Электрические свойства веществ

Электрические свойства веществ определяются способностью частиц вещества (атомов, молекул, ионов) перемещать электрический заряд под действием внешнего электрического поля. Основными характеристиками этих свойств являются проводимость, диэлектрическая проницаемость и поляризация вещества.

Электропроводность

Электропроводность вещества зависит от наличия свободных носителей заряда и их подвижности. Вещества классифицируются следующим образом:

Металлы обладают высокой проводимостью за счет наличия свободных электронов, формирующих металлический «электронный газ». Электроны легко перемещаются по кристаллической решетке, обеспечивая электрический ток.
Электролиты (водные растворы кислот, оснований и солей) проводят ток благодаря ионам. Под действием электрического поля положительные ионы движутся к катоду, отрицательные — к аноду.
Полупроводники имеют проводимость между металлами и диэлектриками. Электропроводность определяется наличием электронов и дырок в зоне проводимости и может сильно изменяться при легировании или под действием температуры, света и химических примесей.
Диэлектрики практически не проводят электрический ток, так как свободных носителей заряда в их структуре нет. Классическими примерами являются вода в чистом виде, стекло, пластмассы.

Формально проводимость σ вещества определяется законом Ома в дифференциальной форме:

[ = ]

где () — плотность тока, () — напряжённость электрического поля.

Поляризация веществ

Под действием внешнего электрического поля диэлектрики подвергаются поляризации, которая проявляется в смещении электронных оболочек атомов относительно их ядер, а также в ориентации молекул с постоянным дипольным моментом. Основные виды поляризации:

Электронная поляризация — смещение электронных облаков относительно ядер. Характерна для всех диэлектриков.
Ионная поляризация — возникает в ионных кристаллах при смещении положительных и отрицательных ионов в противоположные стороны.
Ориентационная поляризация — характерна для молекул с постоянным дипольным моментом, которые под действием поля ориентируются по его направлению.
Собственная или пространственная поляризация — проявляется при неоднородной структуре вещества, например, в полимерных материалах или жидких кристаллах.

Поляризация ( ) пропорциональна напряжённости электрического поля ():

[ = _e _0 ]

где (_e) — электрическая восприимчивость вещества, (_0) — электрическая постоянная.

Диэлектрическая проницаемость

Диэлектрическая проницаемость (_r) вещества характеризует его способность уменьшать внутреннее электрическое поле при помещении вещества в электрическое поле. Она связана с поляризацией через соотношение:

[ _r = 1 + _e]

Высокая диэлектрическая проницаемость наблюдается у веществ с сильными ионными или полярными связями, таких как вода ((_r )), а низкая — у неполярных органических соединений ((_r -4)).

Влияние строения вещества на электрические свойства

Электрические свойства напрямую зависят от химической связи и структуры вещества:

В металлах металлическая связь обеспечивает подвижность электронов, что определяет высокую проводимость и низкую диэлектрическую проницаемость.
В ионных кристаллах ионная поляризация обусловлена жесткой кристаллической решеткой, а электрическая проводимость в твердом состоянии минимальна. При плавлении или растворении ионная проводимость резко возрастает.
В молекулярных веществах с ковалентной связью проводимость практически отсутствует, но ориентирующаяся поляризация может быть значительной для полярных молекул.
В полупроводниках проводимость регулируется концентрацией электронов и дырок, которые зависят от температуры, легирования и освещенности, что позволяет создавать электронные приборы и сенсоры.

Взаимодействие электрического поля с веществом

Электрическое поле влияет не только на перенос зарядов, но и на энергетические уровни вещества. В полупроводниках и диэлектриках наблюдается смещение зонной структуры, изменение распределения диполей и, как следствие, изменение оптических и диэлектрических свойств. Эти эффекты лежат в основе работы конденсаторов, варисторов, пьезоэлектрических и электрооптических материалов.

Классификация веществ по электрическим свойствам

Проводники — металлы, растворы электролитов.
Полупроводники — кремний, германий, легированные соединения.
Диэлектрики — стекло, фарфор, полиэтилен, вода (чистая).
Суперпроводники — вещества, проводящие ток без сопротивления при критических температурах.

Каждая категория определяется структурными особенностями и характером химической связи, что формирует фундамент для применения веществ в электронике, энергетике и материаловедении.