упорядоченное движение свободных электронов

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
ТОК
В РАЗЛИЧНЫХ
СРЕДАХ
Физика 11 класс
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
В МЕТАЛЛАХ
Металлы
обладают
электронной
проводимостью.
Электрический
ток в
металлических
проводниках –
упорядоченное
движение
свободных
электронов
Экспериментальные
доказательства:
Опыт К. Рикке в 1901 году
Что делал:
пропускал ток
в сотни ампер
в течение
длительного
времени.
Ожидал:
в алюминии
появится медь.
Результат:
отрицательный,
т. е. ток не является направленным движением ионов.
Экспериментальные
доказательства:
Опыт Стюарта-Толмена:
1913 r. — Мандельштам — Папалекси предложили,
1916 г. — Стюарт — Толмен осуществили экспериментально.
Длина l провода=500 м (в
катушке). Катушка
вращалась с v =500 м/с:
при резком торможении
свободные частицы
двигались по инерции. По
отклонению стрелки
гальванометра определяли
удельный заряд, по
направлению отклонения знак заряда.
ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ
МЕТАЛЛОВ
(П. Друде, Г.А.Лоренц)
1. Свободные электроны в металлах ведут .себя как молекулы
идеального газа. но vэл >> vтепл.
2. Движение свободных электронов в металлах подчиняется
законам Ньютона.
3. Свободные электроны в процессе хаотичного движения сталкиваются преимущественно с ионами кристаллической решетки.
4. Двигаясь до следующего столкновения с ионами, электроны
ускоряются электрическим полем и приобретают кинетическую
энергию Ек.
Построить удовлетворительную количественную теорию
движения электронов в металле на основе законов классической
механики невозможно. Но можно примерно объяснить закон Ома.
ЗАВИСИМОСТЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ПРОВОДНИКОВ
ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
0
- зависимость удельного
   0 (1  t ) сопротивления металла от
температуры,
где  - температурный коэффициент сопротивления (табличная
величина).
Полностью правильно
объяснить проводимость
металлов позволяет
только квантовая теория.
СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ
Явление открыто Х.Камерлинг-Оннесом (Голлан-дия) в
1911 г. на ртути и заключается в том, что при сверхнизких
температурах сопротивление проводника может скачком падать
до 0. Т.е. в таких проводниках не расходуется энергия на
нагревание.
В 1933 г. В.Мейснер
открыл явление, состоящее
в том, что внешнее магнитное
поле не проникает в глубь
сверхпроводника, если величина
магнитного поля меньше
критического значения
(эффект Мейснера).
В настоящее время
открыты предсказанные
В.Гинзбургом высокотемпературные
сверхпроводники (температуры выше температуры жидкого
азота).
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
В ВАКУУМЕ
Поведение свободных
электронов на границе
металла с вакуумом
Для существования электрического тока
в вакууме нужно искусственно ввести в это
пространство свободные электроны (с
помощью эмиссионных явлений).
1.Термоэлектронная эмиссия.
Процесс
испускания
электронов нагретыми металлами называется термоэлектронной эмиссией. Интенсивность термоэлектронной
эмиссии зависит от площади катода, температуры нагрева
металла и свойств вещества. Если кинетическая энергия
электронов больше энергии связи, то происходит термоэлектронная эмиссия.
2. Фотоэлектронная эмиссия (фотоэлектрический эффект,
фотоэффект). Процесс испускания электронов металлами под
воздействием света. Открыт Г. Герцем, исследован А. Г.
Столетовым. Объяснен А. Эйнштейном.
3. Автоэлектронная эмиссия. Процесс испускания электронов под воздействием электрического поля.
ДВУХЭЛЕКТРОДНАЯ
ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАМПА
Изобретен Т. А. Эдисоном.
1. Баллон — стекло или керамика,
2. Вакуум: 10-6 -10-7 мм рт. ст.
3. Катод — нить накала.
