Непроводник

Непроводники - это вещества , электрическая проводимость которых меньше 10 -8  См · см -1 или удельное сопротивление более 10 8 Ом · см, что является сравнительно низким и, следовательно, в основном несущественным и ниже, чем у полупроводников . Хотя этот термин используется в физике для любого материала, такого как газы и вакуум , в технологии он обычно означает только твердые тела .

Другими частично синонимичными терминами являются изолятор, изоляционный материал и диэлектрик . В дополнение к описанному здесь свойству материала термин изолятор также означает непроводящий компонент, который используется для крепления электрических компонентов, см. Изолятор . Если для изоляции электрических проводников, например кабелей , используются непроводящие провода , их называют изоляционными материалами. Если изоляционные материалы определяют электрические свойства электрических или электронных компонентов (например, конденсаторов или коаксиальных кабелей ), они называются диэлектриками.

Подразделение

Идеальные непроводники не проводят электрический ток, у них бесконечно высокое сопротивление и нет свободно движущихся носителей заряда, а это означает, что их проводимость равна нулю. Однако идеальных диэлектриков не существует (поскольку идеального вакуума в природе тоже не существует, свойства идеального диэлектрика можно было приблизительно оценить только в нескольких экспериментах. См. Также изолирующий материал: супраизоляторный эффект ). Однако настоящие непроводники всегда обладают слабой проводимостью в зависимости от температуры и, следовательно, конечным удельным сопротивлением. Однако их часто можно рассматривать как идеальные диэлектрики, а их проводимостью можно пренебречь.

Физические свойства

Непроводники - это вещества, большинство носителей заряда которых, например электроны, прочно связаны с атомами или ионы которых прочно встроены в кристаллическую решетку и поэтому не обладают значительной подвижностью . Это включает большинство неметаллов, а также углеводороды и многие другие органические соединения . Из-за разнообразия непроводящих материалов общее описание физических свойств, кроме электропроводности, невозможно.

Зонные структуры из непроводников (в центре) и полупроводников (справа)

Как описано, материалы с проводимостью в диапазоне от 10 -8 до более чем 10 -26  См · см -1 относятся к группе непроводников. Это значение связано с очень низкой плотностью свободных носителей электрического заряда (электронов и / или ионов). На примере непроводящего твердого тела, такого как алмаз, это лучше всего можно проиллюстрировать с помощью модели энергетической зоны . В случае непроводников валентная зона полностью занята. Поскольку « запрещенная зона » (энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости ) очень велика ( E G > 3 эВ), электроны вряд ли могут перейти в зону проводимости простым тепловым возбуждением (при комнатной температуре или при нормальных условиях). Поэтому их низкая проводимость обусловлена ​​в основном ионами. Это сравнительно редко бывает даже при сильно повышенных температурах, при которых средней энергии электронов теоретически было бы достаточно для переключения в зону проводимости. Более вероятно, что процессы ионизации происходят заранее, загрязнение приводит к эффектам потерь или материал разрушается под действием тепловой нагрузки. В этом отношении непроводники отличаются от полупроводников . Полупроводники также имеют «запрещенную зону», но она достаточно мала, чтобы многие электроны могли быть возбуждены из валентной зоны в зону проводимости даже при низких температурах и, таким образом, доступны для переноса заряда без повреждения полупроводника. Граница между непроводниками и полупроводниками находится примерно на расстоянии трех электрон-вольт .

Только очень небольшое количество частиц может свободно перемещаться и образовывать так называемые токи утечки.

Количество свободно перемещаемых носителей заряда увеличивается как с увеличением температуры ((сильный) нагрев), так и с увеличением напряжения (напряженности поля).

Следовательно, все вещества или материалы, помеченные как «непроводящие», могут, несмотря на их обозначение, обладать достаточной энергией , например, при (очень) высокой температуре или достаточно высоком напряжении, чтобы при приложении управляемых (более высоких или высоких) электрических токов подводятся, посредством чего они превращаются в электрические проводники , но часто только на короткое время, поскольку твердые тела, в частности, часто необратимо разрушаются. См .: Изолятор: повреждение от перегрузки .

Таким образом, помимо приложения очень высокого напряжения, алмаз также становится проводником, когда он нагревается докрасна , как и стекло, которое затем плавится.

Примеры

Алмаз - непроводник

Многие вещества являются непроводящими, одним из самых известных представителей является чистый углерод в модификации алмаза . Однако многие соединения углерода также считаются непроводящими, например янтарь или различные пластмассы . Последние используются, помимо прочего, для изоляции кабелей или корпусов. Другие непроводящие материалы - это керамические материалы , стекло или даже силиконы .

Неионизированные сухие газы, такие как аргон , кислород или нормальный сухой воздух, также не являются проводниками. Как правило, присутствие воды является причиной появления многих природных веществ или смесей веществ (например, древесины ), которые сами по себе не проводят значительного электричества, поэтому становятся проводниками. Дистиллированная или деионизированная вода считается изолятором, но поскольку некоторые молекулы воды всегда диссоциированы , доступны ионы, которые проводят электрический ток и делают воду плохим изолятором. В обычную водопроводную воду или воду в озерах добавляются растворенные соли (ионы металлов и неметаллов) и т. Д. Они значительно увеличивают проводимость и делают воду проводником .

Соли в твердом состоянии - несмотря на их ионную структуру - в основном непроводники. Сила связи между ионами слишком велика для свободного движения достаточного количества ионов. Если соли плавятся, это меняется: ионы больше не связаны так прочно со своими соседними ионами, и поэтому расплавленные соли могут переносить электрический ток посредством ионной проводимости .

