Электрический нагрев проводников, диэлектриков и полупроводников

Все вещества с точки зрения электрофизических свойств подразделяются на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводники – тела, в которых могут быть созданы электрические токи проводимости. В проводниках существуют свободные электрические заряды, двигающиеся под действием электрического поля. Упорядоченное движение электрических зарядов представляет собой электрический ток проводимости.

Заряды при своем движении сталкиваются с другими частицами вещества и отдают им энергию, полученную от электрического поля. Вследствие этого все проводники обладают сопротивлением электрическому току. Для поддержания движения зарядов в проводниках должно существовать электрическое поле, которое при движении зарядов совершает работу. Энергия, отдаваемая движущимися зарядами частицам тела, превращается в теплоту, при этом проводник нагревается протекающим по нему током.

Диэлектрики – материалы, не проводящие электрический ток, т.е. являющиеся изоляторами. Отсутствие электрической проводимости у них обусловлено тем, что электрические заряды разных знаков связаны между собой и вследствие этого не могут двигаться независимо даже при воздействии внешнего электрического поля. В этом случае в диэлектрике происходит лишь некоторое изменение положения или смещение зарядов, связанных между собой, называемое поляризацией диэлектрика.

Электрическое поле поляризованных зарядов направлено навстречу полю, вызвавшему поляризацию, и ослабляет его. Поэтому если диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то внутри диэлектрика это электрическое поле уменьшается. Чем сильнее поляризуется диэлектрик, тем больше ослабляется в нем внешнее электрическое поле, тем больше диэлектрическая проницаемость данного вещества.

Относительная диэлектрическая проницаемость

где Е₀ – напряженность электрического поля в свободном пространстве, В/м;

Е – напряженность электрического поля в диэлектрике, В/м.

Поляризация твердых и жидких диэлектриков может значительно ослаблять поле электрических зарядов, т.е. диэлектрическая проницаемость диэлектриков может быть много больше 1.

Полупроводники – вещества, занимающие среднее положение между проводниками с электронной проводимостью и диэлектриками как по значению удельного сопротивления, так и по характеру действия их ионов на электроны, движение которых под действием внешнего электрического поля создает электрический ток.

В полупроводниках электроны связаны с ионами вещества достаточно сильно, но все же слабее, чем в диэлектриках. Поэтому тепловое движение нарушает связь части электронов с ионами и эти электроны становятся свободными, т.е. под влиянием электрического поля они способны создавать электрический ток. Чем выше температура полупроводника, тем интенсивнее тепловое движение, тем большее число электронов теряет свою связь с ионами и участвует в образовании электрического тока.

В полупроводниках наряду с электронной имеется и дырочная проводимость. Преобладание проводимости того или иного типа зависит от наличия в проводниках различных примесей.