« Fizika - 10. razred"
Kako se elektroni gibljejo v kovinskem prevodniku, če ga ni električno polje?
Kako se spremeni gibanje elektronov, ko na kovinski vodnik deluje napetost?
Električni tok izvajajo trdna, tekoča in plinasta telesa. Kako se ti prevodniki med seboj razlikujejo?
Spoznali ste električni tok v kovinskih vodnikih in eksperimentalno ugotovljeno tokovno-napetostno karakteristiko teh vodnikov – Ohmov zakon.
Poleg kovin so dobri prevodniki, torej snovi z velikim številom prostih nabitih delcev. vodne raztopine ali taline elektrolitov in ioniziranega plina – plazma. Ti vodniki se pogosto uporabljajo v tehnologiji.
V vakuumskih elektronskih napravah električni tok tvorijo tokovi elektronov.
Kovinski vodniki se pogosto uporabljajo pri prenosu električne energije od tokovnih virov do potrošnikov. Poleg tega se ti vodniki uporabljajo v elektromotorjih in generatorjih, električnih grelnih napravah itd.
Razen prevodniki in dielektriki(snovi z relativno majhnim številom prostih nabitih delcev), obstaja skupina snovi, katerih prevodnost je vmesna med prevodniki in dielektriki. Te snovi ne prevajajo elektrike dovolj dobro, da bi jih lahko imenovali prevodniki, vendar ne tako slabo, da bi jih uvrstili med dielektrike. Zato so dobili ime polprevodniki.
Dolgo časa polprevodniki niso imeli pomembne praktične vloge. V elektrotehniki in radijski tehniki so uporabljali izključno različne prevodnike in dielektrike. Razmere so se bistveno spremenile, ko je bila lahko izvedljiva možnost nadzora električne prevodnosti polprevodnikov najprej teoretično predvidena, nato pa odkrita in proučena.
Univerzalni nosilec toka ne obstaja. Tabela prikazuje trenutne nosilce v različnih okoljih.
Elektronska prevodnost kovin.
Začnimo s kovinskimi vodniki. Poznamo tokovno-napetostno karakteristiko teh prevodnikov, vendar o njeni razlagi z vidika molekularno-kinetične teorije doslej ni bilo povedanega.
Nosilci prostih nabojev v kovinah so elektroni. Njihova koncentracija je visoka - okoli 10 28 1/m 3.
Ti elektroni sodelujejo pri naključnem toplotnem gibanju. Pod vplivom električnega polja se začnejo premikati urejeno s povprečno hitrostjo reda 10 -4 m/s.
Eksperimentalni dokaz obstoja prostih elektronov v kovinah.
Eksperimentalni dokaz, da je prevodnost kovin posledica gibanja prostih elektronov, je bil podan v poskusih Mandelstama in Papaleksija (1913), Stewarta in Tolmana (1916). Shema teh poskusov je naslednja.
Žica je navita na tuljavo, katere konci so spajkani na dva kovinska diska, ločena drug od drugega (slika 16.1). Galvanometer je povezan s konci diskov z drsnimi kontakti.
Kolut se hitro vrti in nato nenadoma ustavi. Po nenadni zaustavitvi tuljave se prosti nabiti delci nekaj časa po vztrajnosti gibljejo glede na prevodnik in posledično v tuljavi nastane električni tok. Tok obstaja kratek čas, saj se zaradi upora prevodnika nabiti delci upočasnijo in se urejeno gibanje delcev, ki tvori tok, ustavi.
Smer toka v tem poskusu nakazuje, da nastane zaradi gibanja negativno nabitih delcev. Preneseni naboj je v tem primeru sorazmeren z razmerjem naboja delcev, ki ustvarjajo tok, in njihove mase, to je |q|/m. Zato je bilo z merjenjem naboja, ki prehaja skozi galvanometer med obstojem toka v tokokrogu, mogoče določiti to razmerje. Izkazalo se je, da je enako 1,8 10 11 C/kg. Ta vrednost je sovpadala z razmerjem med nabojem elektrona in njegovo maso e/m, ugotovljenim prej iz drugih poskusov.
Gibanje elektronov v kovini.
Prosti elektroni v kovini se gibljejo naključno. Ko je vodnik priključen na vir toka, se v njem ustvari električno polje, na elektrone pa začne delovati Coulombova sila = q e. Pod vplivom te sile se elektroni začnejo premikati smerno, to pomeni, da se kaotično gibanje elektronov prekriva s hitrostjo smernega gibanja in se nekaj časa povečuje t 0, dokler elektroni ne trčijo z ioni kristalne mreže. V tem primeru elektroni izgubijo smer gibanja, nato pa se spet začnejo smerno premikati. Tako se hitrost usmerjenega gibanja elektrona spremeni od nič do določene največje vrednosti, ki je enaka Posledično se izkaže, da je povprečna hitrost urejenega gibanja elektronov enaka, to je sorazmerna z jakostjo električnega polja v prevodnik: υ ~ E in s tem potencialna razlika na koncih prevodnika, tako kot kjer je l dolžina prevodnika.
