Лекція 16. Провідники та діелектрики в електричному полі.
Електричне поле розповсюджується вздовж провідника зі швидкістю 300 000 кілометрів на секунду. За секунду поле здатне оббігти навколо Землі майже сім з половиною разів. Як не дивно, швидкість носіїв електричних зарядів значно менша. Швидкість направленого руху електронів у провідниках, а окрім направленого існує ще й хаотичний тепловий рух, який на перенесення зарядів вздовж провідника не впливає, залежить від густини струму. Через нитку розжарювання електричної лампи електрони рухаються зі швидкістю всього 1-2 сантиметри на секунду, у той час як у шнурах та кабелях ця швидкість ніколи не буває більшою за 2-3 міліметри на секунду.
Виникає питання, чому ж включаючи світло, ми бачимо як миттєво спалахує лампочка? Замикаючи електричне коло ми даємо можливість електричному полю рухати носії електричного заряду вздовж провідника. Поле розповсюджується майже миттєво (зі швидкістю світла), на тепловий рух всіх вільних електронів, одночасно, накладається рух вздовж ліній електричного поля. Тому прийнято вважати, що струм розповсюджується зі швидкістюелектричного поля.
Кількість вільних електронів у одному сантиметрі кубічному металу величезна: 100 000 000 000 000 000 000! Це більше кількості піщинок у ста вагонах з піском. Метали в цілому нейтральні речовини, оскільки позитивний заряд іонів компенсується негативним зарядом вільних електронів, що утворюють ніби електронний газ, який заповнює увесь провідник. Уявлення про електронний газ дуже зручне у певних межах, але воно не пояснює багатьох явищ, наприклад незрозуміло, чому при підвищенні температури опір металів зростає, а про глибокому зниженні виникає ефект надпровідності. У напівпровідниках навпаки - з підвищенням температури опір знижується, при глибокому охолодженні напівпровідник поводиться як діелектрик. Проблему розв'язала квантова теорія провідності твердих тіл, що базується на зонній теорії.
У загальних рисах все досить просто, електрони у атомах можуть приймати лише певні величини енергії, кожна така величина являє собою енергетичний рівень.
Для наочності зображають рівні у вигляді горизонтальних прямих. Рівні згруповано у зони відділені одна від одної енергетичними проміжками.
У металів енергетичні зони або перекриваються, або не повністю заповнені електронами. Відстань між енергетичними рівнями всередині зони 10-28 еВ, у електричному полі зовнішнього джерела електрон набуває набагато більших енергій: 10-4 - 10-8 еВ, що дозволяє йому з легкістю переходити з рівня на рівень.
У напівпровідниках та діелектриках заповнена зона відділена від свободної зони енергетичним проміжком шириною к декілька електрон вольт. Подолати енергетичний проміжок лише за рахунок теплової енергії електрони не можуть, хоча з ростом температури кількість електронів що перескочили бар'єр зростатиме.
Саме тому з ростом температури провідність напівпровідників зростає, на відміну від металів, де з ростом температури все більше енергетичних рівнів виявляються зайнятими, що призводить до зменшення провідності. Бо електрону все важче знайти вільний енергетичний рівень для наступного скачка.
Діелектрики відрізняються від напівпровідників ширшою забороненою зоною. Наявність домішок створює всередині забороненої зони напівпровідників додаткові енергетичні рівні, що має велике значення для виробництва напівпровідникових приладів та мікросхем. Властивості напівпровідника значною мірою залежать від мікроскопічних кількостей домішок. Змінюючи кількість домішок від десятимільйонних долей відсотка до 0,1 - 1 % можна змінювати проводимість у мільйони разів.
Другою важливою особливістю напівпровідників є те що електричний струм у них створюють не лише негативні заряди - електрони, але й рівні їм за величиною позитивні заряди - дірки.
Дірка - це не нова єлементарна частка, дірка утворюється, коли електрон з зовнішньої оболонки атома отримує достатньо енергії щоб відірватися від свого атому і отримати можливість мандрувати всередині кристалічної решітки , тобто стане потенційним носієм струму. Електричне поле атому перестає бути нейтральним, набувши позитивного заряду рівного за величиною заряду втраченого електрона. Вакантне місце, що залишилось після електрона називають діркою. Оскільки на це місце може з легкістю перескочити електрон найближчого атому, утворюючи тим самим нову дірку на своєму "старому" місці, а на його місце перескоче інший електрон від сусіднього атому, дірка починає так само вільно переміщуватись, виявляючи всі ознаки носія позитивного електричного заряду. Діелектрик не має вільних електронів. Позитивні і негативні заряди у діелектриках можуть переміщуватися лише у межах однієї молекули. За відсутності зовнішнього електричного поля заряди роззосереджені по об'єму діелектрика рівномірно. Під впливом зовнішнього електричного поля заряди, що входять до складу кожної молекули, зміщуються у протилежних напдямках, в наслідок чого на поверхні діелектрика з'являються електрично заряджені області. Відбувається полярізація діелектрика.
Полярізація діелектрика і індукція зарядів на провіднику це абсолютно різні речі. Якщо ми розріжемо провідник у електричному полі, ми отримаємо два різнознаково заряджені провідника, що збережуть заряд і поза дією зовнішнього електричного поля. Носії зарядів - електрони перемістяться під дією електричного поля на значну відстань. Полярізаційні заряди діелектрика розділіти не вдасться, після зняття дії електричного поля половинки залишаться електрично нейтральними.