Juhid, pooljuhid ja isolaatorid
Kasutate iga päev palju materjale ja need võimaldavad elektrivoolul liikuda väga erineval viisil.Dirigendidlase elektril kergesti läbi minna.Pooljuhidjuhtida voolu voolu.Isolaatoridblokeerida elektrienergia peaaegu täielikult.
Need materjalid on igapäevaelus hädavajalikud:
Juhtmed nagu vask ja alumiinium toidavad teie seadmeid, valgustavad teie kodu ja kaitsevad pikse eest.
Pooljuhid panevad LED-id särama, võimaldavad päikesepaneele ning hoiavad elektroonika kiire ja tõhusana.
Isolaatorid kaitsevad teid elektrilöögi eest ja hoiavad elektrisüsteeme ohutuna.
Põhiline kokkuvõte
Dirigendid(vask, alumiinium) võimaldavad hõlpsat elektrivoolu voolamist, mida kasutatakse juhtmetes ja toitekomponentides.
Pooljuhid(räni) juhib voolu, mis on nutitelefonides, arvutites ja päikesepaneelides kriitiline.
Isolaatorid(plast, klaas) seiskamisvool, vältides lööke ja kaitstes seadmeid.
Temperatuuri mõju: juhid juhivad kuumalt halvemini; pooljuhid juhivad paremini.
Igal materjalil on elektroonikas ainulaadne roll. Nende mõistmine aitab selgitada, kuidas seadmed töötavad.
Mis on dirigendid?
Definitsioon
A dirigenton materjal, mis võimaldab elektrivoolul vabalt liikuda.Juhtidel on paljuvabad elektronidmis võivad aatomite vahel kergesti liikuda. Tüüpilised näited on metallid, nagu vask.
Valguse sisselülitamisel või telefoni laadimisel kasutate juhte.Mõelge juhile kui akiirtee elektronide jaoks- nad liiguvad kiiresti ja sujuvalt.
Omadused
Väga madal takistus elektrivoolule
Suur hulk liikuvaid vabu elektrone
Valents- ja juhtivusribad kattuvad, nii et elektronid voolavad vabalt
Enamik metalle on suurepärased juhid; juhivad ka mõned vedelikud (nt elavhõbe).
Juhtivus= kui kergesti vool voolab
Vastupidavus= kui palju materjal voolule vastu peab
Ülijuhidkaasas kandma voolunulltakistusäärmiselt madalatel temperatuuridel.
Levinud näited
| Metallist | Juhtivus | Maksumus | Plastilisus | Kuumakindlus |
|---|---|---|---|---|
| Vask | Kõrge | Taskukohane | Kõrge | Kõrge |
| Hõbedane | Väga kõrge | Kallis | Keskmine | Kõrge |
| Kuldne | Kõrge | Väga kallis | Madal | Keskmine |
| Alumiinium | Keskmine | Madalad kulud | Kõrge | Keskmine |
Vask: kõige levinum elektrijuhtmetes
Hõbedane: parim juht, kuid üldiseks kasutamiseks liiga kulukas
Kuldne: korrosioonikindel-, kasutatakse tipptasemel-elektroonikas
Alumiinium: kerge ja odav, kasutatakse elektriliinides
Mis on pooljuhid?
Definitsioon
A pooljuhtomab juhtivustjuhtide ja isolaatorite vahel.Selle juhtivust saab muuta, lisades väikese koguse muid elemente - protsess, mida nimetataksedoping.See juhitavus teeb pooljuhtidest kaasaegse elektroonika vundamendi.
Omadused
Juhtivus muutub koostemperatuurivõilisandid (doping)
Käitumine on määratud bändi struktuuriga
Juhtivussuureneb kuumusega(metallide vastand)
Kõrgem temperatuur → rohkem elektrone hüppab valentsribalt juhtivusribale
Levinud näited
| Materjal | Ühised kasutusalad | Eriomadused |
|---|---|---|
| Räni (Si) | Arvutikiibid, nutitelefonid | Rikkalik, usaldusväärne |
| germaanium (ge) | Kiired{0}}seadmed, optika | Kiire reageerimine |
| Galliumarseniid | LEDid, päikesepatareid | Kõrge{0}}sagedus, tõhus |
| Ränikarbiid (SiC) | EV-d, elektrisüsteemid | Kõrge võimsus- ja temperatuuritaluvus |
| Indiumfosfiid | Kiud{0}}optilised süsteemid | Kiire{0}}andmeedastus |
Mis on isolaatorid?
Definitsioon
Anisolaatoron materjal, misblokeerib või peab tugevalt vastuelektri ja soojuse voog.Isolaatorites olevad elektronid on tihedalt seotud aatomitega ega saa vabalt liikuda.