Jakost toka v prevodniku je sorazmerna s hitrostjo urejenega gibanja delcev (glej formulo (15.2)). Zato lahko rečemo, da je jakost toka sorazmerna potencialni razliki na koncih prevodnika: I ~ U.
To je kvalitativna razlaga Ohmovega zakona temelji na elektronski teoriji kovinske prevodnosti.
Na podlagi zakonov klasične mehanike je nemogoče zgraditi zadovoljivo kvantitativno teorijo gibanja elektronov v kovini. Dejstvo je, da so pogoji za gibanje elektronov v kovini takšni, da Newtonova klasična mehanika ni uporabna za opis tega gibanja. To dejstvo potrjuje na primer odvisnost upora od temperature. Glede na klasična teorija kovine, pri katerih je gibanje elektronov obravnavano na podlagi drugega Newtonovega zakona, je upor prevodnika sorazmeren, vendar eksperiment pokaže linearno odvisnost upora od temperature.
Da bi lahko govorili o električni prevodnosti, se moramo spomniti narave električnega toka kot takega. Torej, ko je katera koli snov postavljena v električno polje, se naboji premikajo. To gibanje izzove delovanje električnega polja. Električni tok je tok elektronov. Trenutna jakost, kot vemo iz šolski pouk v fiziki se meri v Amperih in označuje z latinsko črko I. 1 A predstavlja električni tok, v katerem preteče naboj 1 Coulomb v času, ki je enak eni sekundi.
Električni tok je na voljo v več vrstah, in sicer:
- enosmerni tok, ki se v nobenem trenutku ne spremeni glede na indikator in trajektorijo gibanja;
- izmenični tok, ki sčasoma spreminja svoj indikator in pot (proizvajajo ga generatorji in transformatorji);
- pulzirajoči tok se spremeni v velikosti, vendar ne spremeni svoje smeri.
Indikator električne prevodnosti je neposredno povezan z vsebnostjo prosto gibajočih se nabojev v materialu, ki nimajo povezave s kristalno mrežo, molekulami ali atomi.
Tako so glede na stopnjo prevodnosti toka materiali razdeljeni na naslednje vrste:
- prevodniki;
- dielektriki;
- polprevodniki.
Visoka električna prevodnost se razlaga v elektronski teoriji. Tako elektroni krožijo med atomi po celotnem prevodniku zaradi svoje šibke valenčne vezi z jedri. To pomeni, da prosto gibajoči se nabiti delci znotraj kovine prekrivajo praznine med atomi in zanje je značilno kaotično gibanje. Če kovinski prevodnik postavimo v električno polje, bodo elektroni prevzeli red v svojem gibanju in se premaknili na pol s pozitivnim nabojem. Zaradi tega se ustvari električni tok. Hitrost širjenja električnega polja v prostoru je podobna svetlobni hitrosti. S to hitrostjo se električni tok giblje znotraj prevodnika. Omeniti velja, da to ni hitrost gibanja samih elektronov (njihova hitrost je zelo majhna in znaša največ nekaj mm/s), temveč hitrost porazdelitve električne energije po snovi.
Ko se naboji prosto gibljejo znotraj prevodnika, se na svoji poti srečujejo z različnimi mikrodelci, v katere trčijo in se nanje prenese nekaj energije. Znano je, da prevodniki doživljajo toploto. To se zgodi ravno zato, ker se energija elektronov pri premagovanju upora širi kot sproščanje toplote.
Takšne "nesreče" nabojev ustvarjajo oviro za gibanje elektronov, kar v fiziki imenujemo upor. Nizek upor prevodnika ne segreje veliko, visok upor pa povzroči višje temperature. Slednji pojav se uporablja tako v grelnih napravah kot tudi v tradicionalnih žarnicah z žarilno nitko. Upornost se meri v Ohmih. Označeno z latinsko črko R.
Električna prevodnost- pojav, ki odraža sposobnost kovine ali elektrolita, da prevaja električni tok. Ta vrednost je recipročna vrednost električnega upora.
Električno prevodnost meri Siemens (Cm) in jo označujemo s črko G.
Ker atomi ustvarjajo oviro za prehod toka, je indeks odpornosti snovi drugačen. Za označevanje je bil uveden koncept upornosti (Ohm-m), ki daje informacije o prevodnosti snovi.
Sodobni prevodni materiali so v obliki tankih trakov ali žic z določeno površino preseka in določeno dolžino. Električna prevodnost in upornost se merita v naslednjih enotah: Sm-m/mm.sq oziroma Ohm-mm.sq.m.
