Sibprompost.ru

Стройка и ремонт
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Вещество плохо проводящее теплоту или электрический ток это

ДИЭЛЕКТРИКИ

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

  • ДИХРОИЗМ
  • ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ

Полезное

Смотреть что такое «ДИЭЛЕКТРИКИ» в других словарях:

ДИЭЛЕКТРИКИ — ДИЭЛЕКТРИКИ, вещества, плохо проводящие электрический ток (удельное сопротивление порядка 1010 Ом?м). Существуют твердые, жидкие и газообразные диэлектрики. Внешнее электрическое поле вызывает поляризацию диэлектрика. В некоторых твердых… … Современная энциклопедия

Диэлектрики — ДИЭЛЕКТРИКИ, вещества, плохо проводящие электрический ток (удельное сопротивление порядка 1010 Ом´м). Существуют твердые, жидкие и газообразные диэлектрики. Внешнее электрическое поле вызывает поляризацию диэлектрика. В некоторых твердых… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

ДИЭЛЕКТРИКИ — вещества, плохо проводящие электрический ток (удельное электросопротивление 108 1012 Ом?см). Существуют твердые, жидкие и газообразные диэлектрики. Внешнее электрическое поле вызывает поляризацию диэлектриков. В некоторых твердых диэлектриках… … Большой Энциклопедический словарь

ДИЭЛЕКТРИКИ — ДИЭЛЕКТРИКИ, непроводники, или изоляторы тела, плохо проводящие или совершенно не проводящие электричества. Такими телами являются напр. стекло, слюда, сера, парафин, эбонит, фарфор и т. п. В течение долгого времени при изучении электричества… … Большая медицинская энциклопедия

ДИЭЛЕКТРИКИ — (изоляторы) вещества, не проводящие электрического тока. Примеры диэлектриков: слюда, янтарь, каучук, сера, стекло, фарфор, различные сорта масел и др. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ Союза … Морской словарь

Диэлектрики — название, данное Михаилом Фарадеем телам непроводящимили, иначе, дурно проводящим электричество, как, напр., воздух, стекло,различные смолы, сера и т. д. Подобные тела называются такжеизоляторами. До исследований Фарадея, произведенных в 30 х… … Энциклопедия Брокгауза и Ефрона

ДИЭЛЕКТРИКИ — вещества, практически не проводящие электрический ток; бывают твёрдыми, жидкими и газообразными. Во внешнем электрическом поле Д. поляризуются. Их используют для изоляции электротехнических устройств, в электрических конденсаторах, в квантовой… … Большая политехническая энциклопедия

Диэлектрики — вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «Д.» (от греч. diá через и англ. electric электрический) введён М. Фарадеем (См. Фарадей) для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля. В любом веществе,… … Большая советская энциклопедия

диэлектрики — вещества, плохо проводящие электрический ток (электропроводность диэлектрики10 8 10 17 Ом 1·см 1). Существуют твёрдые, жидкие и газообразные диэлектрики. Внешнее электрическое поле вызывает поляризацию диэлектриков. В некоторых твердых… … Энциклопедический словарь

Диэлектрики — Диэлектрик (изолятор) вещество, плохо проводящее или совсем не проводящее электрический ток. Концетрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 см 3. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем … Википедия

Твердые ионные вещества

Хлористый натрий и медь имеют очень высокие температуры плавления и температуры кипения. У этих твердых веществ мало других общих свойств. Хлористый натрий не обладает свойствами, характерными для металла. Он не имеет блеска, образует прозрачные кристаллы. Хлористый натрий не проводит электрический ток и плохо проводит тепло. Силы, удерживающие ионы в кристалле, отличаются от сил, действующих в металле.

