Проводники, полупроводники и диэлектрики. Как работают (желательно с примерами)?

Предыдущий
вопрос Следующий
вопрос

Проводники, полупроводники и диэлектрики — это три основных класса материалов, различающихся по их способности проводить электрический ток. Рассмотрим каждый из них подробнее.

Определение: Проводники — это материалы, которые легко проводят электрический ток благодаря наличию свободных зарядов (обычно электронов).

Примеры: Металлы, такие как медь, алюминий, серебро и золото.

Как работают: В проводниках электрический ток возникает при движении свободных электронов. При приложении электрического поля к проводнику, свободные электроны начинают двигаться в направлении поля, что создает электрический ток. Например, в медной проволоке, когда к ней подключают батарею, электроны начинают перемещаться от отрицательного полюса к положительному, создавая ток.

Определение: Полупроводники — это материалы, проводимость которых находится между проводниками и диэлектриками. Их электрические свойства могут изменяться в зависимости от внешних условий, таких как температура, свет или примеси.

Примеры: Кремний (Si) и германий (Ge), а также многие соединения, такие как арсенид галлия (GaAs).

Как работают: Полупроводники имеют относительное небольшое количество свободных носителей заряда (электронов или дырок) при низких температурах. Однако при увеличении температуры или добавлении легирующих примесей (например, фосфора или бор) их проводимость значительно возрастает. Это явление называется проводимостью по типу p-n перехода, где p-тип имеет избыток дырок, а n-тип — избыток электронов. Полупроводники используются в транзисторах и диодах. Например, в транзисторе кремния, при приложении сигнала к базе, изменяется ток между эмиттером и коллектором, что позволяет усиливать сигнал.

Определение: Диэлектрики — это изоляторы, которые не проводят электрический ток, но могут поляризоваться в электрическом поле.

Примеры: Стекло, резина, пластик, вода.

Как работают: В диэлектриках отсутствуют свободные заряды, поэтому они не проводят электрический ток. Тем не менее, при приложении электрического поля их молекулы могут поляризоваться: положительные и отрицательные заряды в молекулах смещаются, создавая электрическое поле внутри вещества. Диэлектрики используются в конденсаторах и изоляционных материалах. Например, конденсатор содержит диэлектрик между двумя пластинами, и когда на него подается напряжение, он накапливает электрический заряд.

Взаимодействия между проводниками, полупроводниками и диэлектриками образуют основу современных электрических и электронных устройств. Понимание этих материалов помогает в разработке новых технологий, таких как компьютеры, мобильные телефоны и солнечные панели.