Elektripinge mõjul elektritehnilistes materjalides toimuvate füüsikaliste protsesside vaatlemisel kasutatakse mõistet – erijuhtivus s.o. eritakistuse pöördväärtus:

 

sealjuures tahkete isoleermaterjalidel eristatakse parameetreid:

· mahuerijuhtivus - γv [W×cm^-1] ja

· pinnaerijuhtivus - γs [W ^-1 ]

Elektrivool on laetud osakeste - elektronide ja ioonide - orienteeritud liikumine. Mida rohkem on materjalis vabu laetud osakesi (elektrone ja ioone – elektrivoolu kandjaid), seda suurem on antud materjali erijuhtivus ja vastupidi:

a) Elektrijuhtidel γ_v = 10⁶ - 10⁴ [W cm^-1 ] Vasel γ_v = 5,7 x 10⁵ [ W cm^-1 ]

b) Pooljuhtidel γ_v = 10⁴ -10⁸ [W cm^-1 ] Ränil γ_v = 3*10⁴ [Ω*cm^-1]

c) Dielektrikutel γ_v = 10^-10 - 10^-16 [W cm^-1 ] Parafiinil γ_v = 4,2 x 10^-16 [W cm^-1 ]

 

a) Elektrijuhis (metallilises) pinge rakendamisel muutub temas elektronide korrapäratu liikumine suunatud liikumiseks. Vabad elektronid kulgevad (-) → (+) ja tekitavad elektrivoolu.

Kõikidel metallilistel elektrijuhtidel on piisavalt palju vabu elektrone, mistõttu nende elektritakistus ja -juhtivus jäävad lineaarsesse sõltuvusse voolu pingest:

I = U : R = GU, kus

I - rakendatud pinge V , U – voolutugevus A ,

R - elektrijuhi elektritakistus Ω, G - elektrijuhi juhtivus S

Elektrijuhi soojenemisel kristallvõres olevate ioonide võnkumise intensiivistumine raskendab elektronide liikumist, mille tulemusena elektrivool juhis väheneb. Seega takistus suureneb elektrijuhtme temperatuuri tõusmisel. Temperatuuri mõju määrab juhtmeks kasutatava materjali takistuse temperatuuritegur – α.

 

Takistuse muutus olenevalt temperatuurist on arvutatav valemiga:

Rt = Ro [ 1+ a (t - to )],kus

Rt - takistus lõpptemperatuuril Ω Ro - takistus algtemperatuuril Ω,

to - algtemperatuur °C, t - lõpptemperatuur °C

α- takistuse temperatuuritegur,

analoogselt on juhtmematerjalide eritakistuse suurus arvutatav erineval temperatuuril valemiga:

α= ρo [1 + α (t - to)]

Metalliliste elektrijuhtide elektritakistust mõjutavad ka materjalis leiduvad lisandid ja sulamite koostis. Väiksema lisandite sisaldusega metallid ja väiksema komponentide kogusega sulamid omavad ka palju väiksemat elektrilist eritakistust. Kusjuures erinevate lisandite ja komponentide mõju materjali eritakistusele oleneb nende endi elektrilistest ning füüsikalistest omadustest.

b) Pooljuhtide elektrijuhtivus on tunduvalt väiksem, kuna aine elektronid on seotud aatomitega. Elektronide vabanemine võib toimuda pooljuhi soojenemisel välise soojusallika toimel. Soojusenergia arvel osa elektrone siirduvad teisele energiatasemele - “vabanevad” ja võivad hakata rakendatud pinge mõjul vabamalt liikuma tekitades pooljuhis elektrivoolu.

Sellist energiaala nimetatakse pooljuhi juhtivuspiirkonnaks või -tsooniks.

Juhtivuspiirkond võib tekkida juba toatemperatuuril ja edasisel temperatuuri tõusmisel pooljuhis elektrijuhtivus suureneb. Tekib nn. “n-juhtivus”, kuna voolu kandjateks on negatiivse elektrilaenguga elektronid.

Elektroni puudujääki aatomis nimetatakse auguks või tühemikuks. Ilma elektronita aatomist on saanud positiivset laengut kandev osake.

Tühemiku täitmiseks hakkab aatom haarama naabritelt elektrone, mis tõttu tekib elektronide liikumisele vastassuunaline liikumine. Sellist aukude liikumise tulemusena tekkivat elektrivoolu nimetatakse aukvooluks ja juhtivust aukjuhtivuseks ehk “p – juhtivuseks” kuna on põhjustatud positiivsetest voolukandjatest.

Seega pooljuhtidel esineb “n” ja “p” - omajuhtivus, mis ilmneb igal pooljuhil kindlaks määratud temperatuuridel. Madalatel temperatuuridel võib elektronide üleminek juhtivustsooni lakata. Sellistes tingimustes osutuvad pooljuhid dielektrikuteks.

Pooljuhtides võib elektronjuhtivuse ja aukjuhtivuse tsooni saavutada madalamatel temperatuuridel, kasutades pooljuhi materjalikoostises lisandeid. Lisandite aatomite valentselektronid aitavad saavutada juhtivusetsooni palju madalamal temperatuuril.

Lisandi aatomeid, mis varustavad pooljuhti vabade elektronidega nimetatakse - donaatoriteks.

Teised lisandite aatomid võimaldavad siduda rohkem elektrone, soodustades (põhjustades) aukude tekkimist ja neid nimetatakse aktseptoriteks.

Olenevalt kasutatud lisandist võib pooljuht omandada

· elektronjuhtivuse või

· aukjuhtivuse,

mis võivad olla “n” - või “p” - juhtivus.

Temperatuuri tõusmisel pooljuhil juhtivus suureneb, alanemisel väheneb.

Pooljuhtides ei esine voolu ja pinge vahel lineaarne sõltuvus. Alalisvooluallikaga ühendatud pooljuhis kasvab vool I intensiivsemalt kui rakendatav pinge. (joon. 7.5.a.).

 

b - pooljuhi sümmeetriline voltamperkarakteristik.

c - pooljuhi ebasümmeetriline voltamperkarakteristik.

 

Vastupidise suunaga voolu rakendamisel saame mõlemas suunas võrdse takistuse pooljuhtidel sümmeetrilise voltamperkarakteristiku (joon. 7.5.b.).

Tehniliselt on võimalik muuta pooljuhi takistus vastassuunas vooluahelas erinevaks. Tulemuseks on ebasümmeetriline voltamperkarakteristik (joon. 7.5.c). Tõkkevool (-I) jääb väikeseks ka küllalt suurte pingete juures. Seda voolu suunda nimetataksegi pooljuhi tõkkesuunaks.

c) Dielektrikute elektrijuhtivus on üliväike. Iseloomult võib see olla elektronjuhtivus või ioonjuhtivus. Enamus tahketest ja vedelatest dielektrikutest omab ioonjuhtivuse.

Elektroodidel neutraliseerunud aine ioonid moodustavad elektroodil vastava aine kihi, peegeldades tekkinud voolusuunda.

Dielektrikute voltamperkarakteristik on madalatel pingetel lähedane lineaarsele (joon. 7.6.lõik 0A). Kõrgetel aga suureneb vool eksponentfunktsioonile vastavalt (lõik BC). Keskmistel pinge suurustel aga peaaegu ei muutu (lõik AB).

 

 

Elektronjuhtivusega dielektrikutel on nagu pooljuhtidegi sümmeetriline voltampersõltuvus. Dielektrikud liigitatakse:

• füüsikalise oleku järgi – gaasilisteks, vedelateks ja tahketeks;
• siseehituse – struktuuri järgi – kristallilisteks ja amorfseteks.
• keemilise koostise järgi – orgaanilisteks ja anorgaanilisteks aineteks.

Igas neis toimuvad erinevad füüsikalised protsessid erinevate vooluliikide ja voolupingete toimel. Kõigis dielektrikutes tekib vahelduvpinge vooluahelas elektrienergiakadu, mis muundub soojuseks. Kõrgete pingete pikaajalisel mõjul võib dielektriku materjal laguneda tekib elektriline läbilöök. Läbilöögikohal omandab materjal suure elektrijuhtivuse – tekib lühis ja seade muutub kasutamiskõlbmatuks.