4. Анод — круглый или овальный цилиндр.
Катод: в виде вертикального металлического цилиндра,
покрытого слоем оксидов
щелочноземельных
металлов. (Позволяет увеличить
долговечность катода. У таких
катодов ток насыщения практически
недостижим.)
ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
ДИОДА
С увеличением напряжения все
большее количество электронов получает
энергию, достаточную для того, чтобы
достичь
анода; ток возрастает. При
некотором значении напряжения все
электроны достигают анода.
Ток перестает возрастать - ток
насыщения.
Для
увеличения
тока
насыщения необходимо
увеличить количество
электронов (увеличить
температуру катода).
В приборах с косвенным
накалом ток насыщения
практически не достигается.
СВОЙСТВО ДИОДА
Основное свойство диода: пропускает
ток в одном направлении.
Это свойство
используется для
выпрямления
переменного тока.
Ток существует, если
на аноде — положительный
потенциал, ток отсутствует,
если на аноде—отрицательный потенциал
ВАКУУМНЫЙ ТРИОД.
Изобретен в 1913 г. Л. де Форестом.
Регулируя потенциал между катодом и сеткой можно
регулировать число электронов в анодной цепи.
Главная
характеристика крутизна
I A
S
U c
ВАКУУМНЫЙ ТРИОД
Применения:
1. Безынерционный электронный ключ в
генераторах электромагнитных волн высокой
частоты (рабочая точка находится на
криволинейном участке характеристика).
2. Усилительный элемент (рабочая точка
находится на прямолинейном участке).
Из многоэлектродных ламп наиболее часто
применяются пентоды, октоды, гептоды.
Важное достоинство - в одном корпусе можно
соединить две и более системы
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ
ТРУБКА
Основной частью осциллографа и телевизора является электроннолучевая трубка:
R I — регулирует интенсивность электронного пучка (яркость);
R2 — фокусирует луч на экране;
К — катод (электронная пушка);
С — управляющий электрод;
А1 и А2 - аноды;
ВП, ГП- вертикальная и горизонтальная отклоняющие пластины.
В телевизионных трубках вместо отклоняющих пластин применяется электромагнитная система отклонения (катушки), работа
которой основана на действии силы Лоренца
СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОННЫХ
ПУЧКОВ
1. Отклоняются в электрическом и магнитном
полях.
2. Независимость распространения.
3. Вызывают свечение веществ, нагрев
металла, рентгеновское излучение
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В
ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Вещества, удельное
сопротивление которых
убывает с повышением
температуры, называются
полупроводниками.
СОБСТВЕННАЯ
ПРОВОДИМОСТЬ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ
ГЕРМАНИЙ – Ge
КРЕМНИЙ - Si
Каждый атом имеет четыре
соседа, с которыми связан ковалентными связями. При низкой
температуре электроны связаны
с атомами; свободных носителей
заряда нет. При увеличении
температуры энергия электронов
увеличивается и они рвут связи,
а на их месте образуется
положительная дырка.
Собственная проводимость называется
электронно-дырочной
ПРИМЕСНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Донорная (электронная)
n-типа (Si+As)
(Примесь из 5 группы)
As имеет 5 электронов.
Один не участвует в
образовании ковалентной
связи.
Один атом дает один
свободный электрон
Проводимость называется электронной
ПРИМЕСНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ
ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Акцепторная (дырочная)
р-типа (Si+ln)
(Примесь из 3 группы)
In имеет 3 электрона.
На месте одной из
ковалентных связей
образуется
положительная дырка.
