> Энциклопедический словарь Гранат, страница > Электропроводность не является исключительным свойством перечисленных выше веществ

Электропроводность не является исключительным свойством перечисленных выше веществ

Электропроводность не является исключительным свойством перечисленных выше веществ. В большей или. меньшей мере ей обладают все „изоляторы“. Во многих случаях она обусловливается, главным образом, содержащимися в них ионными примесями. Однако, и абсолютно чистые диэлектрики обладают некоторой хотя ивесьма слабой, проводимостью, причем зависимость ее от температуры выражается той же формулой (6). В тех случаях, когда эта проводимость имеет чисто электронный характер ‘) и .достигает значительной величины уже при обычных температурах, как, например, в случае угля, селена и др. веществ, тело называется не диэлектриком, а tполупроводником. Как видно отсюда, различие между диэлектриками и полупроводниками имеет весьма относительный характер, завися всецело от выбора „нормальной“ температуры: при достаточно высокой температуре большинство диэлектриков становится полупроводниками, и, наоборот, при достаточно низкой температуре всякий полупроводник становится изолятором- Т. обр., в этом отношении мы имеем существенную разницу не между С полупроводниками и диэлектриками, а между полупроводниками и металлами, проводимость которых с понижением температуры не понижается, но, наоборот, увеличивается. Это различие объясняется тем, что в случае металлов число бродячих электронов, будучи равно (приблизительно) числу атомов, не зависит от температуры, которая влияет лишь на их подвижность, между тем как в случае полупроводников температурой определяется самое число этих электронов. Любопытно также отметить то обстоятельство, что в то время как подвижность ионов (обусловливающих перенос Э. в жидких и твердых электролитах) с понижением температуры уменьшается (благодаря увеличению вязкости), подвижность бродячих электронов в металлах, а равным образом, повидимому, и в полупроводниках, при этом увеличивается. Эта особенность „свободных” электронов объясняется тем, чтоб своих странствованиях они не задерживаются у отдельных атомов, но непре-рывно переходят от одного атома к соседнему. Неправильности в расположении атомов, вызываемые их тепловым движением, лишь затрудняют этот переход. )

) Т.-о. обусловливается исключительно оторвавшимися от отдельных атомов электронами.

Различие между металлическими проводниками и диэлектриками имеет, впрочем, с принципиальной точки зрения также относительный характер, не по отношению к температуре, но по отношению к давлению. Как уже было отмечено выше, при достаточной близости между атомами любого вещества, электроны, образующие их наружную оболочку, утратили бы постоянную связь с определенными атомами и превратились бы в „бродяг”. Необходимые для такого сближения давления в случае неметаллических веществ столь велики, что они реализуются, по всей вероятности, только в недрах небесных тел под влиянием сил тяготения. Идя в противоположном направлении—увеличения расстояния между атомами и молекулами—мы приходим к газам, являющимся изоляторами как в случае неметаллических, так и в случае металлических веществ.

При отсутствии полной ионизации, обусловленной сцеплением соседних атомов, то есть давлением (внешним или „внутренним”), мы имеем, однако, в металлических парах и других газах черезвычайно слабую ионизацию, обусловленную тепловым движением. В этом случае оторвавшиеся от атомов электроны являются свободными в полном смысле слова, но зато количество их при обычных температурах столь ничтожно (1 на 1023 и даже более атомов), что зависящую от них проводимость можно практически не принимать в расчет. Иные условия имеют место, конечно, в газовой атмосфере Солнца и других звезд с их черезвычайно высокой температурой, а тем более в недрах этих тел, где к температуре, как фактору ионизации, присоединяется высокое давление.

§ 3. Электрический разряд (пробой). При не очень сильных электрических полях диэлектрики, так же как и металлы, подчиняются закону Ома, то есть, другими словами, сохраняют постоянную электропроводность. Однако, при усилении поля за известные пределы последняя начинает черезвычайно быстро возрастать, так что диэлектрики фактически превращаются в проводники. Обычно это иревращение наступает более или менее внезапно и сопровождается ярким свечением (электрическая искра); в твердых и жидких диэлектриках оно связано с сильным нагреванием, вызывающим проплавление и механическое разрушение цервых и вскипание вторых. Совокупность этих явлений называется электрическим разрядом, или пробоем. Электрический пробой изоляторов весьма аналогичен механическому разрыву твердых тел под влиянием достаточно большого растягивающего усилия; при этом механическому „пределу прочности“ соответствует „пробивное напряжение“ Е0, достижение или превышение которого вызывает пробой диэлектрика. В технике высоких напряжений, связанной с применением изолирующих материалов, эта величина играет такую же роль, как предел прочности в строительной технике. Заметим, что в случае обычно применяемых твердых и жидких изоляторов (стекло, фарфор, масло) пробивное напряжение составляет несколько тысяч абс. электрост. единиц на см. В случае газов оно бывает значительно меньше; так,например, для воздуха при нормальном давлении оно равно примерно 100 (то есть 30.000 вольт насж).