веб ссылки

Викисловарь: Непроводник  - объяснение значений, происхождение слов, синонимы, переводы

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ Леонхард Стини: Активные электронные компоненты: конструкция, структура, режим работы, свойства и практическое использование дискретных и интегрированных полупроводниковых компонентов . Springer-Verlag, 2016, ISBN 978-3-658-14387-9 , стр. 7 ( ограниченная предварительная версия в программе Поиск книг Google [доступ 26 ноября 2016 г.]).
  2. ↑ Штеффен Пол, Рейнхольд Пол: Основы электротехники и электроники 1: Сети постоянного тока и их приложения . Springer-Verlag, 2014, ISBN 978-3-642-53948-0 , стр. 10 ( ограниченная предварительная версия в Поиске книг Google [доступ 26 ноября 2016 г.]).
  3. ↑ Фолькмар Зайдель: Стартап-электротехника . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-322-80016-9 , стр. 13 ( ограниченная предварительная версия в Поиске книг Google [доступ 8 сентября 2016 г.]).
  4. ^ Исследование, февраль 2007 г., ЦЕРН. В: RTD info - специальный выпуск EIROforum. Проверено 25 сентября 2016 года .
  5. ↑ Внезапное сопротивление. В: Wissenschaft.de 7 апреля 2008 года , извлекаемых 14 сентября 2019 года .
  6. ^ Рольф Фишер, Герман Линзе: Электротехника для инженеров-механиков: электроника, электрические измерительные технологии, электрические приводы и технологии управления . Springer-Verlag, 2009, ISBN 978-3-8348-0799-1 , стр. 2 ( ограниченная предварительная версия в программе Поиск книг Google [доступ 18 ноября 2016 г.]).
  7. ↑ Макс Борн: теория относительности Эйнштейна и ее физические основы . Книги по запросу , 2013, ISBN 978-3-95580-142-7 , стр. 125 ( ограниченная предварительная версия в Поиске книг Google [доступ 16 сентября 2016 г.]).
  8. ^ Иоганн Рет, Хельмут Крушвиц, Дитер Мюлленборн, Клеменс Херрманн: Основы электротехники . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-322-85081-2 , стр. 4 ( ограниченная предварительная версия в программе Поиск книг Google [доступ 8 сентября 2016 г.]).
  9. ↑ Бурхард Кохаупт: Практические знания по химии для техников и инженеров . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-663-07703-9 , стр. 169 ( ограниченная предварительная версия в Поиске книг Google [доступ 26 ноября 2016 г.]).
  10. ^ Вильгельм Генрих Вестфаль: Небольшой учебник физики: Без применения высшей математики . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-28562-6 , стр. 111 ( ограниченная предварительная версия в Поиске книг Google [доступ 1 августа 2016 г.]).
  11. ^ Альфред X. Траутвайн, Уве Крайбиг, Юрген Хюттерманн: Физика для врачей, биологов, фармацевтов . Вальтер де Грюйтер, 2014, ISBN 978-3-11-031682-7 , стр. 165 ( ограниченная предварительная версия в Поиске книг Google [доступ 18 ноября 2016 г.]).
  12. ^ Гюнтер Обердорфер: Краткий учебник электротехники . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-7091-5062-7 , стр. 75 ( ограниченная предварительная версия в Поиске книг Google [доступ 20 июля 2016 г.]).
  13. ↑ Лутц Цулике: Молекулярная теоретическая химия: Введение . Springer-Verlag, 2015, ISBN 978-3-658-00489-7 , стр. 482 ( ограниченная предварительная версия в Поиске книг Google [доступ 16 сентября 2016 г.]).
  14. ^ Питер В. Аткинс, Хулио Де Паула: Физическая химия . John Wiley & Sons, 2013, ISBN 978-3-527-33247-2 , стр. 764 ( ограниченная предварительная версия в Поиске книг Google [доступ 16 декабря 2016 г.]).
  15. ^ Карл Купфмюллер, Вольфганг Матис, Альбрехт Райбигер: Теоретическая электротехника: Введение . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-37940-6 , стр. 263 ( ограниченная предварительная версия в Поиске книг Google [доступ 5 февраля 2017 г.]).
  16. ↑ Уильям Обургер: Изоляционные материалы в электротехнике . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-26196-5 , стр. 10 ( ограниченная предварительная версия в программе Поиск книг Google [доступ 20 июля 2016 г.]).
  17. ↑ Милан Видмар: Лекции по научным основам электротехники . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-52626-8 , стр. 76 ( ограниченная предварительная версия в программе Поиск книг Google [доступ 13 июня 2016 г.]).
  18. ↑ Гельмут Симон, Рудольф Зурманн: Фотоэлектрический эффект и его приложения . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-92737-9 , стр. 186 ( ограниченная предварительная версия в программе Поиск книг Google [доступ 29 августа 2016 г.]).
  19. ↑ Хансгеорг Хофманн, Юрген Шпиндлер: Материалы в электротехнике: основы - структура - свойства - испытания - применение - технология . Карл Хансер Верлаг, 2013, ISBN 978-3-446-43748-7 , стр. 105 ( ограниченная предварительная версия в Поиске книг Google [доступ 16 сентября 2016 г.]).
  20. ↑ Юджин Г. Рохов: Кремний и силиконы: Об инструментах каменного века, древней керамике, современной керамике, компьютерах, материалах для космических путешествий и о том, как это произошло . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-09896-7 , стр. 38 ( ограниченная предварительная версия в Поиске книг Google [доступ 29 августа 2016 г.]).
  21. ↑ Клаус Людерс: Релятивистская физика - от электричества до оптики . Walter de Gruyter GmbH & Co KG, 2015, ISBN 978-3-11-038483-3 , стр. 170 ( ограниченная предварительная версия в Поиске книг Google [доступ 16 декабря 2016 г.]).