Isolaatorid:
Hoidke elektrit juhtmete sees
Vältida elektrilööki
Lühise vältimiseks isoleerige juhtmed
Omadused
Äärmiselt kõrge elektritakistus
Elektronid on fikseeritud oma kohale
Stabiilne kuumuse, niiskuse ja kemikaalide suhtes
Kasutatakse nii elektriohutuse kui ka soojusisolatsiooni jaoks
Levinud näited
Klaaskiud: tulekindel,{0}}kasutatakse seinte isolatsioonis
Tselluloos: valmistatud taaskasutatud paberist, täidab tühimikud
Polüuretaanvaht:{0}}energiasäästlik soojusisolatsioon
Mineraalvill: kuuma-kindel, mitte-süttiv
Polüstüreen: veekindel,{0}}kasutatakse välisseintes
Vilgukivi: suurepärane elektri- ja soojusisolaator
Juhtide, pooljuhtide ja isolaatorite võrdlus
Elektriline takistus
| Materjali tüüp | Takistus (Ω·cm) |
|---|---|
| Dirigendid | 10⁻⁸ – 10⁻⁴ |
| Pooljuhid | 10⁻⁴ – 10⁸ |
| Isolaatorid | 10⁸ – 10¹⁸ |
Tüüpilised juhtivuse väärtused
| Materjal | Juhtivus (S/m) |
|---|---|
| Vask | 5.96 × 10⁷ |
| Räni | ~1.56 × 10⁻³ |
| Klaas | 10⁻¹¹ – 10⁻¹⁶ |
Band Gap
Theriba vaheon energia, mis on vajalik elektronide vabaks liikumiseks.
| Materjali tüüp | Ribavahe (E₉) | Käitumine |
|---|---|---|
| Dirigendid | 0 | Elektronid voolavad vabalt |
| Pooljuhid | Väike | Elektronid võivad hüpata kuumuse või dopinguga |
| Isolaatorid | Väga suur | Peaaegu puudub elektronide liikumine |
Tõelised ribalõhe näited
| Materjal | Band Gap (eV) | Tüüp |
|---|---|---|
| Teemant | 5.5 | Isolaator |
| Räni | 1.14 | Pooljuht |
| Germaanium | 0.67 | Pooljuht |
Rakendused
| Tüüp | Kinnisvara | Tüüpilised kasutusalad |
|---|---|---|
| Dirigendid | Kandke voolu kergesti | Juhtmed, kaablid, elektrikomponendid |
| Pooljuhid | Juhtvool | Kiibid, transistorid, LED-id, päikesepaneelid |
| Isolaatorid | Blokeeri vool | Traatkatted, turvakatted, tõkked |
Aatomi struktuur ja temperatuur
Dirigendid: välised elektronid on lõdvalt hoitud; juhtivusvähenebkuumalt (aatomivibratsioon häirib voolu).
Pooljuhid: elektronid hoitakse madalatel temperatuuridel tihedalt kinni; juhtivussuurenebkuumusega.
Isolaatorid: elektronid on tugevalt seotud; peaaegu puudub juhtivus isegi kuumutamisel.
Kokkuvõttev tabel
| Kinnisvara | Dirigent | Pooljuht | Isolaator |
|---|---|---|---|
| Juhtivus | Väga kõrge | Keskmine | Väga madal |
| Band Gap | Mitte ühtegi | Väike | Suur |
| Elektronid | Vaba liikuda | Mõned vabad elektronid | Tihedalt seotud |
| Kuumutamisel | Juhtivus väheneb | Juhtivus suureneb | Jääb madalaks |
| Peamised kasutusalad | Juhtmed, elektriliinid | Kiibid, transistorid | Traadi isolatsioon, ohutus |
Korduma kippuvad küsimused
Mis on peamine erinevus juhtide ja isolaatorite vahel?
Juhid võimaldavad elektronide vaba voolu; isolaatorid blokeerivad selle. Juhtmed kasutavad toiteallikaks juhtmeid ja ohutuse tagamiseks isolaatoreid.
Miks pooljuhid kuumalt paremini töötavad?
Kuumus annab elektronidele piisavalt energiat, et ületada ribalaiust, suurendades juhtivust.
Kas vesi võib olla juht?
Puhas vesi ei ole juhtiv. Kuid kraanivesi sisaldab mineraale ja sooli, muutes selle elektrit juhtivaks ja ohtlikuks.
Kust võib igapäevaelus leida pooljuhte?
Nutitelefonid, arvutid, telerid, LED-id, päikesepaneelid ja laadijad.
Kuidas isolaatorid teid kaitsvad?
Need takistavad otsekontakti pingestatud vooluga, kaitstes elektrilöögi ja tulekahjude eest.