Сущность пробоя, как уже было отмечено в начале этого параграфа, заключается в резком повышении электропроводности при приближении электрического поля к некоторой критической величине Еа. Эго увеличение электропроводности должно, таким образом, обусловливаться непосредственно или косвенно самим полем. Поскольку электропроводность диэлектрика определяется степенью его ионизации и подвижностью ионов (или электронов), действие поля должно заключаться в увеличении этих факторов или, по крайней мере, одного из них. Напомним для сравнения, что в области справедливости закона Ома они оказываются совер-inemio независимыми от присутствия ноля: последнее не вызывает ионизации, но лишь подхватывает уже „готовые“ подвижные заряды, сообщая им скорость, пропорциональную своей напряженности; напомним также, что эта пропорциональность означаетпропорциональность между скоростью движения и силой трения (торможения),—пропорциональность, котораядолжна иметь место лишь при достаточно малых скоростях.

Наиболее изучено явление пробоя в случае газов, где оно обычно известно под именем электрического разряда (смотрите разряд электричества в газах). Как показал Таунсенд, действие поля сводится в этом случае главным образом к увеличению степени ионизации путем столкновения гонимых полем электронов и ионов с нейтральными частиц.ами (атомами или молекулами). Для того, чтобы подобные столкновения могли привести к ионизации, необходимо, чтобы ударяющая частица имела достаточно большую кинетическую энергию, равную или большую так называемой ионизационной энергии W0, то есть той энергии, которую нужно затратить для ионизации нейтральной частицы (путем расщепления ее на положительный ион и электрон или на два противоположных иона). В случае слабых электрических полей кинетическая энергия W, накопляемая электронами или ионами от одного столкновения до следующего, оказывается недостаточной для ионизации ударяемых частиц; она передается им в том же самом виде, то есть в виде кинетической энергии поступательного движения, проявляясь в нагревании газа (Джаулево тепло). Если же электрическая сила, действующая на электрон или ион, столь велика, что за время „свободного пробега“, то есть от одного столкновения до следующего, он приобретает кинетическую энергию, большую илй равную ионизационной энергии, то столкновение его с нейтральной частицей может сопровождаться в определенном проценте случаев ионизацией последней. Продукты этой ионизации тотчас лее подхватываются электрическим полем и в свою очередь ионизуют при столкновениях новые частицы. Таким образом, число ионов и электронов непрерывно, лавинообразно возрастает по мере их движения, а вместо с ним возрастает и сила тока, создаваемого данным электрическим полем.

Впрочем, в ограниченном объёме газа это возрастание силы тока может происходить лишь до тех пор, пока „ионная лавина“ не докатилась до электродов, то есть в течение очень короткого времени после включения электрического поля. Затем весьма быстро устанавливается „стационарный режим“, при котором число новообразуемых при столкновениях электронов и ионов равно числу электронов и ионов, доходящих за то лее самое время до электродов, где они так или иначе „выходят в тиране; кроме того, необходимо принять в расчет электроны и ионы, взаимно нейтрализующиеся путем воссоединения (рекомбинации) в объёме газа. Таким образом, каждой величине электрического поля Е соответствует определенное стационарное значение силы или плотности тока j (Е). То значение Е, при котором эта зависимость начинает сказываться очень резко (в смысле возрастания), и представляет собой величину пробивного напряжения (или напряженности). Это значение, по существу своему не поддающееся Точному определению, лежит обычно очень близко к тому начальному значению Е0, при котором начинается ионизация столкновениями и которое может быть легко определено из условия, необходимого для этой ионизации, то есть из равенства W — W0, где W0—ионизационная энергия, a W— кинетическая энергия, приобретаемая электроном или ионом мелсду двумя столкновениями.