Bazele teoriei conductivității electrice a materiei

Conform lui Maxwell, densitatea curentului electric total într-un mediu este dată de

unde jpr. jcm este densitatea curentului de conductivitate și de deplasare, # 963; - conductivitatea electrică specifică a mediului, A este permitivitatea absolută a mediului și # 949; a = # 949; # 949; 0. unde # 949; - permitivitatea relativă a mediului; # 949; 0 = 8,85 · 10-12 F / m - valoarea sa în vid.







Într-un câmp care variază armonios cu timpul # 969;

În câmpurile alternante constante și joase, curentul total este determinat în întregime de curentul de conducție. Într-un câmp alternativ de înaltă frecvență, curentul total este suma curenților de conductivitate și de deplasare.

Curentul de conducere apare direct sub acțiunea câmpului electric E.

Valoarea lui j este determinată de valoare # 963; = 1 / # 961;

Conductivitatea mediului este abilitatea de a trece un curent electric, rezistența fiind capacitatea de a împiedica trecerea curentului. Conductibilitatea electrică specifică a mediului # 963; și rezistența sa electrică specifică # 961; sunt conductivități # 931; și rezistența R a unității de volum a mediului.

Conductivitatea mediului se datorează transferului încărcărilor electrice prin curent - electroni, ioni, găuri. În materiale cu conductivitate electronică (metale, grafit), curentul se propagă prin mișcarea electronilor. În dielectrică, natura conductivității este ionică, în semiconductori este asemănătoare cu gaura. Soluțiile de electroliți au conductivitate ionică.

În domeniul cu frecvență înaltă în medii cu conductivitate redusă, reprezentat de dielectrice și semiconductori, împreună cu curentul de curent continuu, apare componenta de relaxare a jderului curent. cauzate de polarizarea particulelor mediului. Ca urmare a polarizării, împreună cu câmpul de sol, apare o problemă suplimentară, îndreptată spre polarizarea de bază. Polarizarea este proporțională cu câmpul de polarizare:

unde # 945; - polarizabilitatea mediului. Polarizabilitatea este caracteristică, ca regulă, pentru mediile cu conductivitate redusă-di-electricieni. Orice substanță poate fi un conductor și poate fi polarizată; În general, permitivitatea sa relativă este definită ca # 949; = 1 + 4π # 945;

Distingeți între polarizarea elasticității, relaxării și polarizării structurale.

  1. Polarizarea elastică constă în deplasarea încărcărilor elastice (electroni, ioni) de materie într-un câmp electric. Ea continuă rapid (timpul de stabilire coincide cu perioadele de oscilații corespunzătoare radiației infraroșii, adică 10 -12 ÷ 10 -14 s). Permitivitatea relativă a dielectricilor cu polarizare elastică este de obicei 4-15, dar în unele cristale ionice ajunge la câteva sute (de exemplu până la 300 pentru titanatul de stronțiu).
  2. Polarizarea relaxării (termică) este caracteristică substanțelor care conțin particule libere, capabile să modifice echilibrul în timpul mișcării termice. Polarizarea acestui tip este cauzată de faptul că câmpul electric extern aplicat creează o anumită ordine în mișcarea termică haotică a particulelor încărcate.

Există două tipuri de polarizare: dipol oriental termic și termic ionic.

  1. Polarizarea dipolului apare în lichide polar (inclusiv în apă) datorită orientării preferențiale a moleculelor de dipol slab legate într-un câmp electric. Timpul de relaxare al unui lichid polar este proporțional cu vâscozitatea acestuia. În moleculele polar complicate, se poate observa și rotația intramoleculară a diferitelor părți ale moleculei relativ una de cealaltă.
  2. Polarizarea termică a ionilor apare în cristalele ionice care conțin ioni legați în mod liber, a căror apariție se datorează defectelor rețelei de cristal. Ioniile se mișcă cu mișcare termică, depășind barierele potențiale. Câmpul electric formează direcția preferată a tranzițiilor lor. Ca rezultat, momentul dipol al volumului unitar al rocii devine diferit de zero și este menținut de acest proces de electromagnet.
  3. În cele din urmă, în structura de temperatură observată-rocă multifazic (volumetric) polarizare asociată cu capturarea carriers microdefectele zăbrele încetinirea mișcării la interfețele interfazice sau înțepenirea sarcini libere de pe cristale macroinhomogeneity. Acesta este un tip relativ lent de polarizare, perioada de formare fiind în frecvențele radio (10 -4 ÷ 10 -10 s).






Permitivitatea mineralelor se datorează în principal polarizării elastice (ionice și electronice). Mărimea relativă a permitivității majorității mineralelor este în intervalul 4-12, mineralele principale care formează porii sunt 4-7. Cel mai puțin important este uleiul (2-4), cel mai mare fiind rutilul (90-170).

Bazele teoriei conductivității electrice a materiei

Procesele de conductivitate electrică în cristale, după cum se știe din cursul fizicii, se supun legilor mecanicii cuantice. Conform acestor legi, în fiecare atom atomic al cristalului există doar anumite valori ale energiei electronilor, care sunt caracterizate de nivelurile permise. Aceste valori ale energiei se datorează interacțiunii electronului cu nucleul atomului. La fiecare nivel de energie, pot exista unul sau doi electroni (principiul Pauli). În ultimul caz, electronii trebuie să se distingă prin stări cuantice (direcții de rotație). În absența excitației, electronii ocupă cele mai joase nivele și atunci când substanța este alimentată cu energie suplimentară, aceasta poate ajunge la niveluri mai înalte. Schimbarea energiei electronilor în acest caz are loc în anumite porțiuni - quanta. Electronii din carcasa exterioară a atomului (valența) sunt conectați cu nucleul mai slab, iar pentru excitația lor este nevoie de mai puțină energie. Într-un cristal în care atomii sunt adunați împreună, electronii interacționează nu numai cu nucleul atomului lor, ci cu toți ceilalți atomi, astfel încât fiecare nivel de energie se împarte în cât mai multe niveluri ca și atomii din cristal. Ca urmare, se formează zone de niveluri energetice strâns localizate, care se pot suprapune între ele sau pot exista întreruperi între ele, așa-numita zonă interzisă # 916; w.

În conductorii zonei de suprapunere (figura a), o parte din electroni are, prin urmare, orbite multicentrice care acoperă întregul cristal al conductorului. Acești electroni, care nu sunt localizați în jurul unui anumit nucleu, sunt slabi conectați cu nucleele și prin urmare, chiar și cu un câmp electric slab, dobândesc o deplasare direcționată, adică creați un curent electric. Cu cât mai mulți electroni ne-localizați, cu atât conductivitatea conductorului este mai mare. Pentru conductorii tipici cu conductivitate electronică - metale - rezistivitatea este foarte mică (# 961; = 10 -4 ÷ 10 -8 Ohm · m). Prezența lor în roci cu forma metalică covalentă sau metalică ionică a legăturii de cristal mărește substanțial conductivitatea electrică a mineralelor, a căror rezistență specifică variază în intervalul de 10 -3 ÷ 10 -6 Ω · m.

Conductorii cu conductivitate electronică se caracterizează printr-o creștere a rezistenței cu creșterea temperaturii, care este asociată cu o creștere a mișcării haotice a electronilor.

În cristalele de semiconductori și dielectrice, banda umpluta w2 și banda de conducere w1 sunt separate printr-o bandă interzisă # 916; w. Valoarea diferenței de bandă în semiconductori este de 0,1 până la 1,5 eV, în dielectric la 10 eV. Aceasta este diferența principală dintre un semiconductor și un dielectric.

La T = 0 0 K în semiconductori și dielectrice, toate nivelurile de energie din zona ocupată sunt ocupate de electroni. Prin urmare, electronii nu se pot muta de la atom la atom, sunt conectați. Cu o temperatură în creștere, unii electroni pot fi aruncați de la zona umplută la banda de conducere. Trecerea electronului în banda de conducere corespunde producției unei perechi de electroni-gauri, adică un electron "liber" legat slab de nucleu și apar un loc (gaura) eliberat în acest atom. Procesul de producere a perechilor electron-hole este însoțit de un proces invers de recombinare a acestor perechi. Într-un cristal sub acțiunea unui câmp electric, electronii liberi se mișcă, în același timp găurile se mișcă în direcția opusă, deoarece un electron de la un atom adiacent se va muta într-un loc liber în atomul care a pierdut electronul. Ca rezultat, o mișcare ordonată de electroni și găuri apare în cristal, adică curentul electric curent.







Articole similare

Pagina anterioară

Pagina următoare

Trimiteți-le prietenilor: