Электрический ток в различных средах - основные понятия, формулы и определения с примерами

Содержание:

Электрический ток в различных средах:

При изучении электрических явлений необходимо знать, возможно ли существование электрического тока в рассматриваемом веществе, поскольку все вещества делят на группы по их электрическим свойствам: проводники, полупроводники, диэлектрики. Чем эти группы веществ отличаются друг от друга? Как они проводят электрический ток?

Проводниками электрического тока могут быть вещества и в твёрдом, и в жидком, и в газообразном состояниях. Изучая данную тему, мы ответим на следующие вопросы: какие частицы являются носителями электрического заряда в данной среде? Как зависит сила тока от напряжения? Как зависит электрическая проводимость среды от температуры, излучения и других воздействий? Каково техническое применение электрического тока в различных средах?

Электрический ток в металлах

Сверхпроводимость:

Типичными представителями класса проводников являются металлы. В металлических проводниках носители электрического заряда — свободные электроны. Под действием внешнего электрического поля свободные электроны упорядоченно движутся, создавая электрический ток (рис. 127).

Природа электрического тока в металлах. Электронная проводимость металлов была впервые экспериментально подтверждена немецким физиком

К.Рикке в 1901 г. Суть опыта заключалась в следующем: через проводник, состоявший из трёх отполированных и плотно прижатых друг к другу цилиндров — двух медных и одного алюминиевого (рис. 128), в течение года проходил ток одного и того же направления. За это время через проводник прошёл заряд более 3,5 МКл. После завершения опыта взвешивание показало, что массы цилиндров остались неизменными. Это явилось экспериментальным доказательством того, что перенос заряда при прохождении тока в металлах не сопровождается химическими процессами и переносом вещества, а осуществляется частицами, которые являются общими для всех металлов, т. е. электронами.

Убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с проявлением инерции электронов. Идея таких опытов и первые результаты (1913 г.) принадлежат русским физикам Л. И. Мандельштаму и Н. Д. Папалекси.

В 1916 г. американский физик Р. Толмен и шотландский физик Т. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением свободных электронов.

В этих опытах катушку с большим числом витков тонкой проволоки подключали к гальванометру и приводили в быстрое вращение вокруг своей оси (рис. 129). При резком торможении катушки в цепи возникал кратковременный ток, обусловленный инерцией носителей заряда. По направлению отклонения стрелки гальванометра было установлено, что электрический ток создают отрицательно заряженные частицы. При этом экспериментально полученное отношение заряда каждой из этих частиц к её массе(удельный заряд) близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было экспериментально доказано, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.

Вещества, обладающие электронной проводимостью, называют проводниками первого рода.

В соответствии с классической электронной теорией проводимости металлов, созданной немецким физиком П.Друде и голландским физиком Г. Лоренцем в 1900— 1904 гг., металлический проводник можно рассматривать как физическую систему, состоящую из свободных электронов и положительно заряженных ионов, колеблющихся около положений равновесия (рис. 130).

Появление свободных электронов при образовании металлического кристалла из нейтральных атомов можно упрощённо объяснить следующим образом. Электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов, слабо связаны со своими ядрами. При образовании кристалла атомы сближаются на расстояние r ~ 0,1 нм и электроны начинают взаимодействовать не только со своими ядрами, но и с ядрами соседних атомов. В результате этого их взаимодействие с собственными ядрами значительно ослабевает, вследствие чего они теряют с ними связь и могут двигаться по всему кристаллу в любом направлении как свободные частицы. Атомы превращаются при этом в положительно заряженные ионы. В пространстве между ионами хаотично движутся, подобно частицам идеального газа, свободные электроны. Поэтому для описания движения электронов используют модель «электронный газ» — совокупность свободных электронов в кристаллической решётке металла. На рисунке 131 пунктирной линией показана траектория движения одного из электронов.

В этой модели электроны, упорядоченное движение которых является током проводимости, рассматривают как материальные точки, модуль потенциальной энергии взаимодействия которых пренебрежимо мал по сравнению с их кинетической энергией. Считают, что движение электронов под действием электрического поля подчиняется законам классической механики, а их столкновения с ионами кристаллической решётки металла являются неупругими, т. е. при столкновениях электроны полностью передают ионам кинетическую энергию своего упорядоченного движения. В промежутках между столкновениями свободные электроны совершают хаотическое тепловое движетение и в то же время движутся упорядоченно и равноускоренно под воздействием электрического поля.

Модель электронного газа даёт возможность теоретически объяснить природу сопротивления и вывести закон Ома для участка цепи, не содержащего источника тока, на основе классической электронной теории проводимости металлов. Проанализируем упорядоченное движение электронов проводимости.

Пусть электрон движется с ускорением в направлении, противоположном направлению напряжённости электрического поля

(рис. 132): где - масса электрона, е — элементарный электрический заряд (модуль заряда электрона). Тогда модуль средней скорости его направленного движения где - усредненный промежуток времени между двумя последовательными столкновениями электрона с ионами кристаллической решётки.

Поскольку электрическое поле внутри однородного прямолинейного проводника с током однородное, то модуль напряженности этого поля где l — длина проводника, U — напряжение между его концами. Тогда модуль средней скорости направленного движения электронов пропорционален напряжению между концами проводника:

Сила тока в проводнике пропорциональна модулю средней скорости направленного движения электронов:

где q — модуль заряда электронов проводимости, время их прохождения по проводнику, N — количество электронов проводимости в проводнике, n — концентрация этих электронов, V=Sl — объём проводника.

Следовательно, сила тока пропорциональна напряжению между концами проводника:I~ U.
 

Зависимость сопротивления металлов от температуры

При изучении физики в 8 классе вы узнали, что сопротивление металлических проводников зависит от рода вещества (удельного сопротивления р) и его геометрических размеров (длины l и площади поперечного сечения S):

А зависит ли сопротивление от температуры проводника?

Проведём опыт. Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, проволочной спирали и гальванометра (рис. 133). Опыт показывает, что при нагревании спирали показания гальванометра уменьшаются. Вывод очевиден: при увеличении температуры сопротивление металлов увеличивается.

Удельное сопротивление вещества металлического проводника зависит от концентрации свободных носителей заряда и числа их столкновений с ионами кристаллической решётки, совершающими колебательные движения около положений устойчивого равновесия.

В металлических проводниках концентрация свободных электронов практически постоянна для данного проводника и не зависит от температуры. Однако число столкновений свободных электронов с ионами кристаллической решётки с ростом температуры возрастает. Это приводит к возрастанию удельного сопротивления металлического проводника при повышении температуры.

При описании температурной зависимости удельного сопротивления проводника вводят температурный коэффициент сопротивления а, численно равный относительному приращению удельного сопротивления вещества проводника при приращении его температуры на 1 К:
(24.1)
где и р — удельные сопротивления вещества проводника соответственно при температуре =273 К (О °С) и данной температуре Т.

Из формулы (24.1) следует, что

где — приращение абсолютной температуры проводника, которое совпадает с приращением температуры по шкале Цельсия Таким образом, удельное сопротивление вещества металлического проводника возрастает с увеличением температуры.

График этой зависимости представлен на рисунке 134.

Поскольку сопротивление проводника то, не учитывая незначительную температурную зависимость отношения можно записать:

где и R — сопротивления проводника соответственно при температуре =273 К (О °С) и данной температуре Т(t).

Для металлических проводников эти формулы применимы при температурах Т > 140 К. У всех металлов при повышении температуры их сопротивление возрастает, т. е. температурный коэффициент сопротивления а — величина положительная. Для большинства металлов (но не сплавов) при температурах от 0 для 100 °С среднее значение температурного коэффициента сопротивления

Зависимость сопротивления металлов от температуры используют в специальных приборах—термометрах сопротивления (рис. 135).

Широкое распространение получили термометры сопротивления из чистых металлов, особенно платины и меди, которые конструктивно представляют собой металлическую проволоку, намотанную на жёсткий каркас (из кварца, фарфора, слюды), заключённый в защитную оболочку (из металла, кварца, фарфора, стекла) (рис. 136). Платиновые термометры сопротивления применяют для измерения температуры в пределах от —263 до 1064 °С, медные — от —50 до 180 °С.

Если при изготовлении электроизмерительных приборов требуются проводники, сопротивление которых должно как можно меньше зависеть от температуры окружающей среды, то используют специальные сплавы — константен и манганин. Температурный коэффициент сопротивления у константана в 820 раз, а у манганина в 510 раз меньше, чем у серебра.