Tako sta električna upornost in električna prevodnost značilnosti prevodnosti materiala, katerega presek je 1 mm2 in dolžina 1 m za karakteristiko 20 stopinj Celzija.
Dobri prevodniki električnega toka med kovinami so plemenite kovine, in sicer zlato in srebro, pa tudi baker, krom in aluminij. Jekleni in železni prevodniki imajo šibkejše lastnosti. Omeniti velja, da kovine v čista oblika razlikujejo po boljših lastnostih električne prevodnosti v primerjavi s kovinskimi zlitinami. Za visoko odpornost se po potrebi uporabljajo volframovi, nikromovi in stalni vodniki.
Z znanjem o upornosti ali prevodnosti je zelo enostavno izračunati upornost in prevodnost določenega prevodnika. V tem primeru je treba pri izračunih uporabiti dolžino in površino prečnega prereza določenega vodnika.
Pomembno je vedeti, da je indikator električne prevodnosti, pa tudi odpornost katerega koli materiala, neposredno odvisna od temperaturnega režima. To je razloženo z dejstvom, da s spremembami temperature pride do sprememb v frekvenci in amplitudi atomskih vibracij. Tako se bo z naraščanjem temperature povečal tudi upor proti toku gibajočih se nabojev. In ko se temperatura zniža, se upor zmanjša, električna prevodnost pa se poveča.
Pri nekaterih materialih je odvisnost temperature od upora zelo izrazita, pri drugih pa šibkejša.
Pri tečaju splošne fizike se za izračun električnih vezij uporabljata predvsem Ohmov in Kirchhoffov zakon, ki vključuje napetosti, tokove in upore. Vendar pa je za izračun kompleksnih električnih tokokrogov, zlasti tokokrogov AC, priporočljivo uporabiti prevodnost namesto upora.
Prevodnost v vezju DC g je recipročna vrednost upora
Enota SI za prevodnost je siemens (v čast nemškemu inženirju elektrotehnike iz 19. stoletja E.W. Siemensu).
1 Sim je prevodnost prevodnika z uporom 1 Ohm.
V tokokrogih izmeničnega toka, kot je znano, obstajajo tri vrste upora: aktivni R, reaktivni in skupni g. Po analogiji s tem so bile uvedene tri vrste prevodnosti: aktivni g, reaktivni b in skupni y. Vendar je samo admitansa y recipročna vrednost skupnega upora:
Za uvedbo aktivne g in reaktivne b prevodnosti razmislite o vezju izmeničnega toka aktivnega R in induktivnega reaktanca, povezanega zaporedno (slika 1-25, a). Zanj sestavimo vektorski diagram (slika 1-25, b). Tok v tokokrogu bomo razgradili na aktivne in reaktivne komponente in iz nastalega trikotnika tokov prešli na trikotnik upora (slika 1-25, c). Od slednjega imamo:
Iz vektorskega diagrama (glej sliko 1-25, b) ob upoštevanju formule (1.30) imamo:
kje je aktivna prevodnost,
kje je reaktivnost.
Zdaj pa ugotovimo razmerje med prevodnostmi. Za obravnavano vezje imamo:
Če nadomestimo vrednosti iz odnosov (1.31) oziroma (1.32), dobimo:
kjer je skupna prevodnost vezja.
Po analogiji s trikotnikom upora (slika 1-25, c) zgradimo trikotnik prevodnosti (slika 1-25, d). Po analogiji z induktivno in kapacitivno reaktanco ločimo induktivno in kapacitivno prevodnost.
V primeru razvejanega vezja (sl. 1-26, a) lahko vezje enostavno pretvorimo v tako imenovano ekvivalentno vezje (sl. 1-26, b), v katerem sta dve veji nadomeščeni z eno z ustreznim enakovredna aktivna in
reaktanse. Izračun slednjega upora, kot tudi drugih parametrov vezja, je lažji z uporabo prevodnosti. Določimo osnovne zakone za prevodnost v razvejanem vezju.
Izrazimo skupni tok v smislu njegovih komponent ali ekvivalentnih prevodnosti:
Po drugi strani pa je aktivna komponenta skupnega toka enaka vsoti aktivnih komponent tokov veje:
tj. ekvivalentna aktivna prevodnost veje je enaka aritmetična vsota aktivne prevodnosti vej.
Ker so reaktivne komponente vej obravnavanega vezja v protifazi, potem imamo za reaktivno komponento celotnega toka:
to pomeni, da je ekvivalentna reaktivna prevodnost razvejanosti enaka algebraični vsoti reaktivnih prevodnosti vzporednih vej in se vzame z znakom "plus" in z znakom "minus".