Кристалл хлористого натрия состоит из равного числа атомов натрия и хлора, но они не объединены в молекулы. На основании многочисленных экспериментальных данных химики пришли к выводу, что кристаллы хлористого натрия построены из ионов натрия Na + и ионов хлора Сl, а не из нейтральных атомов или молекул. Числа ионов Na + и Сl должны быть равны, так как кристалл в целом электрически нейтрален. Между противоположно заряженными частицами существует электростатическое притяжение. Это притяжение между положительными и отрицательными ионами обусловливает образование ионного твердого вещества.

Чтобы представить состав такого вещества, рассмотрим формулу NaCl. Разумеется, эта формула не указывает на присутствие в кристалле молекул NaCl, это не молекулярная формула. Поскольку формула NaCl показывает только состав, она называется эмпирической формулой.

Электропроводность твердых веществ

Температуры плавления и теплоты плавления различных твердых веществ изменяются в очень широких пределах. Так, для того чтобы расплавить 1 моль твердого неона, надо затратить 80 кал тепла, а для расплавления 1 моля меди требуется больше 3000 кал. Одни твердые вещества растворяются в воде, образуя растворы, проводящие электрический ток (например, хлористый натрий), другие растворяются в воде, но образующийся раствор не проводит ток (например, сахар). Некоторые твердые вещества растворяются в этиловом спирте, но нерастворимы в воде (например, йод). Твердые вещества различаются также по внешнему виду. Мало общего между прозрачным куском стекла и блестящим куском алюминиевой фольги или между куском угля и прозрачным кристаллом хлористого натрия.

Высокая электропроводность таких веществ, как медь или серебро, известна всем. Измерения электропроводности многих других твердых веществ показывают, что все вещества, которые проводят электрический ток так же хорошо, как медь и серебро, напоминают их и по внешнему виду. Почти все эти хорошие проводники — металлы. Наиболее характерным свойством металла является высокая электропроводность.

Читайте так же:
Выключатели для теплого пола электролюкс

Свойства растворов

Хотя многие растворы бесцветны и по внешнему виду напоминают чистую воду, они очень сильно различаются по свойствам. Это можно показать на пяти чистых веществах — хлористом натрии, йоде, сахаре, этиловом спирте и воде. Этиловый спирт и вода при комнатной температуре — жидкости, остальные — твердые вещества. Познакомимся со свойствами растворов, которые образуют эти жидкости.

Сначала рассмотрим качественно растворимость твердых веществ в жидкостях. Добавляя небольшое количество каждого твердого вещества в 1 мл жидкости, мы легко обнаруживаем, что сахар растворяется в воде и в этиловом спирте, хлористый натрий хорошо растворяется в воде, но плохо — в этиловом спирте, а йод плохо растворяется в воде, но хорошо — в этиловом спирте. Таким образом, мы видим, что растворяющая способность двух выбранных нами растворителей весьма различна, по крайней мере, по отношению к хлористому натрию, сахару и йоду.

В описанном выше опыте мы получаем четыре раствора, содержащих значительное количество растворенного вещества:

IIIIIIIV
Сахар в водеСахар в этиловом спиртеХлористый настрий в водеЙод в этиловом спирте

Раствор IV легко отличить от трех остальных. Этот раствор имеет темно- коричневую окраску, три других раствора бесцветны. Их легко различить на вкус, но химики располагают более безопасными и надежными способами. Эти растворы заметно различаются по способности проводить электрический ток. Растворы сахара I и II имеют фактически такую же электропроводность, как и чистые растворители, — они практически не проводят ток. Раствор III проводит ток намного лучше, чем чистая вода.

Электропроводность водных растворов

Движение электрических зарядов называется электрическим током. Поэтому когда мы говорим, что через раствор проходит электрический ток, мы имеем в виду, что в растворе происходит перенос электрических зарядов. Из данного раздела мы узнаем, как происходит этот перенос.

