Электричество пронизывает все вокруг нас. Без него невозможно представить современный мир. Но далеко не все материалы одинаково хорошо проводят электрический ток. Давайте разберемся, в чем причина и почему одни вещества являются проводниками, а другие - диэлектриками.
Строение атомов разных веществ
Возможность материала проводить электрический ток напрямую зависит от строения его атомов и типов химических связей между ними.
Атомы металлов и их электронная структура
Атомы металлов имеют такую особенность, как наличие свободных электронов во внешнем электронном слое. Эти электроны слабо связаны с ядром и могут сравнительно легко покидать свой атом и перемещаться в кристаллической решетке металла. При наложении электрического поля они начинают направленное движение, создавая электрический ток.
Металлы обладают электронной электропроводностью благодаря подвижным электронам их атомов.
Атомы неметаллов: ковалентные и ионные связи
В отличие от металлов, атомы неметаллов образуют прочные химические связи друг с другом, удерживающие все электроны. Это могут быть ковалентные связи с образованием молекул или ионные связи с образованием кристаллических решеток.
- Ковалентная полярная связь характерна для таких соединений как вода, аммиак, хлороводород.
- Ковалентная неполярная связь образуется в неполярных молекулах — бензоле, толуоле.
- Ионная связь типична для солей, например хлорида натрия NaCl.
Степень подвижности электронов в таких соединениях гораздо меньше, чем в металлах. Поэтому твердые неметаллы в чистом виде, как правило, не проводят электрический ток.
Условия возникновения электрического тока
Для возникновения электрического тока в веществе должно выполняться два обязательных условия:
- Наличие свободных подвижных носителей электрического заряда — электронов или ионов.
- Наличие электрического поля, заставляющего эти заряженные частицы перемещаться в определенном направлении.
Кроме того, на подвижность носителей заряда может влиять температура и давление. При нагревании увеличивается тепловое движение частиц, при высоком давлении расстояния между ними уменьшаются.
| Условие | Влияние на проводимость |
| Высокая температура | Увеличивает проводимость |
| Высокое давление | Увеличивает проводимость |
Поэтому при нагревании даже плохие проводники электричества могут увеличить свою проводимость за счет большей подвижности носителей заряда.
Проводники электричества
К проводникам электричества относятся вещества, легко пропускающие электрический ток через себя. Это обусловлено наличием свободных заряженных частиц в их составе.
Металлы и их электронная проводимость
Металлы являются типичными проводниками благодаря свободным электронам своих атомов. Под действием электрического поля электроны дрейфуют сквозь кристаллическую решетку, что и определяет высокую электронную проводимость металлов.
Самыми лучшими проводниками являются серебро, медь, золото, алюминий и др.
Электролиты и ионная проводимость
В жидких и твердых электролитах носителями заряда служат положительные (катионы) и отрицательные (анионы) ионы. Примерами электролитов являются водные растворы солей, кислот и щелочей, расплавы солей, некоторые твердые вещества со структурой ионных кристаллов.
Полупроводники и их свойства
Способность к электропроводности у полупроводников проявляется лишь при определенных условиях. Например, после нагревания или облучения светом концентрация свободных носителей заряда в полупроводниках резко возрастает.
К полупроводникам относят германий, кремний, селен и некоторые другие вещества. Их проводимость носит электронно-дырочный характер.
Диэлектрики или изоляторы
Диэлектрики или изоляторы — это вещества, практически не проводящие электрический ток. У них отсутствуют свободные заряженные частицы, способные переносить электрический заряд.
Причины отсутствия свободных носителей заряда
В диэлектриках все электроны прочно удерживаются атомами или молекулами. Это происходит по следующим причинам:
- Наличие преимущественно ковалентных полярных или неполярных связей между атомами.
- Большая энергия ионизации атомов, не позволяющая электронам покидать атомы.
- Отсутствие свободных электронных уровней для движения электронов.
Поэтому в чистых диэлектриках электрический ток не возникает.
Механизм поляризации диэлектриков
Хотя свободные носители зарядов в диэлектриках отсутствуют, под действием электрического поля происходит так называемая поляризация — смещение отрицательных и положительных зарядов в молекулах.
В результате поляризации возникают наведенные электрические поля, направленные против внешнего поля, что и объясняет непроводящие свойства диэлектриков.
Применение диэлектриков в технике
Хотя диэлектрики сами по себе ток не проводят, они широко используются в электротехнике:
- Для электроизоляции токоведущих частей
- Для конденсаторов, кабелей, генераторов
- В микроэлектронике для интегральных схем
Причем с увеличением рабочих напряжений и частот требования к свойствам диэлектриков возрастают.
Существуют особые классы веществ, которые занимают как бы промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