Predpostavimo, da so J diff, J conv, J term enaki nič in J = J migr. Gibanje ionov v prevodnikih druge vrste in elektronov v prevodnikih prve vrste zaradi razlike v električnem potencialu določa njihovo sposobnost prehajanja električnega toka, tj. električna prevodnost(električna prevodnost). Za kvantitativno karakterizacijo sposobnosti prevodnikov prve in druge vrste, da prehajajo električni tok, se uporabljajo dve meri električne prevodnosti. Eden izmed njih je električna prevodnostκ- je recipročna vrednost upornosti:
Upornost se določi iz formule
kje R- skupni upor prevodnika, Ohm; l je razdalja med dvema vzporednima ravninama, med katerima se določi upor, m; S je površina prečnega prereza prevodnika, m2.
Zato
in električna prevodnost je opredeljena kot recipročna vrednost upora enega kubičnega metra prevodnika z dolžino roba kocke, ki je enaka enemu metru. Enota za električno prevodnost: S/m. Po drugi strani pa po Ohmovem zakonu
kje E- potencialna razlika med danima vzporednima ravninama; I - tok.
Če ta izraz nadomestimo v enačbo za določanje električne prevodnosti, dobimo:
Pri S = 1 in E/l = 1 imamo κ = 1. Tako je električna prevodnost številčno enaka toku, ki teče skozi prečni prerez vodnika s površino enega kvadratnega metra, z gradientom potenciala, ki je enak enemu voltu na meter.
Specifična električna prevodnost označuje število nosilcev naboja na enoto prostornine. Posledično bo specifična električna prevodnost odvisna od koncentracije raztopine in za posamezne snovi - od njihove gostote.
Drugo merilo električne prevodnosti je enakovredenλ e (ali molarλ m) električna prevodnost, enako zmnožku specifične električne prevodnosti s številom kubičnih metrov, ki vsebuje en ekvivalent ali en mol snovi:
λ e = κφ e; λ m = κφ m
Ker je φ izražen v m 3 /eq ali m 3 /mol, bo enota za λ Sm∙m 2 /eq ali Sm∙m 2 /mol.
Za rešitve φ = 1/C, kjer je Z- koncentracija, izražena v mol/m3. Potem
λ e = κ/zC in λ m = κ/C
če Z izraženo v kmol/m 3, potem je φ e = 1/(zC∙10 3); φ m = 1/(С∙10 3) in
λ e = κ/(zC∙10 3) in λ m = κ/(C∙10 3)
Pri določanju molske prevodnosti posamezne snovi (trdne ali tekoče) velja φ m = V M, vendar V m = M/d (kjer je V m molski volumen; M molekulska masa; d- gostota), naslednje
pred v a t l o
λ m = κV m = κМ/d
Tako je ekvivalentna (ali molarna) električna prevodnost prevodnost prevodnika, ki se nahaja med dvema vzporednima ravninama, ki sta med seboj oddaljeni en meter in tako območje, da en ekvivalent (ali en mol) snovi (v obliki raztopina ali posamezna sol).
Ta mera prevodnosti označuje prevodnost enake količine snovi (mola ali ekvivalenta), vendar v različnih prostorninah, in tako odraža vpliv interakcijskih sil med ioni kot funkcijo medionskih razdalj.
ELEKTRONSKA PREVODNOST
Kovine, za katere je značilna nizka energija prehoda elektronov iz valenčnega v prevodni pas, imajo že pri normalni temperaturi zadostno število elektronov v prevodnem pasu, da zagotovijo visoko električno prevodnost. Prevodnost kovin se z naraščajočo temperaturo zmanjšuje. To je posledica dejstva, da z naraščajočo temperaturo v kovinah prevladuje učinek povečanja vibracijske energije ionov kristalna mreža, ki zagotavlja odpornost proti usmerjenemu gibanju elektronov, nad učinkom povečanja števila nosilcev naboja v prevodnem pasu. Odpornost kemično čistih kovin se poveča z naraščajočo temperaturo, s povečanjem temperature za stopinjo se poveča za približno 4∙10 –3 R 0 (R 0 - odpornost pri 0 ° C). Pri večini kemično čistih kovin pri segrevanju obstaja linearna povezava med odpornostjo in temperaturo
R = R 0 (1 + αt)
kjer je α temperaturni koeficient upora.
Temperaturni koeficienti zlitin se lahko spreminjajo v širokem območju, na primer za medenino α = 1,5∙10 –3, za konstantan α = 4∙10 –6.
Specifična prevodnost kovin in zlitin je v območju 10 6 - 7∙10 7 S/m. Električna prevodnost kovine je odvisna od števila in naboja elektronov, ki sodelujejo pri prenosu toka, in povprečnega časa potovanja med trki. Isti parametri pri dani električni poljski jakosti določajo hitrost elektrona. Zato lahko gostoto toka v kovini izrazimo z enačbo
kjer je povprečna hitrost urejenega gibanja nabojev; n– število elektronov prevodnega pasu na enoto volumna.