Вода очень плохо проводит электрический ток. Однако водный раствор хлористого натрия является хорошим проводником. Увеличению электропроводности способствует растворенная соль. Каким образом растворение соли создает условия для переноса зарядов в жидкости? Одним из возможных объяснений может быть предположение, что при растворении соли в воде образуются частицы, несущие электрический заряд. В результате движения этих заряженных частиц через раствор возникает ток. В данном случае растворенная соль имеет формулу NaCl, т. е. на каждый атом натрия приходится один атом хлора. Химики пришли к выводу, что при растворении хлористого натрия в воде атомы хлора приобретают отрицательный заряд, равный заряду электрона, а атомы натрия — положительный заряд, равный заряду протона. Атомы или молекулы, которые несут электрический заряд, называются ионами.

Отрицательный хлор-ион обозначается Cl — , а положительный ион натрия — Na + . Используя эти обозначения, можно записать уравнение для процесса растворения хлористого натрия в воде:

NaCl (тв) + Н2О ? Na + (водн) + Сl — (водн) (1)

Уравнение (1) показывает, что при растворении хлористого натрия в воде в растворе образуются ионы натрия и хлор-ионы. Химики обычно придерживаются более краткой формы записи, так как она передает суть процесса:

Растворимость

Твердое вещество при внесении в жидкость начинает растворяться. При этом концентрация раствора увеличивается. После того как растворится все твердое вещество, концентрация раствора становится постоянной и определяется относительными количествами растворенного вещества и растворителя. Если теперь к раствору добавить еще некоторое количество твердого вещества, то его концентрация снова увеличится. Однако наступает такой момент, когда при дальнейшем добавлении растворяемого вещества концентрация раствора уже не будет увеличиваться. В результате растворения в определенном количестве жидкости всего твердого вещества, которое может в нем раствориться, достигается концентрация, соответствующая растворимости этого твердого вещества. Раствор, находящийся в равновесии с избытком растворенного вещества, называется насыщенным.

Растворимость твердых веществ в жидкостях весьма различна. Например, хлористый натрий продолжает растворяться в воде при 20° С до тех пор, пока концентрация не станет равной примерно 6 М. Это значит, что растворимость NaCl в воде при 20° С равна 6 моль/л. Растворимость NaCl в этиловом спирте при той же температуре составляет лишь 0,009 моль/л. Даже для одной и той же жидкости растворимости различаются в широких пределах. Так, растворимость хлористого кальция СаСl2 и азотнокислого серебра AgNO3 в воде превышает 1 моль/л, а растворимость хлористого серебра AgCl составляет лишь 10 -5 моль/л.

Взаимодействие электрических зарядов

С помощью батареи шарам электрометра можно сообщить электрические заряды. В этом случае шары оказывают друг на друга определенное воздействие. Принцип действия электрохимического элемента чрезвычайно важен для химии. Источником электрических зарядов является батарея. Тем самым мы как бы признаем, что вещество, находящееся в электрохимических элементах, содержит электрические заряды.

Возникает вопрос: «Почему два шара электрометра после приобретения зарядов взаимодействуют друг с другом?» Как мы объясним это явление? Мы говорим, что шары имеют избыток электронов (или протонов) и эти электроны (или протоны) взаимодействуют друг с другом. Но это не дает реального объяснения действию электрических сил на расстоянии. Теперь нам предстоит ответить на аналогичные вопросы: «Почему два электрона (или два протона) взаимно отталкиваются? Почему электрон притягивает протон?» Отметим пока следующее: «Способность приобретать электрический заряд — основное свойство материи. Тело, получившее заряд, взаимодействует с другими заряженными телами». Такое утверждение может быть принято в качестве определения основного свойства — свойства, которое обычно наблюдается, но еще не получило успешного объяснения. Не объясняя само свойство, мы называем его основным. Весьма любопытно, что после того как свойство, для которого длительное время трудно было найти объяснение, названо основным, его объяснение уже не кажется необходимым.