Сверхпроводимость:

При очень низких температурах сопротивление некоторых металлических проводников резко (скачком) уменьшается до нуля. Впервые это обнаружил в 1911 г. голландский физик Г. Камерлинг-Оннес (1853—1926). Он экспериментально установил, что при температуре 4,12К (по современным измерениям 4,15 К) электрическое сопротивление ртути исчезает. Позже многочисленными опытами было установлено, что это явление характерно для многих проводников. Температуру, при которой электрическое сопротивление проводника обращается в нуль, называют критической температурой (). Состояние проводника при этом называют сверхпроводимостью, а сам проводник — сверхпроводником. Каждый сверхпроводящий металл характеризуется своей критической температурой. Явление сверхпроводимости свойственно не только некоторым металлам, но и сплавам, полупроводникам и полимерам.

Зависимость сопротивления R сверхпроводника от абсолютной температуры Т при низких температурах представлена на рисунке 137, график b для металла, не являющегося сверхпроводником, — на рисунке 137, график а.

Если в сверхпроводнике создать электрический ток, то он будет существовать в нём неограниченно долго. При этом для поддержания тока нет необходимости в источнике тока. Это указывает на перспективу использования явления сверхпроводимости при передаче электрической энергии.

Сверхпроводящие соединения нашли применение в качестве материала обмоток электромагнитов для создания сильных магнитных полей в установках управляемого термоядерного синтеза, а также в мощных электрических двигателях и генераторах. Разрабатывают проекты сверхпроводящих электронно-вычислительных машин. Уже созданы компактные интегральные схемы на сверхпроводниках, обладающие рядом преимуществ по сравнению с имеющимися аналогами. Возможности применения явления сверхпроводимости увеличатся, если будут найдены материалы, обладающие этим свойством при не очень низких температурах.

1. Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.
2. Металлический проводник можно рассматривать как физическую систему, состоящую из свободных электронов и положительно заряженных ионов.
3. Температурный коэффициент сопротивления численно равен относительному приращению удельного сопротивления проводника при приращении его температуры на 1 К: 
4. Сопротивление металлического проводника возрастает с увеличением температуры: 
5. Состояние, при котором электрическое сопротивление проводника обращается в нуль, называют сверхпроводимостью, а сам проводник — сверхпроводником.

Пример №1

Определите сопротивление алюминиевого проводника при температуре =90 °С, если при температуре = 20 °С его сопротивление = 4,0 Ом. Температурный коэффициент сопротивления алюминия а = 4,2
Дано:    
= 90    °с
= 20 ‘    с
= 4,0    Ом
а = 4,2
- ?  

Решение. Согласно формуле (24.2) сопротивления проводника при температурах соответственно

Решая систему уравнений, получим
Поскольку , где = 0,0 °С, то = 90 К, = 20 К.

 
Ответ: = 5,1 Ом.

Электрический ток в электролитах

Законы электролиза Фарадея:

При изучении предыдущего параграфа вы узнали, что в металлах перенос заряда не сопровождается переносом вещества, а носителями свободных зарядов являются электроны. Но существует класс проводников, прохождение электрического тока в которых всегда сопровождается химическими изменениями и переносом вещества. Такими проводниками являются растворы многих солей, кислот и щелочей, а также расплавы солей и оксидов металлов.

Природа электрического тока в электролитах

Вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток, называют электролитами.

Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, лампы накаливания и ванны с дистиллированной водой, в которой находятся два угольных электрода (рис. 138). При замыкании цепи лампа светиться не будет, следовательно, дистиллированная вода не проводит электрический ток. Повторим опыт, добавив в дистиллированную воду сахар. Лампа не светится и в этом случае. Раствор сахара в воде также не является проводником. А теперь добавим в дистиллированную воду небольшое количество соли, например, хлорида меди(II) . В цепи проходит электрический ток, о чём наглядно свидетельствует свечение лампы. Следовательно, раствор соли в воде является проводником электрического тока, т. е. при растворении хлорида меди(II) в дистиллированной воде появились свободные носители электрического заряда.

Изучая химию, вы узнали, что при растворении солей, кислот и щелочей в воде происходит электролитическая диссоциация, т. е. распад молекул электролита на ионы.

В проведённом опыте хлорид меди(II) в водном растворе диссоциирует на положительно заряженные ионы меди и отрицательно заряженные ионы хлора

Ионы в растворе при отсутствии электрического поля движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля на хаотическое движение частиц накладывается направленное движение положительно и отрицательно заряженных ионов (рис. 139). При этом положительно заряженные ионы движутся к электроду, подключённому к отрицательному полюсу источника тока (катоду), отрицательно заряженные ионы — к электроду, подключённому к положительному полюсу источника тока (аноду). На аноде будет происходить процесс окисления ионов до атомов хлора:

Нейтральные атомы хлора образуют молекулы хлора, который выделяется на аноде:

На катоде будет происходить процесс восстановления ионов до нейтральных атомов и осаждение металлической меди:

Таким образом, свободными носителями электрического заряда в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы, образующиеся в результате электролитической диссоциации, а проводимость электролитов в отличие от проводимости металлов является ионной. Электролиты относят к проводникам второго рода.

Сопротивление электролитов

Для изучения сопротивления электролитов соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, электролитической ванны и амперметра (рис. 140).

Поддерживая постоянное напряжение между электродами, приблизим их друг к другу. Амперметр покажет увеличение силы тока в цепи. Таким образом, при уменьшении расстояния между электродами сопротивление электролита уменьшается.

Поместим один из электродов в электролит так, чтобы часть его выступала над поверхностью раствора. Показание амперметра уменьшится. Отсюда следует, что при уменьшении площади перекрытия электродов в электролите его сопротивление увеличивается.

Нагреем электролит на электрической плитке. Амперметр покажет увеличение силы тока в цепи. Следовательно, при увеличении температуры сопротивление электролита уменьшается.

Будем увеличивать напряжение между электродами в 2, 3, ..., n раз. Показания амперметра увеличиваются, причём сила тока в электролите изменяется прямо пропорционально напряжению, т. е. для электролитов выполня-
ется закон Ома
Следует отметить, что при прохождении электрического тока через электролит проявляется тепловое действие тока, т. е. выполняется закон Джоуля —Ленца

Законы электролиза Фарадея

При изучении химии вы узнали, что процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями, протекающими при прохождении электрического тока через растворы (расплавы) электролитов, называют электролизом.

Первый закон электролиза был экспериментально установлен Фарадеем в 1833 г.

Масса т вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит:
(25.1)

В формуле (25.1) коэффициент пропорциональности k называют электрохимическим эквивалентом данного вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося на одном из электродов при прохождении через электролит единичного электрического заряда. В СИ электрохимический эквивалент измеряют в килограммах на кулон Значения электрохимических эквивалентов некоторых веществ приведены в таблице 2.
 

Таблица 2 — Электрохимический эквивалент вещества

Поскольку q =It, где I—сила тока, t — промежуток времени прохождения тока через электролит, то

Массу вещества, выделившегося на электроде при прохождении через электролит электрического заряда q, можно определить, зная массу одного иона и число N осевших на этом электроде ионов:

где М — молярная масса вещества, — постоянная Авогадро.

Тогда число ионов
С другой стороны, число ионов, нейтрализовавшихся на электроде:

где — заряд одного иона. Так как заряд иона кратен элементарному заряду е, то = en, где n — валентность иона.
Значит, и
(25.2)
Сравнивая формулы (25.2) и (25.1), получим

(25.3)
Так как и е — универсальные постоянные, то физическую величину
в честь М. Фарадея назвали постоянной Фарадея.

Таким образом, формулу (25.3) для определения электрохимического эквивалента вещества можно записать в виде

Отношение называют химическим эквивалентом вещества. Тогда

Фарадеем был сформулирован закон, называемый вторым законом электролиза, который устанавливает связь между электрохимическим и химическим эквивалентами вещества: электрохимические эквиваленты веществ пропорциональны их химическим эквивалентам:

Так както первый закон электролиза можно записать:
(25.4)

Выражение (25.4) называют объединённым законом Фарадея для электролиза. Согласно этому закону масса вещества, выделившегося на каждом из электродов, пропорциональна молярной массе ионов этого вещества, силе тока и времени его прохождения через электролит и обратно пропорциональна валентности ионов вещества.