Polprevodniki po svoji prevodnosti zasedajo vmesni položaj med kovinami in izolatorji. Čisti polprevodniški materiali, kot sta germanij in silicij, imajo lastno prevodnost.
riž. 5.1. Shema tvorbe prevodnega para elektron (1) – luknja (2).
Lastna prevodnost je posledica dejstva, da ko pride do toplotnega vzbujanja elektronov, preidejo iz valenčnega pasu v prevodni pas. Ti elektroni se pod vplivom potencialne razlike premikajo v določeni smeri in zagotavljajo elektronska prevodnost polprevodniki. Ko elektron preide v prevodni pas, ostane prazno mesto v valenčnem pasu - "luknja", kar je enakovredno prisotnosti enega samega pozitivnega naboja. Luknja se lahko premakne tudi pod vplivom električnega polja zaradi skoka elektrona valenčnega pasu na svoje mesto, vendar v nasprotni smeri gibanja elektronov prevodnega pasu, kar zagotavlja prevodnost lukenj polprevodnik. Postopek nastajanja lukenj je prikazan na sl. 5.1.
Tako sta v polprevodniku z intrinzično prevodnostjo dve vrsti nosilcev naboja - elektroni in luknje, ki zagotavljajo elektronsko in lukenjsko prevodnost polprevodnika.
V polprevodniku z intrinzično prevodnostjo je število elektronov v prevodnem pasu enako številu lukenj v valenčnem pasu. Pri določeni temperaturi v polprevodniku obstaja dinamično ravnovesje med elektroni in luknjami, to je, da je hitrost njihovega nastajanja enaka hitrosti rekombinacije. Rekombinacija elektrona prevodnega pasu z luknjo valenčnega pasu povzroči "nastanek" elektrona v valenčnem pasu.
Specifična prevodnost polprevodnika je odvisna od koncentracije nosilcev naboja, to je od njihovega števila na prostorninsko enoto. Označimo koncentracijo elektronov n i in koncentracijo lukenj p i. V polprevodniku z intrinzično prevodnostjo je n i = p i (takšne polprevodnike na kratko imenujemo polprevodniki tipa i). Koncentracija nosilcev naboja, na primer v čistem germaniju, je enaka n i = p i ≈10 19 m –3, v siliciju je približno 10 16 m –3 in je 10 –7 - 10 –10% glede na število atomi n.
Pod vplivom električnega polja se v polprevodniku pojavi usmerjeno gibanje elektronov in lukenj. Gostota prevodnega toka je sestavljena iz elektronskega jaz e in luknja i str gostote toka: i = i e + i p, ki kljub enakosti koncentracij nosilcev nista enaki po velikosti, saj sta hitrosti gibanja (gibljivosti) elektronov in lukenj različne. Gostota elektronskega toka je enaka:
Povprečna hitrost elektronov je sorazmerna z napetostjo E" električno polje:
Faktor sorazmernosti w e 0 označuje hitrost gibanja elektrona pri enoti električne poljske jakosti in se imenuje absolutna hitrost gibanja. pri sobna temperatura v čisti Nemčiji w e 0 = 0,36 m 2 /(V∙s).
Iz zadnjih dveh enačb dobimo:
Če ponovimo podobno razmišljanje za prevodnost lukenj, lahko zapišemo:
Potem za skupno gostoto toka:
Primerjava izraza za i z Ohmovim zakonom i = κ E", pri S = 1 m2 dobimo:
Kot je navedeno zgoraj, je za polprevodnik z intrinzično prevodnostjo n i = p i torej
w p 0 je vedno nižji w e 0, na primer v Nemčiji w p 0 = 0,18 m 2 /(V∙s) in w e 0 = 0,36 m 2 /(V∙s).
Tako je specifična električna prevodnost polprevodnika odvisna od koncentracije nosilcev in njihovih absolutnih hitrosti ter je aditivno sestavljena iz dveh členov:
κ i = κ e + κ p
Ohmov zakon za polprevodnike je izpolnjen le, če koncentracija nosilcev n i ni odvisna od poljske jakosti. Pri visokih poljskih jakostih, ki se imenujejo kritične (za germanij E cr ' = 9∙10 4 V/m, za silicij E cr '= 2,5∙10 4 V/m), je Ohmov zakon kršen, kar je povezano s spremembo energije elektronov v atomu in zmanjšanje energije prenosa v prevodni pas ter možnost ionizacije mrežnih atomov. Oba učinka povzročata povečanje koncentracije nosilcev naboja.