Читайте так же:
Что такое тепловое поражение электрическим током

Компонентами раствора являются чистые вещества, которые при смешении образуют раствор. Если раствор двухкомпонентный, то один из компонентов называется растворителем, а другой — растворенным веществом. Эти термины приняты просто для удобства. Поскольку для получения раствора необходимо смешать оба компонента, между ними нельзя провести четкого разграничения. Когда приготовляют раствор из чистой жидкости и твердого вещества, жидкий компонент обычно называют растворителем.

Чтобы выразить состав раствора, мы должны указать относительные количества и природу компонентов. Эти относительные количества называются концентрациями. Концентрации можно выражать по-разному. Мы рассмотрим здесь один из способов выражения концентрации.

Химики часто выражают концентрацию твердого вещества в водном растворе числом молей этого вещества в 1 л раствора. Это так называемая молярная концентрация. Одномолярный (1М) раствор содержит 1 моль растворенного вещества в 1 л раствора, двухмолярный (2М) — 2 моля растворенного вещества в 1 л и децимолярный (0,1М ) — 0,1 моля растворенного вещества в 1 л раствора. Концентрация воды не указывается, хотя для приготовления раствора необходимо добавлять определенное количество воды.

Обнаружение электрического заряда

Простейший электрометр состоит из двух очень легких шаров, покрытых тонкой металлической пленкой. Шары подвешивают близко друг к другу на тонких металлических нитях в закрытой коробке, чтобы исключить атмосферное влияние. Каждый из шаров присоединен к медной клемме. С коробкой соединена батарея — набор электрохимических элементов. У батареи имеются два полюса: Р1, и Р2. Если полюс Р1 соединить медной проволокой с левой клеммой электрометра, а полюс Р2 — с правой, то мы заметим, что шары будут двигаться по направлению друг к другу. Очевидно, через проволоки шарам была сообщена способность к взаимному влиянию — сила притяжения. Эта сила продолжает действовать и в том случае, когда из электрометра с помощью вакуум-насоса откачивают воздух. Шары притягиваются друг к другу, будучи разделенными «пустым пространством». Они чувствуют «силу на расстоянии».

Если теперь разъединить проволоки, то сила притяжения сохраняется. Однако если две клеммы электрометра соединить медной проволокой, то шары возвращаются в первоначальное положение и снова висят вертикально. Притяжение исчезает.

Мы видим, что с помощью батареи можно сообщить шарам способность к взаимному притяжению. Естественно предположить, что от батареи что-то передавалось шарам. Это «что-то» называется электрическим зарядом. Перемещение этого электрического заряда от батареи по металлическим проволокам к шарам называется электрическим током. Электрический заряд исчезает, когда шары электрометра соединены медной проволокой.

Жидкие растворы

В лабораторной практике мы имеем дело преимущественно с жидкими растворами. Они могут быть получены смешением двух жидкостей (например, спирта и воды), растворением газа в жидкости (например, двуокиси углерода в воде) или растворением твердого вещества в жидкости (например, сахара в воде). В результате образуется гомогенная система — раствор, который состоит более чем из одного компонента. В случае жидкого раствора компоненты взаимно разбавляются. В соленой воде соль разбавляет воду, а вода, разумеется, разбавляет соль. Этот раствор только частично состоит из молекул воды. Было показано, что давление пара раствора соответственно ниже, чем давление пара чистой воды. Если вода должна быть нагрета до 100° С, чтобы ее давление пара возросло до 760 мм рт. ст., то для достижения такого же давления пара раствор соли необходимо нагреть до более высокой температуры. Следовательно, температура кипения соленой воды выше, чем температура кипения чистой воды. Степень повышения температуры кипения раствора зависит от относительных количеств воды и соли. Чем больше соли растворяют в воде, тем выше температура кипения раствора.

Аналогично этому соленая вода и раствор спирта в воде замерзают при более низких температурах, чем чистая вода. На этом основано действие антифризов, которые добавляют к воде, используемой в автомобильных радиаторах. Антифризы растворяются в воде, залитой в радиатор, и понижают ее температуру замерзания. Степень понижения температуры замерзания также зависит от относительных количеств воды и антифриза.

