11 комментариев к «Физика 8 класс. §30 Объяснение электрических явлений»

  1. Конечно, если бы ионы в кристаллической решетке не занимали бы устойчивое положение, то это значило бы, что проводник жидкий. Но с другой стороны механизм электропроводности расплавленых металлов, как и ртути, которая находится в жидком состоянии уже при нормальных условиях механизм электропроводности всё равно остаётся электронным. Это объясняется видимо тем, что электроны почти в 2000 раз легче протонов, а тем более ядер атомов расплавленного металла. Но существуют такие проводники, которые содержат заряженные частицы только в виде ионов разного знака. Разумеется в целом такие проводники также злектронейтральны. Это растворы кислот, щелочей, солей, расплавы солей. В твердом виде – это диэлектрики, а в растворе или расплаве они превращаются в проводники с ионной проводимостью – проводники второго рода (в отличие от проводников первого рода – проводников с электронной проводимостью, к которым относятся, в частности, все металлы). Это происходит потому, что молекулы или кристаллы этих веществ при растворении/расплавлении распадаются на противоположно заряженные ионы, которые при растворённом или расплавленном состоянии вещества становятся свободными носителями заряда. Так как в проводниках второго рода свободных электронов нет, то перемещение зарядов по такому проводнику возможно только путём движения ионов, причем в противоположных направлениях в зависимости от знака заряда иона.
    В отличие от проводников с электронной проводимостью в проводниках второго рода перемещение заряда по проводнику сопровождается переносом вещества и химическими реакциями, что и происходит, например, в химических источниках тока – гальванических элементах ("батарейках") и аккумуляторах.

  2. Термин "дырка" для металлических проводников употреблять некорректно. Этот термин употребляется для полупроводников. Полупроводники – это не проводники, которые проводят наполовину. По своим свойствам и механизму проводимости они являются родственниками диэлектриков. Это связано с типом химической связи между атомами вещества в кристалле. В металлах это так называемая металлическая связь, при которой валентные электроны атомов проводника, теряя связь с конкретным атомом, переходят в "коллективную собственность" всего кристалла и образуют так называемый "электроннай газ". В полупроводниках связь между атомами кристалла ковалентная, она образуется между соседними атомами кристалла с помощью электронных пар, содержащих по одному валентному электрону от каждого из двух соседних атомов. Классические полупроводники – это германий и кремний. При температуре близкой к абсолютному нулю свободных электронов в кристалле нет и полупроводник проявляет свойства диэлектрика. Но в полупроводнике ковалентные связи между атомами непрочны и с ростом температуры один из электронов пары может приобрести энергию достаточную, чтобы оторваться от атомов и перейти в пространство между узлами кристаллической решётки, то есть стать свободным, и таких повреждённых ковалентных связей с ростом температуры в кристалле полупроводника становится всё больше и больше. Место, которое он занимал в ковалентной связи между атомами остаётся вакантным, в него может "запрыгнуть" электрон из соседней полноценной ковалентной связи, но тогда она станет неполноценной, в ней появится вакансия. То есть эта вакансия перемещается в направлении противоположном направлению реального перемещения электрона в валентной зоне, а сама вакансия получила название "дырка", которой приписывается заряд, равный заряду электрона, но со знаком плюс. Понятие дырки удобно при описании процессов в полупроводниках. При протекании тока по полупроводнику идет как движение освободившихся электронов в зоне проводимости так и движение электронов в валентной зоне, где энергия электронов меньше, чем у электронов в свободной зоне, но наименьшая энергия электрона в свободной зоне у полупроводников только чуть больше, чем наибольшая энергия электронов в валентной зоне. Эта разница энергий называется шириной запрещённой зоны, электроны не могут иметь значений энергии из запрещённой зоны. Этого не позволяет квантовая механика. Чтобы попасть из валентной зоны в зону проводимости электрону необходимо сообщить энергию больше, чем ширина запрещённой зоны. Эту энергию электронам валентной зоны можно сообщить путем нагревания полупроводника, поэтому с ростом температуры увеличивается как число электронов в свободной зоне, так и число "дырок" в валентной зоне (что на самом деле есть убывание числа электронов в валентной зоне в атомах полупроводника). Этот процесс называется генерация пар "электрон-дырка". Происходит также и обратный процесс, который называется рекомбинацией электронно-дырочных пар. Но как свободные электроны так и дырки являются подвижными носителями заряда, поэтому электропроводность полупроводника с ростом температуры возрастает. А у металлов ширина запрещённой зоны равна нулю, все валентные электроны перешли в зону проводимости, в валентной зоне электронов не осталось, поэтому дырочной проводимости нет, осталась только электронная проводимость. Можно даже сказать, что и самой валентной зоны не осталось или она вошла в зону проводимости, стала её частью. Поэтому с ростом температуры не происходит образование (генерация) пар "электрон – дырка", и проводимость металлического проводника с ростом температуры не растет (не образуется новых носителей заряда), а падает, так как тепловое движение ионов кристаллической решётки только мешает движению электронов в зоне проводимости. Правда у ионов кристаллической решётки имеются электроны на внутренних электронных слоях, но они не являются свободными и не могут (как и ядра) принимать участие в переносе заряда через проводник. В диэлектриках ширина запрещённой зоны очень велика и нагревание скорее приведет к необратимому разрушению диэлектрика, чем к появлению проводимости. Конечно можно так нагреть, что диэлектрик обуглится(диэлектрики – это часто органические материалы), но после этого его остаётся только выбросить. Это, конечно, объяснение на качественном (в смысле не количественном) уровне, но такое объяснение даёт примерное представление о механизме проводимости проводников, полупроводников и диэлектриков.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.