Električna prevodnost pri visokih poljskih jakostih je izražena s Poolovim empiričnim zakonom:
ln κ = ln κ 0 + α (E’ – E cr’)
kjer je κ 0 - prevodnost pri E' = E cr ' .
S povišanjem temperature v polprevodniku pride do intenzivnega nastajanja nosilcev naboja, njihova koncentracija pa zaradi toplotnega gibanja narašča hitreje, kot se zmanjšuje absolutna hitrost gibanja elektronov. Zato v nasprotju
iz kovin se električna prevodnost polprevodnikov povečuje z naraščanjem temperature. V prvem približku lahko za majhno temperaturno območje temperaturno odvisnost prevodnosti polprevodnika izrazimo z enačbo
kje k- Boltzmannova konstanta; A- aktivacijska energija (energija, potrebna za prenos elektrona v prevodni pas).
Blizu absolutne ničle so vsi polprevodniki dobri izolatorji. S povečanjem temperature na stopinjo se njihova prevodnost poveča v povprečju za 3 - 7%.
Ko se nečistoče vnesejo v čisti polprevodnik, le-te povečajo njegovo lastno električno prevodnost nečistoča električna prevodnost.Če na primer v germanij vnesemo elemente V. skupine periodni sistem(P, As, Sb), potem slednji tvorijo mrežo z germanijem s sodelovanjem štirih elektronov, peti elektron pa zaradi nizke ionizacijske energije atomov nečistoč (približno 1,6∙10 –21) prehaja iz nečistoče atom na prevodni pas. V takem polprevodniku bo prevladovala elektronska prevodnost (polprevodnik se imenuje elektronski polprevodnik tipa n].Če imajo atomi nečistoč večjo afiniteto do elektronov kot na primer germanij elementi III skupine (In, Ga, B, A1), nato atomom germanija odvzamejo elektrone in v valenčnem pasu nastanejo luknje. V takih polprevodnikih prevladuje luknjasta prevodnost (polprevodnik p-tip]. Atomi nečistoč, ki zagotavljajo elektronsko prevodnost, so donatorji elektroni in luknje - akceptorji).
Primesni polprevodniki imajo večjo električno prevodnost kot polprevodniki z intrinzično prevodnostjo, če koncentracija atomov donorske N D ali akceptorske N A primesi presega koncentracijo intrinzičnih nosilcev naboja. Pri velikih vrednostih N D in NA lahko koncentracijo intrinzičnih nosilcev zanemarimo. Imenujemo nosilce naboja, katerih koncentracija prevladuje v polprevodniku glavne. Na primer, v germaniju n-tipa je n n ≈ 10 22 m–3, medtem ko je n i ≈ 10 19 m~ 3, tj. koncentracija glavnih nosilcev je 10 3-krat višja od koncentracije intrinzičnih nosilcev.
Za primesne polprevodnike veljajo naslednja razmerja:
n n p n = n i p i = n i 2 = p i 2
n p p p = n i p i = n i 2 = p i 2
Prva od teh enačb je zapisana za polprevodnik tipa n, druga pa za polprevodnik tipa p. Iz teh razmerij sledi, da zelo majhna količina nečistoč (približno 10 –4 0 / o) znatno poveča koncentracijo nosilcev naboja, zaradi česar se poveča električna prevodnost.
Če zanemarimo koncentracijo intrinzičnih nosilcev in predpostavimo, da je N D ≈ n n za polprevodnik tipa n in N A ≈ р р za polprevodnik tipa p, lahko električno prevodnost primesnega polprevodnika izrazimo z enačbami:
Pri uporabi električnega polja v polprevodnikih n-tipa prenos naboja izvajajo elektroni, v polprevodnikih p-tipa pa luknje.
Pod zunanjimi vplivi, kot je obsevanje, se koncentracija nosilcev naboja spremeni in je lahko različna v različnih delih polprevodnika. V tem primeru, tako kot v raztopinah, se v polprevodniku pojavijo difuzijski procesi. Zakoni difuzijskih procesov se podrejajo Fickovim enačbam. Difuzijski koeficienti nosilcev naboja so veliko višji kot pri ionih v raztopini. Na primer, v germaniju je koeficient difuzije elektronov 98∙10 –4 m 2 /s, lukenj - 47∙10 –4 m 2 /s. Tipični polprevodniki, poleg germanija in silicija, so pri sobni temperaturi številni oksidi, sulfidi, selenidi, telridi itd. (npr. CdSe, GaP, ZnO, CdS, SnO 2, In 2 O 3, InSb).