Электрические явления

Известно, что по электропроводности можно различать растворы. Однако химику необходимо знать гораздо больше об электрической природе материи. Понимание свойств веществ, связанных с их электрической природой, явится ключом к объяснению химических свойств. Мы увидим, что знание природы электрических явлений позволяет предсказывать молекулярные формулы, объяснять течение химических реакций и понимать энергетические изменения, которые происходят при этих реакциях.

Читайте так же:
Тепловое реле для автоматического выключателя

Ниже приведены наиболее известные электрические явления, встречающиеся в жизни:

1. Притяжение волос к гребню в сухой день.

2. Вспышка молнии.

3. Удар, который вы испытываете, если возьметесь за голый провод в радиоприемнике.

4. Тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через электронагреватель.

5. Свет, испускаемый нитью лампы накаливания при прохождении через нее электрического тока.

Твердые растворы

Твердые растворы встречаются реже. Устойчивость кристаллов определяется закономерностью в расположении атомов. Посторонний атом нарушает эту закономерность и, следовательно, уменьшает устойчивость кристалла. Поэтому при образовании кристалла наблюдается тенденция к удалению посторонних атомов из кристаллической решетки. Вот почему перекристаллизация является хорошим методом очистки вещества.

Однако металлы довольно часто образуют твердые растворы. Атомы одного элемента могут входить в кристалл другого элемента, если они близки по размерам. Золото и медь образуют такие твердые растворы. Атомы золота могут замещать атомы меди в кристалле меди. Атомы меди тоже могут замещать атомы золота в кристалле золота. Подобные твердые растворы называются сплавами. Некоторые твердые металлы растворяют водород или углерод. Например, сталь — это железо, содержащее небольшое количество растворенного углерода.

Проводники электрического тока

Каждый человек, постоянно пользуясь электроприборами, сталкивается с:

1. проводниками, которые пропускают электрический ток;

2. диэлектриками, обладающими изоляционными свойствами;

3. полупроводниками, сочетающими в себе характеристики первых двух типов веществ и изменяющие их в зависимости от приложенного управляющего сигнала.

Отличительной чертой каждой из перечисленных групп является свойство электропроводности.

Что такое проводник

К проводникам относят те вещества, которые имеют в своей структуре большое количество свободных, а не связанных электрических зарядов, способных начинать движение под воздействием приложенной внешней силы. Они могут быть в твердом, жидком или газообразном состоянии.

Если взять два проводника, между которыми образована разность потенциалов и подключить внутри них металлическую проволоку, то сквозь нее потечет электрический ток. Его носителями станут свободные электроны, не удерживаемые связями атомов. Они характеризуют величину электрической проводимости или способность любого вещества пропускать через себя электрические заряды — ток.

Значение электрической проводимости обратно пропорционально сопротивлению вещества и измеряется соответствующей единицей: сименсом (См).

В природе носителями зарядов могут быть:

По этому принципу электропроводность подразделяют на:

Качество проводника позволяет оценить зависимость протекающего в нем тока от значения приложенного напряжения. Ее принято называть по обозначению единиц измерения этих электрических величин — вольтамперной характеристикой.

Проводники с электронной проводимостью

Наиболее распространенным представителем этого типа являются металлы. У них электрический ток создается исключительно за счет перемещения потока электронов.

Внутри металлов они находятся в двух состояниях:

связанные силами атомного сцепления;

Электроны, удерживаемые на орбите силами притяжения ядра атома, как правило, не участвуют в создании электрического тока под действием внешних электродвижущих сил. Иначе ведут себя свободные частицы.

Если к металлическому проводнику не приложена ЭДС, то свободные электроны движутся хаотически, беспорядочно, в любых направлениях. Такое их перемещение обусловлено тепловой энергией. Оно характеризуется различными скоростями и направлениями перемещения каждой частицы в любой момент времени.

