрический ток благодаря наличию в них большого количества подвижных заряженных частиц. Делятся на электронные (металлы, полупроводники), ионные (электролиты) и смешанные, где имеет место движение как электронов,… … Большой Энциклопедический словарь

ПРОВОДНИКИ — вещества, хорошо проводящие электрич. ток, т. е. обладающие высокой электропроводностью s (низким уд. сопротивлением r=1/s). К хорошим П. обычно относят в ва с r … Физическая энциклопедия

Проводники — Электрический провод Проводник вещество, проводящее электрический ток. Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны металлы, полуметаллы. Пример проводящих жидкостей электролиты. Пример проводящих газов ионизированный газ… … Википедия

Проводники — электрические, вещества, хорошо проводящие электрический ток, т. е. обладающие высокой электропроводностью (низким удельным сопротивлением ρ). К хорошим П. обычно относят вещества с ρ ≤ 10 6 ом․см. В противоположность П. изоляторы… … Большая советская энциклопедия

проводники внешних цепей — (В щитке) должны предусматриваться места для размещения проводников внешних цепей и удобного их присоединения к аппаратам и зажимам. [ГОСТ Р 51778 2001] Тематики НКУ (шкафы, пульты, . )электропроводка, электромонтаж … Справочник технического переводчика

проводники с непрерывной транспозицией — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN continuously transposed conductorsCTCs … Справочник технического переводчика

проводники с последовательной транспозицией — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN continuously transposed conductors … Справочник технического переводчика

Что такое проводник и диэлектрик?

Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока.

Что представляют собой проводники?

Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу.

Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.

Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод.

Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:

• показатель сопротивления;
• показатель электропроводности.

Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.

Например кабельная продукция: медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.

Что представляют собой диэлектрики?

Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу.

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы.

Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств.

Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач.

Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц.

Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.

Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос).

Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно.

Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы.

Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах.

Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля.

Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника.

Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным.

Что такое полупроводник?

Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника.

С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы.

Какие вещества называются проводниками

Проводник – тело, проводящее электрический ток. Различают проводники первого и второго рода.
К первому роду относят: все металлы и их сплавы.
Ко второму роду относят: водные растворы кислот, солей и щелочей.
Чем выше температура тела, тем меньше оно проводит электрический ток, и, наоборот, со снижением температуры проводимость увеличивается.
Металлы с высокой проводимостью используют для кабелей, проводов, обмоток трансформаторов. Металлы и сплавы с низкой проводимостью применяются в лампах накаливания, электронагревательных приборах, реостатах.
Основной параметр, характеризующий проводник – это электрическое сопротивление. Оно выражается отношением падения напряжения в проводнике к току, протекающему по нему, и зависит от температуры окружающей среды.

Применение проводников:
Проводники используют для заземления электроустановок. В качестве заземляющих проводников и заземлителей используют металлические конструкции сооружений и зданий, соблюдая при этом непрерывность и проводимость цепи. Для заземляющих проводников используют обычно сталь. Если необходимы гибкие перемычки и в других случаях, применяют медь.
Проводники также могут использоваться для выравнивания потенциалов.
Проводники используют в громоотводе, отводя молнию в землю, чтобы она не нанесла никаких повреждений.
Существуют проводники с высоким удельным сопротивлением, которые стойкие к окислению. Такие материалы применяют в электронагревательных приборах, они обладают высокой пластичностью и могут вытягиваться в тонкую проволоку и выкатываться в фольгу. Одним из таких проводником является алюминий.

Механизм проводимости:
Кристаллы имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями. При низких t°C у чистых полупроводников свободных электронов нет и он ведет себя как диэлектрик (вещества, которые плохо проводят или совсем не проводят электрический ток).
Свойства диэлектриков:

• Физико – механические и химические свойства диэлектриков
• Влажностные свойства диэлектриков
• Тепловые свойства диэлектриков
• Поляризация К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стёкла, различные смолы, пластмассы, многие виды резины.

• Металлах
• Жидкостях
• Газах
• Полупроводниках
• Вакууме

Занимают по проводимости промежуточное
положение между проводниками и диэлектриками

1) электронная (проводимость «n » — типа)
Рассмотрим проводимость полупроводников на основе кремния Si

Кремний – 4 валентный химический элемент. Каждый атом имеет
во внешнем электронном слое по 4 электрона, которые используются
для образования парноэлектронных (ковалентных) связей с 4 соседними атомами.

• Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности эл.поля.
• Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

свободный электрон
Под воздействием электрического поля электроны и дырки
начинают упорядоченное (встречное) движение, образуя электрический ток.

• Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение «дырки» равноценно перемещению положительного заряда.
• Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.

Собственная проводимость полупроводников явно недостаточна для технического применения полупроводников Поэтому для увеличение проводимости в чистые полупроводники внедряют примеси (легируют) , которые бывают:
1) донорные примеси (отдающие)

При легировании 4 – валентного кремния Si 5 – валентным мышьяком As,
один из 5 электронов мышьяка становится свободным
Таким образом изменяя концентрацию мышьяка, можно в широких
пределах изменять проводимость кремния.

• Это проводники » n » — типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда — электроны, а неосновной — дырки.

Изменяя концентрацию индия, можно в широких пределах
изменять проводимость кремния, создавая полупроводник с
заданными электрическими свойствами.

• создают «дырки» , забирая в себя электроны.
• это полупроводники » p «- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда — дырки, а неосновной — электроны.

Помимо основных носителей в полупроводнике существует очень малое число неосновных носителей заряда, количество которых растет при увеличении t°C.

Основным стимулом для изучения полупроводников является производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем — это в первую очередь относится к кремнию, но затрагивает и другие соединения (Ge, GaAs, InP, InSb).

Кремний — непрямозонный полупроводник, оптические свойства которого широко используются для создания фотодиодов и солнечных батарей, однако его очень трудно заставить работать в качестве источника света, и здесь вне конкуренции прямозонные полупроводники — соединения типа AIIIBV, среди которых можно выделить GaAs, GaN, которые используются для создания светодиодов и полупроводниковых лазеров.

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы — диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании замечательных материалов с электронной или дырочной проводимостью.

Полупроводниковый диод – это p – n переход, заключенный в корпус.

Транзистор – это полупроводниковый прибор, в котором полупроводниковые
пластинки соприкасаются таким образом, что возникает два p-n перехода.

Широкое применение полупроводников началось сравнительно недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод. Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе — лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах. Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.

В 1956 г. Ш., Бардин и Браттейн были удостоены
Нобелевской премии по физике «за исследования
полупроводников и открытие транзисторного эффекта».