Электрический ток может протекать в пяти различных средах
реклама
Выполнила: Шарапова Н, 9 кл. Руководитель: Гончарова М. Н. МБОУ СОШ с. Казинка Электрический ток может протекать в пяти различных средах: • • • • • Металлах Вакууме Полупроводниках Жидкостях Газах Электрический ток в металлах • Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. • При протекании тока по металлическому проводнику не происходит переноса вещества, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда. Строение металла Положительный ион электрон Опыты Толмена и Стюарта являются доказательством того, что металлы обладают электронной проводимостью. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру Г. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией электронов. ρ ρ0 0 t, °C Удельное сопротивление металлов при нагревании увеличивается приближенно по линейному закону: ρ = ρ0 (1 + αt). Где ρ0 – удельное сопротивление металла при 0°C; α – температурный коэффициент сопротивления – табличная величина. Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры используют в различных измерительных и автоматических устройствах. Наиболее важным из них является термометр сопротивления. Основной частью термометра сопротивления служит платиновая проволока, намотанная на керамический каркас. Преимущества термометров сопротивления: ими можно пользоваться как при очень высоких, так и при очень низких температурах; точность измерения – до тысячных долей градуса. Электрический ток в полупроводниках • К полупроводникам относятся вещества, составляющие 4/5 объема земной коры. • Полупроводники – вещества, электропроводность которых занимает промежуточное положение между проводимостью металлов и диэлектриков. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры. Одним из первых начал систематические исследования физических свойств полупроводников А. Ф. Иоффе. • • • Полупроводники - твердые вещества, проводимость которых зависит от внешних условий (в основном от нагревания и от освещения). • При нагревании или освещении некоторые электроны приобретают возможность свободно перемещаться внутри кристалла, так что при приложении электрического поля возникает направленное перемещение электронов. Зависимость удельного сопротивления чистого полупроводника от абсолютной температуры У полупроводников с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами. Удельное сопротивление полупроводников при комнатной температуре находится в интервале от 10 (-3) до 10(7) Ом*м. Из полупроводниковых материалов, удельное сопротивление которых особенно резко изменяется с изменением температуры, изготавливают терморезисторы. Ими пользуются для измерения температуры, а также как чувствительными элементами (датчиками), реагирующими на изменения температуры в автоматических устройствах. Для изготовления терморезисторов применяют полупроводниковые материалы, являющиеся смесью оксидов металлов – титана, магния, никеля, лития, марганца, кобальта. Приборы, в которых используется свойство полупроводниковых кристаллов изменять свое электрическое сопротивление при освещении светом, называются фоторезисторами. Фоторезисторы изготавливают в виде тонких слоев полупроводникового вещества, нанесенных на подложку изолятора. Материалами для изготовления фоторезисторов служат соединения типа CdS, CdSe, PdS и ряд других. Условное обозначение на схеме Строение полупроводников Атомы германия имеют четыре слабо связанных электрона на внешней оболочке. Их называют валентными электронами. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной, т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Валентные электроны в кристалле германия гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит. Собственная проводимость полупроводников При повышении температуры или увеличении освещенности некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырок». Проводимость, обусловленная движением свободных электронов и «дырок» в чистом полупроводнике(без примесей), называется собственной проводимостью. • Реальными частицами являются лишь электроны. • Электронная проводимость обусловлена движением свободных электронов. • Дырочная проводимость вызвана движением связанных электронов, которые переходят от одного атома к другому, поочередно замещая друг друга, что эквивалентно движению «дырок» в противоположном направлении. • «Дырке» условно приписывается положительный заряд. «Дырка» ведет себя как положительно заряженная частица. • Электрон может занять вакантное место, тогда «дырка» образуется в соседнем атоме. Поэтому «дырка» блуждает по кристаллу. • В чистых полупроводниках концентрация свободных электронов и «дырок» одинаковы. Примесная проводимость полупроводников Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную проводимости. Если примесь имеет валентность большую, чем чистый полупроводник, то появляются свободные электроны. Проводимость - электронная, примесь донорная, полупроводник - n – типа. Если примесь имеет валентность меньшую, чем чистый полупроводник, то появляются разрывы связей - дырки. Проводимость – дырочная, примесь – акцепторная, полупроводник - p – типа. Полупроводник п-типа Полупроводник р-типа Донорные примеси Примеси, легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными (отдающими) примесями. Например, к кремнию или германию (они 4-х валентные) добавим примесь в виде мышьяка (он 5-ти валентный). Атомы мышьяка имеют 5 валентных электронов. Четыре из них участвуют в создании ковалентной связи данного атома с окружающими атомами кремния. Пятый валентный электрон оказывается слабо связан с атомом. Он легко покидает атом мышьяка и становится свободным. При добавлении 1/ 10000000 доли атомов мышьяка концентрация свободных электронов увеличивается в тысячу раз. Основные носители заряда – электроны, неосновные – «дырки». Проводимость электронная. Такие полупроводники называются полупроводниками п-типа. Акцепторные примеси Примеси, захватывающие электроны и, создающие тем самым подвижные «дырки», не увеличивая при этом число электронов, называют акцепторными (принимающими) примесями. Например, к кремнию или германию (они 4-х валентные) добавим примесь в виде индия (он 3-х валентный). Если в качестве примеси использовать индий, атомы которого трехвалентны, то для образования парноэлектронных связей с соседями атому индия недостает электрона. В результате образуется «дырка». Число «дырок» в кристалле равно числу атомов примеси. При наличии электрического поля «дырки» перемещаются по полю и возникает дырочная проводимость. Основными носителями заряда являются «дырки», а неосновными – электроны. Такие полупроводники называются полупроводниками р-типа. Р - П-переход Контакт двух полупроводников называют р – п-переходом. Обе области полупроводника, изображенные на рисунке, электрически нейтральны, поскольку как сам материал полупроводника, так и примеси электрически нейтральны. Отличия этих областей - в том, что левая из них содержит свободно перемещающиеся дырки, а правая свободно перемещающиеся электроны. Если включить р – п-переход в электрическую цепь так, чтобы потенциал полупроводника р-типа был положительным, а п-типа – отрицательным, то из п области в область р ток осуществляется электронами, а из области р в область п – дырками. Проводимость всего образца велика, а сопротивление мало. Такой переход называется прямым. При включении перехода в обратном направлении и дырки в левой области будут двигаться от границы раздела, и электроны из правой области также будут двигаться от границы раздела. На границе раздела областей в итоге не останется основных носителей тока. Ток на этой границе будет обеспечивается очень малым числом неосновных носителей, образовавшихся вблизи тонкого перехода. Проводимость перехода будет малой, а сопротивление большим. Образуется запирающий слой. Этот переход называют обратным. Диодом называют полупроводниковый прибор с одним n-pпереходом и двумя внешними выводами. По назначению диоды делят на выпрямительные, высокочастотные, импульсные, стабилитроны и т.д. Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты в постоянный ток. Дио́д (от др.-греч. δις— два и -од из слова электрод) — двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом. Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода — контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом. Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена. Применение диодов Диодные детекторы Диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной модуляции из амплитудно-модулированного радиосигнала или других модулированных сигналов. Диодные детекторы применяются в радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках, телевизорах и т.п. Диодные выпрямители Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодная защита Диоды применяются также для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п. Стабилизаторы напряжения Явление пробоя р – п-перехода используют для стабилизации напряжения. Достоинства полупроводниковых диодов: • Малые размеры и масса. • Длительный срок службы. • Высокая механическая прочность. • Высокий КПД. Недостаток: •Зависимость от температуры. Не могут работать при – 70°C из-за возрастания сопротивления. При высоких температурах (более 80° С) возрастает собственная проводимость и ухудшаются рабочие параметры. Транзистор – полупроводниковый триод с двумя р – п- переходами и тремя выводами для включения в электрическую цепь: р-п-р-типа и п-р-п-типа, среднюю часть называют базой, две другие – эмиттером и коллектором. На эммитерный р -п переход подается небольшое прямое напряжение, а на коллекторный – обратное, в 10 - 20 раз большее. Применяют для получения и преобразования электрических колебаний. В усилителях, радиопередающих устройствах, ЭВМ. Транзи́стор (англ. transistor) — электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.). В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ). Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми. Вся современная цифровая техника построена, в основном, на полевых МОП (металл-оксид-полупроводник)транзисторах (МОПТ), как более экономичных, по сравнению с БТ, элементах. Иногда их называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)- транзисторы. Размеры современных МОПТ составляют от 90 до 25 нм. В настоящее время на одном современном кристалле площадью 1—2 см² могут разместиться несколько миллиардов МОПТ. На протяжении 60 лет происходит уменьшение размеров (миниатюризация) МОПТ и увеличение их количества на одном чипе (степень интеграции), в ближайшие годы ожидается дальнейшее увеличение степени интеграции транзисторов на чипе. Уменьшение размеров МОПТ приводит также к повышению быстродействия процессоров, снижению энергопотребления и тепловыделения. Электрический ток в вакууме Вакуум - сильно разреженный газ, в котором средняя длина свободного пробега частицы больше размера сосуда, то есть молекула пролетает от одной стенки сосуда до другой без соударения с другими молекулами. В результате в вакууме нет свободных носителей заряда, и электрический ток не возникает. Американский ученый Т. Эдисон обнаружил в 1869 г. что в вакуумной стеклянной колбе возникает электрический ток, если один из электродов нагреть до высокой температуры. Для создания носителей заряда в вакууме используют явление термоэлектронной эмиссии - это явление «испарения» электронов с поверхности нагретого металла. Двухэлектродная лампа На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа различных электронных ламп. Простейшей электронной лампой является вакуумный диод. Он представляет собой стеклянный вакуумный баллон, в котором находятся два электрода - анод и катод. Свойство односторонней проводимости диода используется в радиоэлектронных приборах для преобразования переменного тока в постоянный. Вакуумный триод Простейшим электровакуумный прибором, в котором осуществляется управление потоком электронов с помощью электрического поля, является триод. У триода, в отличии от диода, имеется третий электрод – сетка. Обычно – это спираль из нескольких витков тонкой проволоки вокруг катода. Электронно-лучевая трубка Электронно-лучевая трубка, устаревшее название ряда электроннолучевых приборов для преобразования электрических сигналов, например, в видимые изображения (осциллографические, индикаторные электронно-лучевые трубки, кинескопы и др.), оптических изображений в электрические сигналы (телевизионные передающие трубки). Электрический ток в жидкостях Жидкости, как и твердые тела могут быть: • проводниками (растворы и расплавы электролитов) • полупроводниками (расплавленный селен, расплавы сульфидов) • диэлектриками (дистиллированная вода) Жидкости обладают: • ионной проводимостью (обычные жидкости) • электронной проводимостью (жидкие металлы) Носители свободных зарядов: • У обычных жидкостей – положительные и отрицательные ионы • У жидких металлов - электроны Электрический ток в жидкостях Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. Электролитами являются водные растворы неорганических кислот, солей и щелочей. График зависимости сопротивления электролита от температуры Сопротивление электролитов падает с ростом температуры, так как с ростом температуры растёт количество ионов. Явление электролиза Электролиз -это выделение на электродах веществ, входящих в электролиты. Положительно заряженные ионы (анионы) под действием электрического поля стремятся к отрицательному катоду, а отрицательно заряженные ионы (катионы) - к положительному аноду. На аноде отрицательные ионы отдают лишние электроны (окислительная реакция). На катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция). Законы электролиза Законы электролиза позволяют определить массу вещества, выделяемого на катоде или аноде за всё время прохождения электрического тока через электролит: Масса вещества, выделившегося на электроде за время t при прохождении тока, пропорциональна силе тока и времени: m = kIt. k - электрохимический эквивалент вещества, численно равный массе вещества, выделившегося на электроде при прохождении через электролит заряда в 1 Кл: k = М/е NА n, k = кг/Кл, k зависит от природы вещества. Применение электролиза Явление электролиза широко применяется в современном промышленном производстве. На нем основана электрометаллургия – получение щелочных и щелочноземельных металлов (алюминия, магния, бериллия и др.) путем электролиза расплавленных руд. Электролитическим путем покрывают поверхность одного металла тонким слоем другого (никелирование, хромирование и т.п.). Это называется гальваностегией. Такое прочное покрытие защищает поверхность от коррозии. При помощи электролиза осуществляют очистку металлов от примесей. Электролитическое получение точных копий различных изделий называется гальванопластикой. С ее помощью получают копии изделий сложной формы, копии скульптур, других произведений искусства. Этот процесс изобрел Б. С. Якоби в 40-х годах 19 века. Электрический ток в газах Зарядим конденсатор и подключим его обкладки к электрометру. Заряд на пластинах конденсатора держится сколь угодно долго, не наблюдается перехода заряда с одной пластины конденсатора на другую. Следовательно воздух между пластинами конденсатора не проводит ток. В обычных условиях отсутствует проводимость электрического тока любыми газами. Нагреем теперь воздух в промежутке между пластинами конденсатора, внеся в него зажженную горелку. Электрометр укажет появление тока, следовательно при высокой температуре часть нейтральных молекул газа распадается на положительные и отрицательные ионы. Такое явление называется ионизацией газа. Явление прохождения тока через газ, наблюдаемое только при условии какого-либо внешнего воздействия, называется несамостоятельным электрическим разрядом. Явление прохождения через газ тока, не зависящего от действия внешних ионизаторов, называется самостоятельным электрическим разрядом. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ГАЗАХ (газовый разряд) Особенность газов состоит в том, что электрический разряд в газах сам создает в них носители заряда — свободные электроны и ионы и обусловливает их концентрацию и распределение в объеме газа. В зависимости от давления, рода газа, процессов на электродах, плотности разрядного тока и других факторов возникают различные типы разрядов: тихий, тлеющий, дуговой, искровой, коронный, кистевой. По способу подведения энергии различают: разряд на постоянном токе, переменном токе низкой частоты, высокочастотный разряд и импульсный разряд. Искровой разряд Если источник тока не способен поддерживать самостоятельный электрический разряд в течение длительного времени, то происходящий самостоятельный разряд называется искровым разрядом. Искровой разряд прекращается через короткий промежуток времени после начала разряда в результате значительного уменьшения напряжения. Примеры искрового разряда – искры, возникающие при расчесывании волос, разделение листов бумаги, разряде конденсатора. С помощью искрового разряда ведется обработка деталей из самых твердых материалов, зажигание рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания. МОЛНИЯ, гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, сопровождающийся обычно яркой вспышкой света и громом. Чаще всего наблюдаются линейные молнии — разряды между грозовыми облаками (внутриоблачные) или между облаками и земной поверхностью (наземные). Сила тока в молнии достигает 500000 А, а разность потенциалов между облаком и Землей – 1 млрд. Вольт. Уже в середине 18-го века высказывалось предположение, что грозовые облака несут в себе большие электрические заряды и что молния есть гигантская искра, ничем, кроме размеров, не отличающаяся от искры между шарами электрической машины. На это указывал, например, Михаил Васильевич Ломоносов (17111765), наряду с другими научными вопросами занимавшийся атмосферным электричеством. Тлеющий разряд Светло-голубой; интенсивное ультрафиолетовое излучение В сочетании с люминофорами используется для получения света разных цветов. Широко используется во ртутных газоразрядных лампах Пары натрия Ярко жёлтый Широко используется в натриевых газоразрядных лампах. Ксенон Сероватый или синевато-серый тусклый белый, в разрядах высокого напряжения в высоких пиковых потоках, очень яркий синевато-зелёный. Используется во фотовспышке, лампах подсветки индикаторов, ксеноновых дуговых лампах, а также художниками для специального освещения. Пары ртути При низких давлениях (десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба) в трубке наблюдается тлеющий разряд. Для возбуждения тлеющего разряда достаточно напряжения между электродами в несколько сотен (а иногда и меньше) вольт. При тлеющем разряде почти вся трубка, за исключением небольшого участка возле катода, заполнена однородным свечением, называемым положительным столбом. Тлеющий разряд применяется как источник света в люминесцентных лампах и плазменных экранах, в трубках для реклам, газовых лазерах. Газовый разряд в некоторых газах вызывают излучение видимого света, спектр которого зависит от использованного газа. Электрическая дуга (дуговой разряд) В 1802 году русский физик В.В. Петров (1761-1834) установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли в соприкосновение, слегка их раздвинуть, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскалятся добела, испуская ослепительный свет. Длительный самостоятельный электрический разряд в газах, поддерживающийся за счет термоэлектронной эмиссии с катода, называется дуговым разрядом. Высокая температура плазмы дугового разряда позволяет применять его для резки и сварки металлических конструкций, для плавки металлов. Дуговой разряд – мощный источник света, его используют в прожекторах, проекционных аппаратах и киноаппаратах. КОРОННЫЙ РАЗРЯД При атмосферном давлении вблизи заостренных участков проводника, несущего большой электрический заряд, наблюдается газовый разряд, светящаяся область которого напоминает корону. Этот разряд, называемый коронным, вызывается высокой (около 3* 10*6 В/м) напряженностью электрического поля вблизи заряженного острия. По мере удаления от поверхности проводника напряженность убывает, поэтому ионизация и свечение газа наблюдаются в ограниченной области пространства. Коронный разряд может образовываться между проводниками высоковольтных линий электропередач, что приводит к значительным потерям энергии. Перед грозой или во время ее нередко на остриях высоко поднятых предметов вспыхивают похожие на кисточки конусы света. С давних пор это свечение называли огнями святого Эльма. Часто свидетелями этого явления являются альпинисты. Коронный разряд используется для очистки газов от пыли и других загрязнений, для диагностики состояния конструкций. Огни святого Э́льма — разряд в форме светящихся пучков или кисточек (или коронный разряд), возникающий на острых концах высоких предметов (башни, мачты, одиноко стоящие деревья, острые вершины скал и т. п.) при большой напряжённости электрического поля в атмосфере. Они образуются в моменты, когда напряженность электрического поля в атмосфере у острия достигает величины порядка 500 В/м и выше, что чаще всего бывает во время грозы или при её приближении, и зимой во время метелей. По физической природе представляют собой особую форму коронного разряда. Название явление получило от имени святого Эльма(Эразма) — покровителя моряков в католической религии. Морякам их появление сулило надежду на успех, а во время опасности — и на спасение. Может возникать на обшивке самолёта, попавшего в облако вулканического пепла. В настоящее время разработаны методы, позволяющие получать подобный разряд искусственным путем. Плазма 1. Плазма – четвертое состояние вещества. 2. В состоянии плазмы находится 99% вещества Вселенной. 3. Из плазмы состоят: Солнце, звезды, межзвездная среда. 4. Верхний слой нашей атмосферы – ионосфера – является плазмой. 5. Радиационные пояса Земли (протонный и нейтронный) состоят из плазмы. 6. Плазма – это частично или полностью ионизированный газ. 7. Плазма в целом является электрически нейтральной. 8. Образование плазмы может быть вызвано: нагреванием, излучением, бомбардировкой заряженными частицами. Свойства плазмы 1. Из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. 2. Между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, медленно убывающие с расстоянием. 3. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. 4. В плазме легко возникают различные колебания и волны. 5. Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. 6. При высокой температуре полностью ионизированная плазма по проводимости приближается к сверхпроводникам.