Когда к проводнику приложена энергия внешнего поля с напряженностью Е, то на все электроны вместе и каждый в отдельности действует сила, направленная противоположно действующему полю. Она создает строго ориентированное движение электронов, или другим словами — электрический ток.

Вольтамперная характеристика металлов представляет собой прямую линию, укладывающуюся в действие закона Ома для участка и полной цепи.

Кроме чистых металлов электронной проводимостью обладают и другие вещества. К ним относят:

отдельные модификации углерода (графит, уголь).

Все вышеперечисленные вещества, включая металлы, относят к проводникам 1-го рода. У них электропроводность никоим образом не связана с переносом массы вещества за счет прохождения электрического тока, а обусловливается только движением электронов.

Если металлы и сплавы поместить в среду сверхнизких температур, то они переходят в состояние сверхпроводимости.

Проводники с ионной проводимостью

К этому классу относятся вещества, у которых электрический ток создается за счет движения зарядов ионами. Они классифицируются как проводники второго рода. Это:

растворы щелочей, кислот солей;

расплавы различных ионных соединений;

различные газы и пары́.

Электрический ток в жидкости

Проводящие электрический ток жидкие среды, в которых происходит электролиз — перенос вещества вместе с зарядами и осаждение его на электродах, принято называть электролитами, а сам процесс — электролизом.

Он происходит под действием внешнего энергетического поля за счет приложения положительного потенциала к электроду-аноду и отрицательного — к катоду.

Ионы внутри жидкостей образуются за счет явления электролитической диссоциации, которая заключается в расщеплении части молекул вещества, обладающих нейтральными свойствами. В качестве примера можно привести хлорид меди, который в водном растворе распадается на составляющие ионы меди (катионы) и хлора (анионы).

Читайте так же:
Количество теплоты при нагреве током

Под действием приложенного напряжения к электролиту катионы начинают двигаться строго к катоду, а анионы — к аноду. Таким способом получают химически чистую, без примесей медь, которая выделяется на катоде.

Кроме жидкостей в природе существуют еще твердые электролиты. Их называют суперионными проводниками (супер-иониками), обладающими кристаллической структурой и ионной природой химических связей, обусловливающую высокую электропроводность за счет движения ионов одного типа.

Вольтамперная характеристика электролитов показана графиком.

Электрический ток в газах

При обычном состоянии среда газов обладает изоляционными свойствами и не проводит ток. Но под воздействием различных возмущающих факторов диэлектрические характеристики могут резко снизиться и спровоцировать прохождение ионизации среды.

Она возникает от бомбардировки нейтральных атомов движущимися электронами. В результате этого из атома выбивается один или несколько связанных электронов, и атом получает положительный заряд, превращаясь в ион. Одновременно внутри газа образуется дополнительное количество электронов, продолжающих процесс ионизации.

Таким образом, внутри газа электрический ток создается одновременным движением положительных и отрицательных частиц.

При нагреве или повышении напряженности приложенного электромагнитного поля внутри газа вначале проскакивает искра. По этому принципу образуется природная молния, которая состоит из каналов, пламени и факела разряда.

В лабораторных условиях проскакивание искры можно наблюдать между электродами электроскопа. Практическая же реализация искрового разряда в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания известна каждому взрослому человеку.

Искра характерна тем, что через нее сразу расходуется вся энергия внешнего поля. Если же источник напряжения способен поддерживать протекание тока через газ, то возникает дуга.

Примером электрической дуги является сварка металлов различными способами. Для ее протекания используется эмиссия электронов с поверхности катода.

Он возникает внутри газовой среды с большими напряженностями и неоднородными электромагнитными полями, что проявляется на высоковольтных воздушных линиях электропередач с напряжением от 330 кВ и выше.