Используя закон электролиза, можно определить значение заряда электрона в школьной лаборатории. Допустим, через электролит в течение промежутка времени t проходил электрический ток силой I (можно измерить амперметром). При этом на электроде выделилось вещество массой m (можно измерить, взвесив электрод до и после прохождения тока через электролит). Тогда модуль заряда электрона определяют по формуле

 

Техническое применение электролиза

Электролиз нашёл различные применения в промышленности. Рассмотрим некоторые из них.

1.    Нанесение защитных и декоративных покрытий на металлические изделия (гальваностегия).

Для предохранения металлов от окисления, а также для придания изделиям прочности и улучшения внешнего вида их покрывают тонким слоем благородных металлов (золотом, серебром) или мало окисляющимися металлами (хромом, никелем). Предмет, подлежащий гальваническому покрытию, например ложку (рис. 141), погружают в качестве катода в электролитическую ванну. Электролитом является раствор соли металла, которым осуществляется покрытие. Анодом служит пластина из того же металла. Пропуская через электролитическую ванну в течение определённого промежутка времени электрический ток, ложку покрывают слоем металла нужной толщины. Для наиболее равномерного покрытия ложки её нужно поместить между двумя или более анодными пластинами.

После покрытия ложку вынимают из ванны, сушат и полируют.

2.    Производство металлических копий с рельефных моделей (гальванопластика).

Для получения копий предметов (монет, медалей, барельефов и т. п.) делают слепки из какого-нибудь пластичного материала (например, воска). Для придания слепку электропроводности его покрывают графитовой пылью, погружают в ванну в качестве катода и получают на нём слой металла нужной толщины (рис. 142). Затем путём нагревания удаляют воск.

Процесс гальванопластики был разработан в 1836 г. русским академиком Б. С. Якоби (1801 — 1874).

3.    Получение металлов из расплавленных руд и их очистка, электрохимическая обработка металлов.

Процесс очистки металлов происходит в электролитической ванне. Анодом служит металл, подлежащий очистке, катодом — тонкая пластина из чистого металла, а электролитом — раствор соли данного металла. Например, пластину из неочищенной меди помещают в качестве анода в ванну с раствором медного купороса, где катодом служит лист чистой меди (рис. 143). В загрязнённых металлах могут содержаться ценные примеси. Так, в меди часто содержатся никель и серебро. При пропускании через ванну электрического тока медь с анода переходит в раствор, из раствора на катоде выделяется чистая медь, а примеси выпадают в виде осадка или переходят в раствор.    

1. Электролитами называют вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток.
2. Электрический ток в электролитах представляет собой упорядоченное движение ионов, образующихся в результате электролитической диссоциации растворённого вещества. Проводимость электролитов является ионной.
3. Процесс выделения на электроде вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями, протекающими при прохождении электрического тока через растворы (расплавы) электролитов, называют электролизом.
4. Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит: m = kq.

Пример №2

Через электролитическую ванну, содержащую раствор серной кислоты, в течение промежутка времени t= 60,0 мин проходил ток силой I=1,20 А. Выделившийся на катоде газообразный водород собран в сосуде вместимостью V=350 см3. Определите температуру водорода, если его давление р = 150 кПа.

Дано

t-?

Решение. Для нахождения температуры водорода воспользуемся уравнением Клапейрона— Менделеева

где М — молярная масса водорода (), R — универсальная газовая постоянная ()Следовательно,

Массу водорода, выделившегося на катоде, найдём, используя закон электролиза:    m=klt, где k — электрохимический эквивалент водорода

С учётом этого температуру водорода определим по формуле

Ответ: Т=281 К
 

Пример №3

Хромирование тонкой прямоугольной пластинки длиной а = 3,0 см и шириной b = 5,0 см в большой гальванической ванне осуществляется в течение промежутка времени t= 2,0 ч при силе тока I= 1,5 А. Определите толщину образовавшегося на пластинке слоя хрома. Плотность хрома

Дано:

I= 1,5 А

h — ?

Решение. Для определения массы хрома, осаждённого на двух сторонах пластинки, воспользуемся законом Фарадея где

С другой стороны, массу хрома можно выразить через плотность р и объём V: , где h — толщина образовавшегося на пластинке слоя хрома.

С учётом этого откуда толщина слоя хрома

Ответ: h = 90 мкм.

Электрический ток в газах

Самостоятельный и несамостоятельный разряды:

Газы при нормальных условиях не проводят электрический ток, т. е. являются диэлектриками. Это обусловлено тем, что газы состоят из нейтральных атомов (молекул). Однако при определённых условиях газы, в том числе и воздух, становятся проводниками. Выясним, при каких условиях это возможно.

Природа электрического тока в газах

Проведём опыт, позволяющий продемонстрировать изменение электрической проводимости газа (воздуха). Два металлических диска, заряженные разноимёнными зарядами и расположенные на некотором расстоянии друг от друга, соединим с электрометром (рис. 144). Стрелка электрометра при этом отклонится на некоторый угол. Электрометр не разряжается, значит, при небольшой разности потенциалов между дисками воздух не проводит электрический ток.

Повторим опыт, нагревая пламенем (спиртовки, свечи) воздушный промежуток между дисками. Электрометр разряжается, т. е. через воздух проходит электрический ток (рис. 145). Вывод очевиден: в воздушном промежутке между дисками появились свободные носители электрического заряда.

Если убрать пламя, то электрический ток исчезнет, т. е. воздух между дисками опять станет диэлектриком.

Объясним результаты рассмотренного опыта. Нагревание газа пламенем приводит к образованию свободных электронов и положительно заряженных ионов. Процесс, в результате которого некоторые атомы (молекулы) газа теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, называют ионизацией газа. Минимальное значение энергии, необходимой для отрыва электрона от атома (молекулы), называют энергией ионизации атома (молекулы). Наряду с ионизацией может происходить присоединение образовавшихся при отрыве электронов к нейтральным атомам (молекулам) газа. Это приводит к образованию отрицательно заряженных ионов.

Под действием электрического поля в газе возникает направленное движение положительно заряженных ионов к отрицательному электроду (катоду) и направленное движение электронов и отрицательно заряженных ионов к положительному электроду (аноду). Таким образом, носителями электрического заряда в ионизированных газах являются положительно и отрицательно заряженные ионы и свободные электроны. Следовательно, проводимость газов — ионно-электронная. Прохождение электрического тока через ионизированный газ называют газовым разрядом.

После прекращения внешнего воздействия (в данном случае, нагревания пламенем) электрический ток в газе прекращается. Это обусловлено тем, что при столкновении положительно заряженного иона с электроном они образуют нейтральный атом (молекулу) газа. Ионы разных знаков при столкновении также превращаются в нейтральные атомы (молекулы). Эти процессы называют рекомбинацией ионов. При рекомбинации освобождается энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию.

Таким образом, для того чтобы в газе появились свободные носители электрического заряда, его атомы (молекулы) необходимо ионизировать. Это можно осуществить нагреванием газа до высокой температуры, воздействием на газ ультрафиолетовым, рентгеновским, радиоактивным излучениями и др.

Внешние воздействия, в результате которых происходит ионизация, называют ионизаторами. Разряд, возникающий в результате ионизации газа под действием внешнего ионизатора, называют несамостоятельным.

Вольт-амперная характеристика газового разряда

Для изучения разряда в газе удобно использовать стеклянную трубку с двумя электродами. Рассмотрим зависимость силы тока в газе от напряжения, приложенного к электродам трубки, — вольт-амперную характеристику газового разряда (рис. 146).

В результате действия внешнего ионизатора происходит ионизация газа в пространстве между электродами. Одновременно с этим происходит и обратный процесс — превращение ионов в нейтральные атомы (молекулы). При небольшом напряжении между электродами незначительное количество образовавшихся ионов и электронов достигает электродов, создавая электрический ток. Большинство ионов рекомбинируют, не успевая достигнуть электродов. При увеличении напряжения между электродами возрастает количество заряженных частиц, достигших электродов, т. е. сила тока увеличивается. При этом сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению, т. е. выполняется закон Ома (участок графика АВ).

При дальнейшем повышении напряжения пропорциональность нарушается (участок графика ВС). Начиная с некоторого значения напряжения (точка С) все носители электрического заряда, образовавшиеся под действием ионизатора, достигают электродов, не успев рекомбинировать. При этом сила тока принимает максимальное значение и не зависит от напряжения (участок графика CD). Электрический ток, сила которого не зависит от напряжения, называют током насыщения.