IONSKA PREVODNOST
Nekateri plini imajo ionsko prevodnost trdne spojine(ionski kristali in stekla), staljene posamezne soli in raztopine spojin v vodi, nevodnih topilih in talinah. Vrednosti prevodnosti prevodnikov druge vrste različnih razredov se razlikujejo v zelo širokih mejah:
| Snov | c∙10 3 , S/m | Snov | c∙10 3 , S/m |
| H 2 O | 0.0044 | NaOH 10% raztopina 30% » | |
| C2H5OH | 0.0064 | KOH, 29% raztopina | |
| C3H7OH | 0.0009 | NaCl 10% raztopina 25% » | |
| CH3OH | 0.0223 | FeSO 4, 7% raztopina | |
| Acetonitril | 0.7 | NiSO 4, 19 % raztopina | |
| N,N-dimetilacetamid | 0.008-0.02 | CuSO 4, 15 % raztopina | |
| CH 3 COOH | 0.0011 | ZnС1 2, 40% raztopina | |
| H 2 SO 4 koncentrirana 10% raztopina 40% " | NaCl (talina, 850 °C) | ||
| HC1 40% raztopina 10% " | NaNO 3 (talina 500 °C) | ||
| 12 % koncentrirana raztopina HNO 3 | MgCl 2 (talina, 1013 °C) | ||
| А1С1 3 (talina, 245 °С) | 0.11 | ||
| AlI 3 (talina, 270 °C) | 0.74 | ||
| AgCl (talina, 800 °C) | |||
| AgI (trdno) |
Opomba: Specifične vrednosti prevodnosti za raztopine so podane pri 18 °C.
Vendar pa so v vseh primerih podane vrednosti κ za nekaj velikostnih redov nižje od vrednosti κ kovin (na primer, prevodnost srebra, bakra in svinca je 0,67∙10 8, 0,645∙10 8 in 0,056∙10 8 S/m).
V prevodnikih druge vrste lahko pri prenosu električne energije sodelujejo vse vrste delcev z električnim nabojem. Če tako kationi kot anioni prenašajo tok, potem ga imajo elektroliti bipolarna prevodnost.Če tok prenaša samo eno vrsto ionov – katione ali anione – potem opazujemo unipolarna kationska ali anionska prevodnost.
V primeru bipolarne prevodnosti ioni, ki se premikajo hitreje, nosijo večji delež toka kot ioni, ki se premikajo počasneje. Imenuje se delež toka, ki ga prenaša določena vrsta delcev nositi številko te vrste delcev (t i) Pri unipolarni prevodnosti je transportno število vrste ionov, ki prenašajo tok, enako ena, saj ves tok prenaša ta vrsta ionov. Toda pri bipolarni prevodnosti je transportno število vsake vrste ionov manjše od enote in
Poleg tega je treba prenosno število razumeti kot absolutno vrednost deleža toka, ki ga je mogoče pripisati določeni vrsti ionov, ne da bi upoštevali dejstvo, da kationi in anioni prenašajo električni tok v različnih smereh.
Prenosno število katere koli vrste delcev (ionov) med bipolarno prevodnostjo ni konstantna vrednost, ki označuje samo naravo dane vrste iona, temveč je odvisna tudi od narave partnerskih delcev. Na primer, transportno število klorovih ionov v raztopini klorovodikova kislina manj kot v raztopini KS1 enake koncentracije, saj so vodikovi ioni bolj mobilni kot kalijevi. Metode za določanje prehodnih števil so raznolike, njihova načela pa so predstavljena v ustreznih laboratorijskih delavnicah iz teoretične elektrokemije.
Preden preidemo na obravnavo električne prevodnosti določenih razredov snovi, se osredotočimo na eno splošno vprašanje. Vsako telo se giblje v stalnem polju sil, ki delujejo nanj pospešeno. Medtem se ioni v vseh razredih elektrolitov, razen plinov, gibljejo pod vplivom električnega polja določene jakosti s konstantno hitrostjo. Da bi to pojasnili, si predstavljajmo sile, ki delujejo na ion. Če je masa iona m in hitrost njegovega gibanja w, potem Newtonova sila mdw/dt bo enaka razliki med silo električnega polja (M), ki premika ion, in reaktivno silo (L’), ki upočasni njegovo gibanje, ker se ion giblje v viskoznem mediju. Večja kot je hitrost ionov, večja je reaktivna sila, tj. L’ = L w(Tukaj L- sorazmernostni koeficient). torej
Po ločitvi spremenljivk imamo:
Označevanje M – L w = v, dobimo d w= – d v/L in
oz 
Integracijsko konstanto določimo iz robnega pogoja: pri t = 0 w = 0, tj. . Čas začnemo šteti od trenutka, ko se ion začne premikati (trenutek vklopa toka). Nato:
Če nadomestimo njegovo vrednost namesto konstante, končno dobimo.
Električna prevodnost vode je za vsakega od nas zelo pomembna lastnost vode.
Vsak človek bi moral vedeti, da je voda praviloma električno prevodna. Nepoznavanje tega dejstva lahko povzroči škodljive posledice za življenje in zdravje.