Он протекает между проводом и близко расположенной плоскостью линии электропередачи. При коронном разряде происходит ионизация методом электронного удара около одного из электродов, обладающего областью повышенной напряженности.

Его используют внутри газов в специальных разрядных газосветных лампах и трубках, стабилизаторах напряжения. Он образуется за счет понижения давления в разрядном промежутке.

Когда в газах процесс ионизации достигает большой величины и в них образуется равное число положительных и отрицательных носителей зарядов, то такое состояние называют плазмой. Тлеющий разряд происходит в среде плазмы.

Вольтамперная характеристика протекания токов в газах представлена на картинке. Она состоит из участков:

2. самостоятельного разряда.

Первый характеризуется тем, что происходит под воздействием внешнего ионизатора и при прекращении его действия затухает. А самостоятельный разряд продолжает течь при любом условии.

Проводники с дырочной проводимостью

К ним относятся:

соединения отдельных металлов с теллуром, серой, селеном и некоторыми органическими веществами.

Они получили название полупроводников и относятся к группе №1, то есть не образуют переноса вещества при протекании зарядов. Для увеличения концентрации свободных электронов внутри них необходимо потратить дополнительную энергию на отрыв связанных электронов. Она получила название энергии ионизации.

В составе полупроводника работает электронно-дырочный переход. За счет его полупроводник пропускает ток в одном направлении и блокирует в обратном, когда к нему приложено противоположное внешнее поле.

Проводимость у полупроводников бывает:

Первый тип присущ конструкциям, у которых в процессе ионизации атомов своего вещества появляются носители зарядов: дырки и электроны. Их концентрация взаимно уравновешена.

Второй тип полупроводников создают за счет включения кристаллов с примесной проводимостью. Они обладают атомами трех- или пятивалентного элемента.

Полупроводники по проводимости бывают:

электронные n-типа «negative»;

дырочные p-типа «positive».

Вольтамперная характеристика обыкновенного полупроводникового диода показана на графике.

На основе полупроводников работают различные электронные приборы и устройства.

При очень низких температурах вещества определенные категории металлов и сплавов переходят в состояние, которое получило название сверхпроводимости. У этих веществ электрическое сопротивление току снижается практически до нулевого значения.

Переход происходит за счет изменения тепловых свойств. По отношению к поглощению или выделению теплоты во время перехода в сверхпроводящее состояние при отсутствии магнитного поля сверхпроводники подразделяют на 2 рода: №1 и №2.

Явление сверхпроводимости проводников происходит за счет образования куперовских пар, когда создается связанное состояние для двух соседних электронов. У созданной пары образуется двойной заряд электрона.

Распределение электронов в металле при состоянии сверхпроводимости показано графиком.

Магнитная индукция сверхпроводников зависит от напряженности электромагнитного поля, а на величину последней влияет температура вещества.

Свойства сверхпроводимости проводников ограничены критическими значениями предельного магнитного поля и температуры для них.

Таким образом, проводники электрического тока могут быть выполнены из совершенно различных веществ и обладать отличающимися друг от друга характеристиками. На них всегда оказывают влияние условия окружающей среды. По этой причине границы эксплуатационных характеристик проводников всегда оговариваются техническими нормативами.

Читайте так же:
Принцип провода теплого пола

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Теплопроводность кристаллов и стекол объяснили единой теорией

Leyla Isaeva / SISSA

Физики разработали новый теоретический подход, который позволяет единообразно объяснить явление теплопроводности в кристаллах, поликристаллических твердых телах, сплавах и стеклах. Результаты позволят моделировать перенос тепла в системах с любым типом внутреннего строения, в том числе при наличии точечных дефектов и наноструктурированности, а также в случае разупорядоченных низкотемпературных квантовых фаз материи, для которых подобной теории раньше не существовало, пишут ученые в Nature Communications.

Теплота — это одна из основных термодинамических величин. Она определяется как энергия, которой термодинамическая система может обмениваться с окружением, за исключением совершенной работы и переноса массы. Обмен теплотой может осуществляться несколькими способами, в том числе посредством излучения и теплопроводности.

Тела разных свойств по-разному проводят тепло. Наибольшее затруднение с точки зрения теории вызывает объяснение переноса тепла в не проводящих электрический ток твердых телах, причем как кристаллических, так и аморфных. Основную роль должны играть возбуждения атомных решеток, но детали динамики при различных условиях значительно отличаются.

Для описания этих процессов существует два независимых подхода, которые на первый взгляд никак между собой не связаны. Первый основан на уравнении Больцмана — Пайерлса, которое описывает передачу тепла в терминах фононов — квантов возбуждения решетки твердого тела. Этот способ подходит для описания кристаллических тел со строго определенными энергиями и скоростями фононов, а также большой длиной свободного пробега данных квазичастиц.

Второй подход базируется на формулах Грина — Кубо для вычисления кинетических коэффициентов линейных диссипативных процессов, к которым относится и теплопроводность. Потенциально этот метод применим к гораздо более широкому классу веществ, но по факту оказывается противоположностью Больцмана — Пайерлса, потому что плохо работает для низких и умеренных температур.

В работе ученых из Италии и США, первым автором которой выступила выпускница Московского университета имени Ломоносова Лейла Исаева (Leyla Isaeva), предложен новый подход, который объединяет два описанных выше. Он отталкивается от Грина — Кубо, но естественным образом переходит в Больцмана — Пайерлса как частный случай, что позволяет объяснить свойства широкого класса веществ.

«Наш новый метод объединяет прежде отчетливо различные подходы в единую методологию, которая применима к любым твердым телам, будь они кристаллические или неупорядоченные/стеклообразные, — говорит руководитель коллектива Стефано Барони (Stefano Baroni) из SISSA. — На самом деле он работает лучше в температурном режиме, где текущие реализации теории Грина — Кубо терпят фиаско».

В состоянии термодинамического равновесия в среднем теплопередача равна нулю, однако небольшие всплески могут возникать вследствие флуктуаций. Теория Грина — Кубо предполагает, что теплопроводность пропорциональна произведению квадрата средней величины флуктуаций на среднее время их исчезновения.

В стандартном варианте этого подхода необходимо численное моделирование взаимодействия сотен или тысяч атомов на протяжении времени достижения равновесия после флуктуации, что может занимать от пико- до наносекунд. При низких температурах все вещества становятся более структурированными и медленнее достигают равновесия, что делает подход Грина — Кубо малоэффективным.

Новый подход избегает этого затруднения, так как позволяет аналитически решить уравнения движения, а не проводить симуляции с большим количеством частиц. В результате можно не только расширить диапазон применимости теории, но и естественным образом учесть квантовые эффекты. Более того, использованное гармоническое приближение выполняется все лучше при стремлении к абсолютному нулю температуры.

Авторы подтвердили, что в рамках их идеи из метода Грина — Кубо можно получить Больцмана — Пайерлса в пределе низких температур и высокой упорядоченности среды. Однако возможности метода гораздо шире, так как он позволяет единообразно вычислить теплопроводность как кристаллов, так и стекол, для чего раньше общего подхода не существовало.

Исследователи считают, что результаты пригодятся во многих прикладных областях. В частности, откроются новые возможности в области термоэлектрического накопления энергии, твердотельного охлаждения и термической изоляции, что требует как можно меньшей теплопроводности. Также можно ожидать продвижения в системах отвода тепла от электроники высокой мощности, аккумуляторах и фотовольтаике, где необходима высокая теплопроводность.

Ранее физики открыли новый режим теплопроводности при помощи оптической центрифуги, нашли анизотропную теплопроводность в черном фосфоре, увидели квантование теплопроводности в топологических материалах и назвали квази-баллистическую теплопроводность угрозой микроэлектронике

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector