Итак, когда мы говорим о проводимости электричества, обычно сразу представляем себе металлы и полупроводники. Но что насчет диэлектриков? Диэлектрики известны своей низкой проводимостью, но они все же могут быть носителями тока. Интересно, что же является источником этой проводимости в твердых диэлектриках.
Внешне диэлектрики кажутся идеальными изоляторами, так как они не позволяют току свободно протекать сквозь свою структуру, в отличие от металлов. Однако, внутри диэлектриков есть некоторое количество дефектов, таких как дефектные связи, примесные атомы или вакансии. Эти дефекты могут служить носителями заряда и обеспечивать проводимость в материале.
Кроме того, диэлектрики могут обладать внутренней электрохимической активностью, что также способствует передаче заряда. Некоторые диэлектрики могут принимать ионную форму, в которой ионы движутся вдоль материала, создавая поток заряда. Это особенно хорошо исследовано в некоторых кристаллических диэлектриках, таких как дистилированная вода.
Свободные электроны
Свободные электроны – это электроны, которые не привязаны к атомам или ионам и могут свободно перемещаться внутри твердого диэлектрика. Они обладают высокой подвижностью и могут быть ответственными за проводимость вещества.
Образование свободных электронов в твердых диэлектриках может происходить в результате различных процессов, таких как термическая ионизация, фотоионизация или ионизация под действием электрического поля. После образования, свободные электроны могут двигаться под действием электрического поля и создавать электрический ток.
Свободные электроны играют особую роль при проведении электрического тока через твердый диэлектрик, так как ионные решетки в этих материалах обычно не обладают высокой подвижностью. Однако, проводимость через свободные электроны может быть ограничена и определяться различными факторами, такими как концентрация свободных электронов, наличие ловушек или дефектов в кристаллической структуре.
Примеси и дефекты
Примеси играют важную роль в создании носителей тока в твердых диэлектриках. Примеси могут быть добавлены намеренно или появиться случайно во время производства или обработки материала.
Обычно примеси являются атомами других элементов, которые заменяют атомы в решетке твердого диэлектрика. В результате добавления примеси материал приобретает свойства проводимости, и возникают свободные заряженные частицы – электроны или дырки.
Таким образом, примеси играют роль доноров или акцепторов электронов, определяя характер тока в диэлектрике. Например, добавление примесей таких элементов, как фосфор или бор, может привести к образованию диэлектрика с полупроводящими свойствами.
Дефекты в решетке твердого диэлектрика также могут служить источниками носителей тока. Дефекты могут возникать из-за нарушения идеального кристаллического строения или внешних воздействий, таких как радиация или температурные изменения.
Наиболее распространенными дефектами являются вакансии (отсутствующие атомы) и интерстиции (дополнительные атомы, встраивающиеся в решетку). Вакансии и интерстиции могут быть эффективными носителями заряда.
Таким образом, примеси и дефекты в твердых диэлектриках играют важную роль в образовании носителей тока, определяют проводимость материала и его электрические свойства.
Ионная проводимость
В твердых диэлектриках, помимо электронной и дырочной проводимости, может возникать ионная проводимость. Ионная проводимость связана с движением ионов внутри диэлектрика.
Твердые диэлектрики могут содержать ионы разного знака, которые занимают определенные позиции в кристаллической решетке. При приложении электрического поля, ионы начинают двигаться, создавая электрический ток.
Ионная проводимость в твердых диэлектриках может быть вызвана различными механизмами. Одним из них является перенос ионов по кристаллической решетке. В этом случае, ионы перемещаются от одной позиции к другой, совершая прыжки через кристаллические места. Этот механизм проводимости называется механизмом переноса прыжками.
Другим механизмом ионной проводимости является диффузионный механизм. При этом ионы двигаются самостоятельно в результате разности концентраций ионов в разных частях диэлектрика.
Ионная проводимость в твердых диэлектриках может быть также вызвана присутствием дефектов в кристаллической решетке, таких как вакансии и поперечные дислокации. Эти дефекты обеспечивают свободное движение ионов и способствуют ионной проводимости.
Поляризационные заряды
Поляризационные заряды представляют собой заряженные центры или дефекты в структуре диэлектрика. Они могут быть связаны с дефектами кристаллической решетки, атомами или молекулами, обладающими некомпенсированными электронными или ядерными зарядами.
Под действием внешнего электрического поля эти заряды начинают смещаться в пространстве, создавая упорядоченную структуру поляризационных зарядов. Это приводит к образованию электрической поляризации в диэлектрике и возникновению электрического заряда на его поверхности.
Поляризационные заряды обладают свойством запирания электрического заряда внутри диэлектрика, что позволяет им играть роль диэлектрического барьера и предотвращать протекание тока. Однако, при достижении определенной критической напряженности электрического поля, поляризационные заряды могут преодолеть барьер и ионизировать диэлектрик, что приводит к его пробою и возникновению электрического тока.
| Носители тока | Типы диэлектриков |
|---|---|
| Поляризационные заряды | Керамика, полимеры, стекло |
| Ионные заряды | Кристаллы с ионным типом связи |
Туннельное электронное проведение
Процесс туннельного электронного проведения обычно происходит при узкой ширине потенциального барьера и достаточно большей концентрации электронов с достаточно высокой энергией. Электроны, имеющие энергию выше потенциального барьера, способны туннельно проникнуть через него, образуя ток.
Примечание: Туннельное электронное проведение является важным физическим явлением, которое используется в различных приборах и технологиях, включая туннельные диоды, твердотельные накопители данных и квантовые компьютеры.
Деформационные заряды
Твердые диэлектрики, помимо свободных зарядов, могут содержать еще один тип зарядов, который называется деформационными зарядами. Эти заряды образуются в результате деформации кристаллической решетки диэлектрика.
Деформационные заряды возникают при приложении механических напряжений к диэлектрику или при изменении его размеров. Деформация решетки приводит к смещению зарядов, находящихся внутри твердого диэлектрика. Это создает электрическое поле, которое вознаграждает за деформацию.
Деформационные заряды обладают свойством временного хранения энергии. Когда диэлектрик возвращается в свою первоначальную форму, эта энергия может быть освобождена в виде электрического тока. Таким образом, деформационные заряды функционируют как временное хранилище энергии в твердом диэлектрике.
Деформационные заряды имеют важное значение в таких явлениях, как пьезоэлектричество и пироэлектричество. В пьезоэлектриках деформация решетки под действием механического напряжения приводит к разделению зарядов и возникновению электрического тока. В пироэлектрических материалах заряды образуются при изменении температуры диэлектрика.
Процессы переходного тока
В твердых диэлектриках переходный ток может возникать при изменении внешних условий или приложенного напряжения. Этот процесс наблюдается во время включения или выключения электрической цепи, а также при перепадах напряжения или при плавном изменении параметров электрической системы.
Процесс переходного тока связан с изменением электрических свойств диэлектрика на короткий промежуток времени. В твердых диэлектриках носители тока – это ионы, электроны или дырки, которые могут перемещаться под влиянием электрического поля. Во время переходного процесса, обусловленного изменением внешних условий, например при включении или выключении цепи, электрическое поле действует на эти носители, вызывая их перемещение
Процесс переходного тока может иметь как короткодлительный, так и восстановительный характер, в зависимости от диэлектрических свойств материала и параметров электрической системы. Кратковременный переходный ток возникает в твердых диэлектриках с высокой проницаемостью, резкое изменение поля электрической системы приводит к возникновению транзитных токов, которые основаны на движении носителей заряда. Восстановительный переходный ток может возникать в диэлектриках с низкой проницаемостью.
Переходный ток в твердых диэлектриках является важным аспектом для понимания и проектирования электрических систем, так как он может влиять на их работоспособность и надежность.