При достаточно высоком напряжении свободные электроны под действием электрического поля ускоряются и приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов (молекул) газа при соударении с ними. Процесс отрыва от атома (молекулы) газа одного или нескольких электронов, вызванный столкновением с этими атомами (молекулами) свободных электронов, называют ионизацией электронным ударом. Возникшие в результате ударной ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем и вызывают ионизацию новых частиц. Такие свободные электроны являются вторичным ионизатором. Это ведёт к лавинообразному нарастанию числа вторичных свободных электронов и положительно заряженных ионов (рис. 147), а значит, и к увеличению силы разрядного тока. Однако сам разряд всё ещё остаётся несамостоятельным, так как после прекращения действия внешнего ионизатора он продолжается только до тех пор, пока отрицательно заряженные ионы и все электроны (первичные и вторичные) не достигнут анода, а положительно заряженные ионы — катода. Несамостоятельному лавинному разряду в газе соответствует участок графика DE на рисунке 146.

Однако в ряде случаев газовый разряд может существовать и после прекращения действия внешнего ионизатора. В этом случае имеющееся между электродами сильное электрическое поле является причиной сохранения газового разряда, который называют самостоятельным.

Для возникновения самостоятельного разряда недостаточно наличия одного лишь процесса ударной ионизации. Для поддержания разряда необходимо, чтобы в газе постоянно возникали носители электрического заряда без действия внешнего ионизатора. При движении положительно заряженных ионов к катоду их кинетическая энергия под действием поля увеличивается. Если энергия ионов достаточно велика, то при ударе о катод они могут выбивать с поверхности катода электроны. Этот процесс называют вторичной электронной эмиссией («эмиссия» означает «испускание»). При бомбардировке положительно заряженными ионами катода происходит его нагревание. При высокой температуре катода с его поверхности происходит испускание электронов. Такой процесс называют термоэлектронной эмиссией. В результате этих процессов в газе создаётся значительное число свободных электронов. В зависимости от давления газа, его температуры и напряжённости электрического поля вторичная электронная эмиссия и термоэлектронная эмиссия могут происходить одновременно (участок графика ЕК на рисунке 146). Таким образом, в отсутствие внешнего ионизатора самостоятельный разряд будет поддерживаться за счёт вторичной электронной эмиссии и (или) термоэлектронной эмиссии с поверхности катода.

Виды самостоятельного газового разряда и их применение

В зависимости от напряжённости электрического поля, давления газа, формы и вещества электродов различают следующие виды самостоятельного газового разряда: тлеющий, дуговой, коронный и искровой.

Тлеющий разряд характеризуется небольшой силой тока (десятки миллиампер), относительно высоким напряжением (десятки и сотни вольт), низким давлением газа (десятые доли миллиметра ртутного столба). Тлеющий разряд широко используют в различных газосветных трубках (рис. 148), применяемых для световой рекламы и декораций, лампах дневного света (рис. 149), неоновых лампах.

Дуговой разряд представляет собой столб ярко светящегося газа (рис. 150). Он характеризуется большой силой тока (десятки и сотни ампер) и сравнительно небольшим напряжением (несколько десятков вольт). Дуговой разряд является мощным источником света. Его используют в осветительных установках, для сварки и резки металлов (рис. 151), электролиза расплавов, в промышленных электропечах для плавки стали и др.

 В 1802 г. профессор физики Петербургской медико-химической академии В. В. Петров получил электрическую дугу. Он установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля, привести их в соприкосновение, а затем слегка раздвинуть на небольшое расстояние, то между концами углей образуется яркое пламя, а сами концы углей раскаляются добела, испуская ослепительный свет (электрическая дуга). Впервые электрическая дуга была применена в 1876 г. русским инженером П. Н. Яблочковым для уличного освещения.

Коронный разряд возникает вблизи заострённой части проводника при атмосферном давлении под действием сильно неоднородного электрического поля. Он сопровождается слабым свечением, напоминающим корону (рис. 152), и характерным потрескиванием.

Коронный разряд используют в электрофильтрах для очистки промышленных газов от твёрдых и жидких примесей. Однако возникновение коронного разряда вокруг высоковольтных линий электропередачи нежелательно, так как приводит к потерям электрической энергии.

Искровой разряд наблюдают при высоком напряжении (рис. 153). Он сопровождается ярким свечением газа, звуковым эффектом, который создаётся резким повышением давления. Примером искрового разряда в природе служит молния (рис. 154).

 Перед появлением молнии напряжение между облаком и поверхностью Земли достигает В. Сила тока в молнии составляет А, продолжительность разряда молнии t~ с, диаметр светящегося канала d~ 10—20 см. Извилистый вид молнии объясняется тем, что электрический разряд проходит через участки воздуха, имеющие наименьшее сопротивление. А такие участки расположены в воздухе случайным образом.

Плазма

При достаточно высоких температурах или под действием электромагнитного излучения происходит ионизация газа. Полностью или частично ионизированный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов практически совпадает, называют плазмой. Плазма — самое распространённое состояние вещества во Вселенной (рис. 155).

В зависимости от степени ионизации различают частично ионизированную и полностью ионизированную плазму. В зависимости от скорости хаотического движения заряженных частиц различают холодную (Т< К) и горячую ( Т > К) плазму. Примером холодной плазмы является плазма, образующаяся при всех видах электрического разряда в газах. Звёзды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы. Плазма заполняет космическое пространство между звёздами и галактиками. Плотность плазмы в космическом пространстве очень мала, в среднем одна частица на кубический сантиметр. В отличие от горячей плазмы звёзд температура межзвёздной плазмы является очень низкой. Верхний слой атмосферы Земли также представляет собой слабо ионизированную плазму. Причиной ионизации является ультрафиолетовое и рентгеновское излучения Солнца и других звёзд, быстрые заряженные частицы и др.

Независимо от способа получения плазма в целом является электрически нейтральной, так как содержит равное число положительных и отрицательных зарядов. Проводимость плазмы растёт с увеличением числа ионизированных атомов (молекул). Полностью ионизированная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

1. Носителями электрического заряда в ионизированных газах являются положительно и отрицательно заряженные ионы и свободные электроны.
2. Прохождение электрического тока через ионизированный газ называют газовым разрядом.
3. Разряд, возникающий в результате ионизации газа под действием внешнего ионизатора, называют несамостоятельным. Разряд, происходящий в результате ионизации газа после прекращения действия внешнего ионизатора, называют самостоятельным.
4. Ионизация электронным ударом — процесс отрыва от атома (молекулы) газа одного или нескольких электронов, вызванный столкновением с атомами (молекулами) газа электронов.
5. Плазма — полностью или частично ионизированный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов одинакова.

Электрический ток в полупроводниках. Собственная проводимость полупроводников

Полупроводники — широкий класс как неорганических, так и органических веществ в твёрдом или жидком состоянии, удельное сопротивление которых находится в пределах от Ом*м (при Т = 300 К) и существенно убывает при увеличении температуры, а также изменяется при изменении освещения и введении сравнительно небольшого количества примесей. К полупроводникам относят ряд химических элементов (бор, углерод, кремний, германий, фосфор, мышьяк, сурьму, серу, селен, теллур и др.), множество оксидов и сульфидов металлов, а также других химических соединений.

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры и освещённости

Изучить свойства полупроводников можно на опытах. Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, полупроводника и миллиамперметра (рис. 156). Опыт показывает, что при нагревании полупроводника сила тока в цепи возрастает. Возрастание силы тока обусловлено тем, что при увеличении температуры сопротивление полу-

проводника уменьшается. Причём в отличие от металлов зависимость сопротивления полупроводников от температуры является нелинейной. С понижением температуры сопротивление металлов уменьшается, а полупроводников возрастает и вблизи абсолютного нуля становится таким же большим, как у диэлектриков. График зависимости удельного сопротивления от температуры чистого (не имеющего примесей) полупроводника приведён на рисунке 157.

Проведём ещё один опыт. Изменяя освещённость поверхности полупроводника, наблюдаем изменение показаний миллиамперметра (рис. 158). Результаты наблюдений означают, что при освещении поверхности полупроводника его сопротивление уменьшается.

Таким образом, уменьшить сопротивление полупроводника можно, либо нагревая его, либо воздействуя электромагнитным излучением, например, освещая его поверхность.

Природа электрического тока в полупроводниках

Экспериментально установлено, что при прохождении электрического тока в полупроводниках, как и в металлах, никаких химических изменений не происходит, т. е. перенос заряда при прохождении тока не сопровождается переносом вещества. Это свидетельствует о том, что свободными носителями электрического заряда в полупроводниках, как и в металлах, являются электроны.

Рассмотрим механизм проводимости полупроводников на примере кристалла германия Ge, валентность атомов которого равна четырём.

Атомы германия на внешней оболочке имеют четыре сравнительно слабо связанных с ядром валентных электрона. При этом каждый атом кристалла связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями. Два соседних атома объединяют два своих валентных электрона (по одному от каждого атома), которые образуют электронную пару. Поэтому все валентные электроны атома германия участвуют в образовании ковалентных связей. На рисунке 159 изображена плоская схема пространственной решётки кристалла германия. При температурах, близких к абсолютному нулю, ковалентные связи германия достаточно прочны, поэтому свободные электроны отсутствуют, и германий является диэлектриком.

Для того чтобы разорвать ковалентную связь и сделать электрон свободным, кристаллу германия необходимо сообщить некоторую энергию, например, нагревая кристалл или облучая его поверхность. При этом часть электронов получает энергию, достаточную для того, чтобы покинуть атомы и стать свободными.

Нейтральный атом, которому принадлежал освободившийся электрон, становится положительно заряженным ионом, а в ковалентных связях образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой (рис. 160).

Одновременно с процессом возникновения свободных электронов и дырок происходит процесс, при котором один из электронов (не свободный, а обеспечивающий ковалентную связь) перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает ковалентную связь. При этом положение дырки меняется, что можно моделировать как её перемещение. Таким образом, при отсутствии внешнего электрического поля в кристалле полупроводника наблюдается беспорядочное перемещение свободных электронов и дырок, концентрации которых в чистом полупроводнике одинаковые.

Дырки считают подвижными носителями положительного заряда, который равен модулю заряда электрона.

Дырочная проводимость в действительности обусловлена «эстафетным» перемещением по вакансиям от одного атома кристалла полупроводника к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь. Дырок как положительных зарядов, существующих реально, в действительности нет. Тем не менее представление о них является хорошей физической моделью, которая даёт возможность рассматривать электрический ток в полупроводниках на основе законов физики.

При наличии внешнего электрического поля на хаотическое движение свободных электронов и дырок накладывается их упорядоченное движение, т. е. возникает электрический ток. Причём движение свободных электронов происходит в направлении, противоположном направлению напряжённости внешнего электрического поля, а движение дырок совпадает с направлением напряжённости поля (рис. 161).

Проводимость, обусловленная движением свободных электронов и дырок в чистом полупроводнике, называют собственной проводимостью полупроводника.

При сообщении полупроводнику энергии концентрация свободных электронов, а следовательно, и дырок возрастает, так как увеличивается число разрывов ковалентных связей. Этим и объясняется уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании и облучении.

Техническое применение полупроводников

Приборы, работа которых основана на свойстве полупроводников изменять своё сопротивление при изменении температуры, называют термисторами или терморезисторами.

Терморезисторы (рис. 162) используют для защиты телефонных станций и линий от токовых перегрузок, для пускозащитных реле компрессоров холодильников; поджига люминесцентных ламп; для подогрева дизельного топлива; в различных электронагревательных устройствах: нагревательных решётках тепловентиляторов, сушилках для обуви.

Приборы, работа которых основана на свойстве полупроводников изменять своё сопротивление при изменении освещённости их поверхности, называют фоторезисторами или фотосопротивлениями (рис. 163). Их используют для регистрации слабых потоков света, при сортировке и счёте готовой продукции, для контроля качества и готовности самых различных деталей; в полиграфической промышленности для обнаружения обрывов бумажной ленты, контроля количества листов бумаги, подаваемых в печатную машину; в медицине, сельском хозяйстве и других областях.

1. Электрический ток в полупроводниках представляет собой упорядоченное движение свободных электронов и дырок.
2. Проводимость, обусловленную движением свободных электронов и дырок в чистом полупроводнике, называют собственной проводимостью полупроводника.
3. Сопротивление полупроводников уменьшается при увеличении температуры и воздействии электромагнитного излучения.

Примесная проводимость полупроводников

Электронно-дырочный переход:

Изменить свойства полупроводников можно не только нагреванием или воздействием электромагнитного излучения, но и добавлением в чистый полупроводник примесей. Тогда в полупроводнике наряду с собственной проводимостью возникает примесная проводимость.

Примесная проводимость полупроводников

Проводимость, обусловленную наличием примесей в полупроводнике, называют примесной проводимостью полупроводника.
Рассмотрим механизм этой проводимости на примере кристалла германия Ge, содержащего примесь атомов мышьяка As, валентность которых равна пяти.

Четыре валентных электрона атома мышьяка образуют ковалентные связи с соседними атомами германия (рис. 164). Пятые электроны атомов мышьяка не задействованы в образовании ковалентных связей и могут свободно перемещаться, почти как электроны в металлическом проводнике.

Проводимость такого кристалла будет преимущественно электронной. Дырки, образующиеся в результате разрыва отдельных ковалентных связей между атомами германия, являются неосновными носителями электрического заряда, так как их концентрация мала по сравнению с концентрацией свободных электронов. Такие полупроводники называют электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа (от лат. negativ — отрицательный).

Примеси, поставляющие в полупроводники свободные электроны без возникновения равного им количества дырок, называют донорными (отдающими). Удельное сопротивление полупроводника с содержанием таких примесей резко уменьшается и может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.

Теперь рассмотрим механизм примесной проводимости полупроводника на примере кристалла германия Ge, содержащего примесь атомов индия In, валентность которых равна трём.

Валентные электроны атома индия образуют ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия (рис. 165). На образование связи с четвёртым атомом германия у атома индия электрона нет. Поэтому возле каждого атома индия одна из ковалентных связей будет незаполненной, т. е. возникает дырка. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. Но при этом дырка образуется на том месте, где до этого находился электрон.

В результате введения такой примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются дырки. Проводимость такого кристалла будет преимущественно дырочной. Свободные электроны, которые возникают за счёт собственной проводимости полупроводника, являются неосновными носителями электрического заряда, так как их концентрация мала по сравнению с концентрацией дырок. Такие полупроводники называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p-типа (от лат. positiv — положительный).

Примеси, наличие которых в полупроводнике приводит к образованию дырок, не увеличивая при этом числа свободных электронов, называют акцепторными (принимающими). Удельное сопротивление полупроводников, содержащих акцепторные примеси, также резко уменьшается.

Электронно-дырочный переход

Рассмотрим полупроводник, одна часть которого содержит донорную примесь и поэтому является полупроводником «-типа, а вторая — акцепторную примесь и является полупроводником р-типа. В зоне контакта образуется тонкий слой, который называют электронно-дырочным переходом или n—р-переходом. Концентрация свободных электронов в n-области значительно выше, чем в p-области, соответственно концентрация дырок в p-области значительно больше их концентрации в n-области. Из-за того, что через границу раздела происходит диффузия электронов из n- в р-область и диффузия дырок из р- в n-область, на границе n- и p-областей появляется электрическое поле. Оно препятствует дальнейшему переходу основных носителей заряда через границу раздела. Иными словами, в зоне перехода между полупроводниками n- и p-типов образуется запирающий слой (рис. 166).

Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, лампочки и полупроводника с n—р-переходом. При этом положительный полюс источника тока подключим к p-области, а отрицательный — к n-области (рис. 167). При замыкании цепи лампочка будет светиться. Вывод очевиден: в цепи проходит электрический ток.

Объясним наблюдаемое явление. Под действием электрического поля, созданного источником тока, запирающий слой начнёт исчезать, так как напряжённость внешнего электрического поля источника противоположна по направлению напряжённости поля запирающего слоя и практически полностью компенсирует её. Это приводит к возобновлению диффузии основных носителей заряда через n-р-переход: из области n в область р — электронов, а из области р в область n — дырок. При этом толщина n—р-перехода уменьшается, следовательно, уменьшается его сопротивление (рис. 168). В этом случае n—р-переход включён в прямом (пропускном) направлении.

А теперь подключим положительный полюс источника тока к n-области, а отрицательный — к p-области (рис. 169). При замыкании цепи лампочка не светится, т. е. электрического тока в цени нет.

Причина в том, что толщина запирающего слоя и, следовательно, его сопротивление увеличиваются, так как направление напряжённости электрического поля, созданного источником, совпадает с направлением напряжённости ' поля запирающего слоя. В этом случае n — р-переход включён в обратном (запирающем) направлении и ток через n — р-переход практически отсутствует (если не учитывать ток, созданный неосновными носителями, концентрация которых мала по сравнению с концентрацией основных носителей тока).

Таким образом, n—р-переход в полупроводнике обладает односторонней проводимостью. На рисунке 170 представлена вольт-амперная характеристика прямого перехода — участок ОВ и обратного перехода — участок ОА.

Полупроводниковый диод

Свойство односторонней проводимости n—р-перехода используют в полупроводниковых приборах, называемых диодами. Для получения n—p-перехода берут, например, кристалл германия с донорной примесью. Такой кристалл обладает электронной проводимостью (проводимостью n-типа). Если в одну из поверхностей кристалла германия вплавить индий, то вследствие диффузии атомов индия в поверхностном слое германия образуется область с проводимостью p-типа. Та часть кристалла, в которую атомы индия не проникли, по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между двумя областями с проводимостями разных типов возникает n—р-переход (рис. 171).

В полупроводниковом диоде германий служит катодом, а индий — анодом. Схематическое обозначение диода приведено на рисунке 172.

Для защиты от внешних воздействий кристалл германия помещают в герметичный металлический или стеклянный корпус (рис. 173).

У полупроводниковых диодов высокий коэффициент полезного действия, они долговечны и миниатюрны по размерам. К недостаткам полупроводниковых диодов относится то, что они могут работать в ограниченном интервале температур (от — 70 °С до 125 °С).

Полупроводниковые диоды являются основными элементами выпрямителей переменного тока и детекторов электромагнитных сигналов. С помощью полупроводниковых диодов можно осуществить непосредственное превращение энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию. Такие диоды называют фотодиодами (рис. 174). Если к выходам фотодиода подключить, например, резистор, то в электрической цепи проходит электрический ток, возникающий в результате диффузии через n—p-переход неосновных носителей электрического заряда, которые образуются под действием излучения, падающего на фотодиод. Причём сила электрического тока, проходящего через фотодиод, линейно зависит от интенсивности падающего на него света. В данном режиме фотодиод «работает» как источник тока (солнечная батарея). Если фотодиод включён в обратном направлении, то он «работает» как фоторезистор и его можно использовать для управления током в электрической цепи. Фотодиоды применяют в измерительной технике, системах автоматики.

Светоизлучающий диод (светодиод) — полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию непосредственно в световое излучение. Он представляет собой миниатюрный полупроводниковый диод, помещённый в прозрачный корпус (рис. 175). Используя светодиоды, изготавливают, например, светодиодные светильники (рис. 176).

1. Проводимость, обусловленную наличием примесей в полупроводнике, называют примесной проводимостью полупроводника.
2. Примеси, поставляющие в полупроводники свободные электроны без возникновения равного им количества дырок, называют донорными. Полупроводники, содержащие донорные примеси, называют электронными полупроводниками или полупроводниками n-тина.
3. Примеси, наличие которых в кристалле полупроводника приводит к образованию дырок, не увеличивая при этом числа свободных электронов, называют акцепторными. Полупроводники, содержащие акцепторные примеси, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа.
4. Электронно-дырочным переходом или n—р-переходом называют тонкий слой в зоне контакта полупроводников n- и p-типа. n—р-переход в полупроводнике обладает односторонней проводимостью.

Электрический ток в вакууме

Для изучения электрического тока в вакууме в стеклянную или металлическую колбу устанавливают два электрода на определенном расстоянии друг от друга. Воздух должен быть так откачан, чтобы при движении между электродами молекулы не сталкивались. Для этого остаточное давление воздуха в колбе должно быть в пределах  мм.рт.ст.

Один из электродов будем называть анодом и его соединим с положительным полюсом источника. Второй будет катодом и его соединим с отрицательным полюсом источника (рис. 9.1).
Когда между анодом и катодом приложим напряжение, подключенный к цепи чувствительный гальванометр покажет отсутствие тока в цепи. Это значит, что в вакууме не существуют заряженные частицы, переносящие ток.

Чтобы появились заряженные частицы, нужно нагреть катод с помощью специального нагревателя . Нагреватель изготавливается в форме спирали, и через него пропускают электрический ток. 

Явление выбивания электрона в результате нагревания металлов называется термоэлектронной эмиссией.

При нагревании катода на электроны, вылетевшие из него, действует электрическое поле, имеющееся между анодом и катодом. В результате электроны из катода к аноду двигаются с ускорением. Подключенный к цепи гальванометр регистрирует наличие тока.
Теперь анод подсоединим к отрицательному полюсу источника тока, а катод подсоединим к положительному полюсу. В этом случае стрелка гальванометра не отклоняется, т.е. по цепи не проходит ток.

Электрический ток в вакууме состоит из упорядоченного потока электронов.
Вакуумная лампа, состоящая из анода и катода, называется двухэлектродная электронная лампа – диод.

Свойства любого электронного прибора характеризуются его вольт-амперной характеристикой, т.е. зависимостью силы тока, проходящего через прибор, от напряжения, приложенного к нему.

Для изучения вольт-амперной характеристики диода на его нагреватель подается постоянное напряжение 4 В. В результате горячий нагреватель сохраняет постоянную температуру . Когда напряжение между анодом и катодом равно нулю, электроны, выбитые из горячего катода, образуют вокруг катода электронное облако. С ростом напряжения анода электроны в электронном облаке начинают двигаться в сторону анода, и электронное облако начинает рассеиваться. Здесь с ростом напряжения растет и ток анода (рис. 9.2). В вольт-амперной характеристике это приходится на область 1. Затем рост напряжения не оказывает заметного влияния на увеличение анодного тока и в характеристике это приходится на область 2. В это время все электроны, покидающие катод, достигают анода, и анодный ток остается без изменения. Анодный ток в это время называется током насыщения.

Если повторить опыт с напряжением нагревателя 6 В, его температура будет . При этом увеличится значение тока насыщения. Как видно из характеристики, зависимость силы тока от напряжения нелинейная. В области 1 характеристики зависимости силы тока от напряжения подчиняется следующей закономерности 

Это формула называется формулой Богуславского – Ленгмюра.
До появления мощных полупроводниковых диодов для выпрямления переменного тока использовали вакуумные диоды.

Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры

Как зависит сопротивление металлических проводников от изменения температуры?

Давайте обсудим это. С одной стороны, рост температуры приведет к увеличению скорости свободных электронов и количеству их соударений. Кроме этого, увеличится амплитуда колебаний ионов в узлах кристаллической решетки и количество их соударений с двигающимися электронами. В результате уменьшится скорость упорядоченного движения заряженных частиц, и это приведет к уменьшению силы тока. 

С другой стороны, при повышении температуры увеличится количество свободных электронов в единице объема. Например, в электролитических растворах увеличится количество ионов.

В зависимости от того, какой фактор играет большую роль, повышение температуры приведет к увеличению или уменьшению сопротивления проводника.

Для проверки правильности этих рассуждений проведем следующий опыт. Последовательно к электрической лампочке соединен стальной провод в форме спирали (рис. 9.3).

Сначала лампочка горит ярко. Если спираль нагреть, то яркость лампочки падает. Если к ним последовательно соединить амперметр, он покажет, что сила проходящего тока уменьшилась. Этот опыт показывает, что при нагревании спирали увеличивается ее сопротивление. Такой же опыт можно провести с другими металлами и сплавами.

Значит, при нагревании металлических проводников их сопротивление увеличивается.

Если при 0 °C значение сопротивления проводника равно , при температуре равно , зависимость между ними имеет вид

Здесь – температурный коэффициент сопротивления. Чтобы понять физический смысл этого, запишем

Значит, коэффициент показывает, какую часть составляет изменение сопротивления проводника при изменении температуры на 1 °C относительно сопротивления при 0⁰C. В точно работающих электронных схемах необходимо учитывать зависимость сопротивления проводника от температуры, иначе это может привести к появлению дополнительных ошибок.

При нагревании проводников их геометрические размеры изменяются мало. Сопротивление проводника в основном меняется с изменением удельного сопротивления. Для определения зависимости удельного сопротивления от температуры, в выражение (9.2) подставим:  и  и получим.

В следующей таблице приводятся температурные коэффициенты удельного сопротивления некоторых металлов.

Металл или сплав		Металл или сплав
Алюминий	0,0042	Никелин	0,0001
Висмут	0,0046	Никель	0,0065
Вольфрам	0,0045	Ниобий	0,003
Железо	0,0062	Нихром	0,0002
Золото	0,0040	Олово	0,0044
Индий	0,0047	Платина	0,0039
Кадмий	0,0042	Ртуть	0,0010
Кобальт	0,0060	Свинец	0,0042
Медь	0,0039	Серебро	0,0040
Молибден	0,0050	Хром	0,0059
Натрий	0,0055	Хромал	0,000065
Нейзильбер	0,0003	Цинк	0,0042

Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры используется в термометрах сопротивления. Такими термометрами можно измерять очень высокие и очень низкие температуры. Например, с помощью платиновых термометров можно измерять температуры от – 200 ^oC до +600 ^oC с точностью 0,0001^oC.

Таким образом, в металлах с понижением температуры сопротивление должно уменьшаться, а при абсолютно нулевой температуре должно равняться нулю. Однако, с другой стороны, при абсолютно нулевой температуре в результате стремления к нулю скорости свободных электронов сопротивление проводника должно быть бесконечно большим.

Правильность этих выводов нужно было проверить экспериментальным путем. В 1908 году голландский физик Камерлинг-Оннес первым смог получить жидкий гелий. Именно работая при температурах кипения жидкого гелия, Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости. Сначала он проводил эксперименты с металлами, затем с ртутью. Эксперименты, проведенные с ртутью, дали неожиданные результаты. С понижением температуры сопротивление ртути уменьшается, и при температуре 4,15 К (ниже, чем температура кипения жидкого гелия) резко уменьшается и опускается до нуля (рис. 9.4). 28 апреля 1911 года Камерлинг-Оннес опубликовал свои результаты. Это явление он назвал «сверхпроводимостью», однако теориями того времени это явление невозможно было объяснить.

В 1912 году явление сверхпроводимости наблюдали уже в свинце и олове. В последующих исследованиях подобные явления наблюдались во множестве металлов и сплавов при температурах ниже 25 К. В 1957 году явление сверхпроводимости было теоретически обосновано Купером и Боголюбовым. В эксперименте, проведенном в 1957 году Коллинзом, в замкнутой цепи без источника тока в течение 2,5 лет непрерывно проводили ток. В 1986 году в металлокерамических материалах наблюдали процесс высокотемпературной (100 К) сверхпроводимости.

Пример №4

В спирали электрической лампочки, изготовленной из вольфрама, сопротивление при 20 ^oC равно 30 Ом. При соединении лампочки с источником постоянного тока 220 В сила тока, проходящего через него, равнялась 0,6 А. Определите температуру спирали при свечении лампочки.
Дано:

Найти:

Формула:

Р е ш е н и е :


Ответ: 2518°C.

Собственная проводимость полупроводников

В природе существуют вещества, у которых количество электронов в единице объема меньше, чем в проводниках, но больше, чем у изоляторов (диэлектриков). Такие вещества называют полупроводниками.

В полупроводниковых веществах с повышением температуры их удельное сопротивление уменьшается.

При очень низких температурах полупроводниковое вещество становиться диэлектриком.

При воздействии света на металлы их электрическая проводимость почти не меняется. При попадании света на полупроводники их электрическая проводимость увеличивается.

Таким образом, основные отличительные черты полупроводников следующие:

• а) по способности проведения электричества занимают промежуточное состояние между металлами и диэлектриками;
• б) при нагревании и освещении уменьшается удельное сопротивление. 

К элементам, обладающим полупроводниковыми свойствами, относятся германий, кремний, теллур, селен и др. Как вам известно из курса химии, полупроводниковые элементы по своим свойствам и атомному построению расположены в III, IV и V группе периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
 

Структура полупроводников. Собственная проводимость

Чтобы понять природу электрического тока в полупроводниках, нужно знать их структуру. Для этого рассмотрим кристалл чистого кремния, в составе которого нет никакого инородного вещества. В 9-классе вы познакомились со строением атомов и узнали, что электроны в атоме расположены по оболочкам.

В атоме кремния при послойном расположении электронов на внешней оболочке располагаются четыре электрона. Соседние атомы связаны друг с другом с помощью этих электронов.

Каждый атом связан с другим атомом общей парой электронов по одному от каждого атома. Такая связь называется ковалентной связью.
Электроны, участвующие в ковалентной связи, называются валентными электронами. Значит, валентные электроны относятся ко всем атомам кристалла.
 

Электронная проводимость

Связь, образованная при низких температурах электронными парами, является крепкой и не разрывается. Поэтому при низких температурах кремний не пропускает электрический ток. При повышении температуры растет кинетическая энергия валентных электронов. Некоторые связи начинают разрываться, а электроны из них превращаются в свободные электроны, как в металлах. Эти электроны под действием электрического поля перемещаются по полупроводнику и создают электрический ток (рис. 9.5).

Появление тока в полупроводнике в результате перемещения свободных электронов называется электронной проводимостью или проводимостью n-типа (по-латински negativus – отрицательный).
 

Дырочная проводимость

Электрон, участвовавший в ковалентной связи, освобождает место и на этом месте образуется дырка. Когда из нейтрального атома уходит отрицательно заряженный электрон, его место считается как положительный заряд.

Пустое место занимает другой электрон, участвующий в ковалентной связи. Но теперь дырка появится в другом месте. Таким образом, при перемещении электронов с одного места на другое происходит относительное перемещение дырок.

Когда нет электрического поля, перемещение электронов и соответственно дырок будет беспорядочным.

Под действием электрического поля свободные электроны будут перемещаться в одну сторону, а дырки в другую сторону.

Точно также при скачке соседнего электрона в дырку, которая появилась в начале проводника, положительно заряженная дырка перемещается в конец проводника (рис. 9.6). Такая проводимость называется дырочной проводимостью полупроводника или проводимостью р-типа (по-латински positives – положительный).

Таким образом, в чистых (без примесей) полупроводниках существует электронная проводимость, связанная с движением свободных электронов, и дырочная проводимость, связанная с движением дырок.
Проводимость чистого полупроводника без примесей называется собственной проводимостью. Здесь в данном веществе электронная и дырочная проводимость будут почти равны.

Способность чистых полупроводников пропускать электрический ток мала из-за небольшого количества в них свободных электронов и дырок. 

Смешанные полупроводники: донорные смеси

Теперь в чистый полупроводниковый кремний добавим немого примеси. Сначала между атомами кремния внесем пятивалентный мышьяк ().
Здесь места электронов, создающих четыре ковалентные связи кремния, занимают четыре электрона мышьяка. Пятый электрон мышьяка остается не связанным и превращается в свободный электрон (рис. 9.7а).

В результате количество электронов будет больше, чем количество дырок. Удельное сопротивление полупроводника резко уменьшится. Если количество атомов добавленного мышьяка составляет десятимиллионную часть атомов полупроводника, то концентрация свободных электронов (количество электронов, приходящееся на 1 см³) будет в тысячи раз
больше, чем в чистом полупроводнике. Примеси, которые при добавлении легко отдают свои электроны, называются донорными примесями. Из-за того, что в донорных примесях основными носителями тока являются электроны, их называют полупроводниками -типа. Дырки в этих полупроводниках относятся к неосновным носителям заряда. 

Акцепторные примеси

В чистый полупроводниковый кремний добавим вещество индий (). Индий является трехвалентным элементом, три его электрона создают ковалентную связь с атомом кремния. Здесь не хватает одного электрона для создания нормальной ковалентной связи индия с соседними атомами. В результате образуется дырка. Сколько атомов индия будет внесено в кристалл, столько же образуется дырок (рис. 9.7б).

Примеси такого вида называют акцепторными примесями. При вводе полупроводника в электрическое поле происходит перемещение дырок и появляется дырочная проводимость. Полупроводники с примесями, основными носителями тока в которых являются дырки, называются полупроводниками -типа. В этих полупроводниках электроны являются неосновными носителями заряда.

Полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы) и использование их в технике

Рассмотрим полупроводник, состоящий из кристаллов -типа с одной стороны и кристаллов -типа с другой (рис. 9.8). В средней части полупроводника свободные электроны быстро заполняют свободные дырки. В результате в середине полупроводника образуется область, в которой отсутствуют носители заряда. Свойства этой области будут похожи на свойства диэлектрика.
Эта область в дальнейшем будет препятствовать прохождению электронов в -область, а дырок в -область. По этой причине его называют запирающим слоем.

Данный полупроводник соединим с источником тока. Сначала -область полупроводника соединим с отрицательным полюсом источника, -область – с положительным полюсом источника (рис. 9.9).

В этом случае электроны притягиваются к положительному полюсу источника, а дырки – к отрицательному полюсу. В результате запирающий слой расширяется. Через полупроводник почти не проходит ток. Такое состояние называется обратным переходом.

Теперь -область полупроводника соединим с положительным полюсом источника, а -область соединим с отрицательным полюсом источника. Здесь электроны отталкиваются от -области и притягиваются к -области.

В свою очередь дырки отталкиваются от -области и притягиваются к -области. В результате сужается запирающий слой и через него проходят носители заряда (рис. 9.10). Через полупроводник проходит ток. Такое состояние называется прямым переходом. При прямом  переходе сопротивление полупроводника будет в несколько раз меньше, чем при обратном переходе. В полупроводнике из-за перехода ток проходит только в одном направлении. Этим свойством пользуются в полупроводниковых приборах.
 

Полупроводниковый диод

Чтобы создать переход в полупроводниках, не достаточно механического соединения двух полупроводников, которые обладают и проводимостью, потому что в этом случае расстояние между ними будет большим. Толщина  и переходов должна быть равной межатомным расстояниям, поэтому в поверхность германиевого монокристалла вводят (вплавляют) индий. Благодаря явлению диффузии, атомы индия внедряются в монокристаллы германия. В результате на поверхности кристалла германия образуется область с проводимостью типа.

Область монокристалла германия, куда не вошли атомы индия, как и раньше обладает проводимостью типа. В промежуточной области образуется переход (рис. 9.11а).

Полупроводниковый прибор, имеющий один переход, называется полупроводниковым диодом.

Для того чтобы уменьшить влияние света, воздуха и внешних электрических и магнитных полей на полупроводниковый диод, кристалл германия помещают в герметично закрытую металлическую оболочку.

Условное обозначение полупроводникового диода приводится на рис. 9.11б.

Понятие о транзисторе

Полупроводниковая система, имеющая два перехода, называется транзистор. С помощью транзистора создаются, управляются и усиливаются электрические колебания. Для изготовления транзистора германиевый кристал помещают в корпус, снабженный выводами. С двух сторон в поверхность кристалла, обладающего электронной проводимостью, вводят индий. Толщина германиевого кристалла берется очень маленькой (несколько микрометров). Этот слой называется основой или базой транзистора (рис. 9.12а).

Крайние зоны с двух сторон кристалла, обладающие дырочной проводимостью, называются эмиттер и коллектор. Транзистор такого типа называется  транзистором (рис. 9.12 а).

Транзистор изготавливают таким образом, чтобы концентрация дырок в области эмиттера в несколько раз превышала концентрацию электронов базы. Условное обозначения транзистора приводится на рис. 9.12б. Посмотрим, как работает транзистор (рис. 9.13).

Напряжение батарейки , подключенной между эмиттером и базой, создает прямой переход. Батарейка между коллектором и базой создает обратный переход. Каким образом появляется ток в коллекторе? Под действием напряжения, приложенного между базой и эмиттером, дырки входят в базу. Так как база транзистора очень тонкая и концентрация электронов невелика, только малое количество дырок соединяется с электронами. Большинство дырок переходят в область коллектора.

К коллектору подключен отрицательный полюс батарейки и дырки, подтягиваясь к нему, создают коллекторный ток. Сила тока в цепи эмиттер-база будет намного меньше, чем сила тока по направлению эмиттер-коллектор. По этой причине транзисторами пользуются для усиления сигналов переменного тока. 

При изготовлении транзистора в качестве базы можно использовать полупроводник типа. В этом случае области эмиттера и коллектора изготавливаются из полупроводника типа. Такой транзистор называется  транзистором.

Принцип работы транзисторов такого типа не отличается от транзистора типа –  . В этих транзисторах ток направлен от коллектора в сторону эмиттера.
 

Интегральные микросхемы

В 70-х годах прошлого века изобрели микросхемы, состоящие из тысяч микроскопических транзисторов, которые размещались на пластинке полупроводникового материала размером с монетку. Из-за того, что вместе с транзисторами размещались диоды, конденсаторы, резисторы и другие радиоэлектронные элементы, такие схемы назвали интегральными микросхемами. Это изобретение дало возможность размещения сложных схем в маленьком объеме и создания настольных компьютеров. Если первоначально радиоэлементы размещали на поверхности  полупроводника, в дальнейшем их начали распределять по всему объему. Подобные устройства называются микрочипами. На основе микрочипов были созданы мобильные телефоны, планшетные компьютеры (Notebook) и другие маленькие радиоэлектронные приборы. На сегодняшний день на микрочипе размером c монету размещают миллионы транзисторов и радиоэлементов. Это означает, что размер радиоэлемента составляет примерно ≈10-9 м и равен одному нанометру. При проектировании и изготовлении таких микросхем используется нанотехнология – комплекс методов, позволяющих создавать объекты наноразмеров.

Освоение этой отрасли и ее развитие начинается с изготовления самых простых электротехнических приборов и изучения принципов их работы.
 

Выпрямитель переменного тока

Известно, что телевизоры, радиоприемники и другие подобные приборы работают при подключении в сеть переменного тока напряжением 220 В. Но их составляющие – полупроводниковые приборы, такие как диод, транзистор должны работать от источника постоянного тока. Значит, в данных приборах должно быть специальное устройство, преобразующее переменный ток в постоянный. На рисунке 9.14 приводится простая схема такого прибора.

В этой схеме на первичную катушку трансформатора подается переменный ток напряжением 220 В, на выходе вторичной катушки получают 12 В. Полупроводниковый диод в положительной половине периода напряжения пропускает ток, в отрицательном периоде не пропускает. Согласно этому такой прибор называется однофазный однополупериодный выпрямитель.
Форма напряжения на входе и выходе выпрямителя приводится на рис. 9.14 (б и в). Как видно из рисунка, на схеме используется только половинное напряжение. Кроме этого, также сильно меняется его величина. Поэтому чаще используются двухполупериодные выпрямители.

Основные понятия, правила и законы

Термоэлектронная эмиссия	Явление выбивания электронов из металла в результате его нагревания.
Электрический ток в вакууме	Заключается в движении в одном направлении потока электронов и ионов.
Двухэлектродная электронная лампа	Вакуумная лампа – диод, состоящая из анода и катода.
Ток насыщения	Все электроны, покидающие катод, достигают анода, а анодный ток остается без изменения.
Формула Богуславского- Ленгмюра	Зависимость силы тока, проходящего через вакуумный диод, от анодного напряжения.
Зависимость сопро- тивления металлических проводников от температуры	сопротивление проводника при – сопротивление при температуре , – температурный коэффициент сопротивления.
Сверхпроводимость	Резкое уменьшение сопротивления проводника до нуля при понижении температуры.
Электронная проводимость. (проводимость типа)	Появление тока в полупроводнике в результате перемещения свободных электронов.
Дырочная проводимость ( проводимость типа).	Свободное место, образованное в результате нехватки электрона в ковалентной связи, называется дыркой. Под воздействием электрического поля дырки перемещаются в полупроводнике, и возникает дырочная проводимость.
Собственная проводимость в полупроводниках	Пропускание электрического тока в результате перемещения в полупроводнике свободных электронов и дырок в равных количествах.
Донорные примеси	Примеси, при добавлении которых чистые полупроводники легко отдают электроны. При этом образуется проводимость типа.
Акцепторные примеси	Примеси, при добавлении которых в чистых полупроводниках не хватает одного электрона для ковалентной связи и образуются дырки. При этом возникает проводимость типа.
Запирающий слой	Область, образуемая на границе полупроводника с одной стороны типа, с другой стороны типа, где не будет заряженных частиц.
Прямой – переход	Прохождение тока через полупроводник, состоящий из кристаллов типа с одной стороны и типа с другой стороны, когда на анод (область) подается положительный потенциал, а на катор область – отрицательный, в результате чего происходит сужение запирающего слоя и через него проходят носители заряда.
Обратный – переход	Непрохождение тока через полупроводник в результате увеличения запирающего слоя при подключении к области) отрицательного потенциала, а к катоду области положительного потенциала.
Полупроводниковый диод	Полупроводниковый прибор, имеющий один переход. Условный знак
Транзистор	Полупроводниковый прибор, имеющий два -перехода. Различают структуры и .
Интегральная микросхема (ИМС)	Микроэлектронное устройство, состоящее из многочисленных элементов, очень компактно расположенных на полупроводниковой подложке.