Naj podamo nekaj definicij pojma električne prevodnosti na splošno in električne prevodnosti vode posebej.
Električna prevodnost je ...
Skalarna količina, ki označuje električno prevodnost snovi in je enaka razmerju med gostoto električnega prevodnega toka in jakostjo električnega polja.
Lastnost snovi, da pod vplivom časovno nespremenljivega električnega polja prevaja časovno nespremenljiv električni tok.
Razlagalni slovar Ušakova
Električna prevodnost (električna prevodnost, mn. št, ženska (fizična)) - sposobnost prevajanja, prenosa električne energije.
Slovar Ushakova. D.N. Ushakov. 1935-1940
Velika politehnična enciklopedija
Električna prevodnost ali električna prevodnost je lastnost snovi, da pod vplivom nespremenljivega električnega polja prevaja električni tok, ki se s časom ne spreminja. E. p. zaradi prisotnosti mobilnih snovi električni naboji- tokovni nosilci. Vrsto nosilca toka določajo elektronski (za kovine in polprevodnike), ionski (za elektrolite), elektronsko-ionski (za plazmo) in luknjasti (skupaj z elektronom) (za polprevodnike). Glede na specifično električno prevodnost so vsa telesa razdeljena na prevodnike, polprevodnike in dielektrike, fizične. recipročna vrednost električnega upora. Enota SI za električno prevodnost je siemens (q.v.); 1 cm = 1 ohm-1.
Velika politehnična enciklopedija. — M.: Mir in izobraževanje. Ryazantsev V.D.. 2011
Električna prevodnost vode je ...
Politehnični terminološki razlagalni slovar
Električna prevodnost vode je indikator prevodnosti električnega toka v vodi, ki označuje vsebnost soli v vodi.
Politehnični terminološki razlagalni slovar. Zbirka: V. Butakov, I. Fagradyants. 2014
Pomorska enciklopedična knjiga
Električna prevodnost morske vode je sposobnost morske vode, da prevaja tok pod vplivom zunanjega električnega polja zaradi prisotnosti nosilcev električnega naboja v njej - ionov raztopljenih soli, predvsem NaCl. Električna prevodnost morske vode narašča sorazmerno z večanjem njene slanosti in je 100 - 1000-krat večja od prevodnosti rečne vode. Odvisno je tudi od temperature vode.
Pomorska enciklopedična knjiga. - L.: Ladjedelništvo. Uredil akademik N. N. Isanin. 1986
Iz zgornjih definicij postane očitno, da električna prevodnost vode ni konstantna, ampak je odvisna od prisotnosti soli in drugih nečistoč v njej. Na primer, električna prevodnost destilirane vode je minimalna.
Kako ugotoviti električno prevodnost vode, kako jo izmeriti ...
Konduktometrija - merjenje električne prevodnosti vode
Za merjenje električne prevodnosti vode se uporablja metoda konduktometrije (glej definicije spodaj), instrumenti, ki se uporabljajo za merjenje električne prevodnosti, pa imajo ime, ki je sozvočno z metodo - Konduktometri.
Konduktometrija je ...
Razlagalni slovar tujih besed
Konduktometrija in mnogi drugi. ne, w. (Nemško: Konduktometrie< лат. conductor проводник + греч. metreō мерю), тех., хим. — один из видов химического количественного анализа, основанный на измерении электропроводности исследуемого раствора при постепенном добавлении к нему исследуемого реагента.
Slovar tuje besede L. P. Krysina - M: Ruski jezik, 1998
Enciklopedični slovar
Konduktometrija (iz angleškega conversion - električna prevodnost in grškega metreo - merim) je elektrokemična analizna metoda, ki temelji na merjenju električne prevodnosti raztopin. Uporabljajo se za določanje koncentracije raztopin soli, kislin, baz in za kontrolo sestave nekaterih industrijskih raztopin.
Enciklopedični slovar. 2009
Specifična električna prevodnost vode
In na koncu predstavljamo nekaj vrednosti specifične električne prevodnosti za različne vrste vode*.
Specifična električna prevodnost vode je ...
Priročnik za tehnične prevajalce
Specifična električna prevodnost vode je električna prevodnost prostorninske enote vode.
[GOST 30813-2002]
Specifična električna prevodnost vode *:
- Voda iz pipe – 36,30 µS/m;
- Destilirana voda – 0,63 µS/m;
- Pitje (ustekleničeno) – 20,2 µS/m;
- Pitje zamrznjeno – 19,3 µS/m;
- Zamrznjena voda - 22 µS/m.
* Članek “Električna prevodnost vzorcev pitne vode različnih stopenj čistosti" Avtorji: Vorobyova Lyudmila Borisovna. Revija: “Interexpo Geo-Siberia Številka -5 / Zvezek 1 / 2012.”