Один атом дает одну
дырку
Проводимость называется дырочной
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ
ПЕРЕХОД
В результате диффузии электронов из электронной области кристалла в дырочную
и дырок из дырочной области кристалла в электронную
на границе между этими областями образуется двойной
слой разноименно заряженных ионов. Между слоями
возникает электрическое поле с разностью потенциалов
0,4 – 0,8 В. Толщина этого
слоя около 10 -7 м, напряженность в пограничном слое поля равна 4 10 6 В/м
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ
ПЕРЕХОД
Ток, создаваемый диффузией основных носителей через
электронно-дырочный переход, равен по модулю и противоположен по
направлению току, создаваемому движение неосновных носителей. При
отсутствии внешнего электрического поля результирующий ток через
электронно-дырочный переход равен нулю.
ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА
ОБРАТНОЕ
ВКЛЮЧЕНИЕ ДИОДА
ПРЯМОЕ
ВКЛЮЧЕНИЕ ДИОДА
ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА
Участок 3-0 свидетельствует
о протекании через диод
незначительного обратного
тока
Участок 0-1 ток возрастает
с ростом напряжения. Эта
часть характеристики
нелинейна.
Участок 1-2 прямолинеен.
ТРАНЗИСТОР
ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ,
ФОТОРЕЗИСТОРЫ
Освещение, повышение
температуры приводят к
интенсивности разрыва
ковалентных связей и
появлению большого числа
носителей заряда;
R уменьшается. На этом
основано устройство термои фоторезисторов.
Зная показания амперметра
и зависимость сопротивления
термистора от t, можно найти
температуру.
Фоторезисторы используются
в фотореле, аварийных выключателях и т. д.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В
РАСТВОРАХ И РАСПЛАВАХ
ЭЛЕКТРОЛИТОВ
Электролиты — жидкие проводники, в которых
подвижными носителями зарядов являются
ионы (проводники 2-го рода).
МЕХАНИЗМ
ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТИ
РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
Диссоциация
(разъединение)
Рекомбинация
Электрический
ток в растворах
электролитов –
это
упорядоченное
движение
положительных и
отрицательных
ионов
ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА
ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИТОВ.
За счет явления поляризации график смещен.
ЭДС поляризации имеет знак, противоположный знаку
напряжения на электродах.
СОПРОТИВЛЕНИЕ
РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
Уменьшается R с повышением температуры.
Справедлив закон Ома при неизменной
концентрации раствора и постоянной
температуре.
Ионная проводимость: прохождение тока
связано с переносом вещества
ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗА.
ЗАКОН ФАРАДЕЯ
При электролизе на электродах происходит
M выделение вещества:
m  m 0i N i , m 0i 
q
It
Ni 

q 0i q 0i
,
q 0i  ne
NA
M
m
It
neN A
m  kIt
где m0i и q0i - соответственно масса и заряд иона; М — молярная
масса; Ni — число ионов, достигших электрода, n —
валентность;
M
 const  k -электрохимический эквивалент веществ
neN A
Он зависит от рода вещества
ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗА
В ТЕХНИКЕ
1. Гальваностегия
2. Рафинирование
меди
3. Электролитическая
полировка
4. Электрометаллургия
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
В ГАЗАХ
Газы в обычных условиях—диэлектрики.
Воздух используют в технике как изолятор:
а) в линиях электропередач;
б) между обкладками воздушных конденсаторов;
в) в контактах выключателей. При определенных
условиях газы — проводники: молния, электрическая
искра, дуга при сварке.
Процесс протекания тока через газ называется
газовым разрядом.
Свободные заряды (ионы обоих знаков и электроны)
возникают в газах только в процессе ионизации.
НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ
РАЗРЯД В ГАЗАХ
Ионизация газов
Ионизацию вызывают:
1. Высокая температура.
2. Ультрафиолетовые лучи.
3. Рентгеновские лучи,  - лучи
и т. п.
Ионизация осуществляется при условии: еЕ  W
ионизации, где  — длина свободного пробега
заряженных частиц.
НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ
РАЗРЯД В ГАЗАХ
Рекомбинация.
Вследствие рекомбинации для
поддержания длительного тока необходима
постоянная ионизация.
ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА
ОА – выполняется
закон Ома т.к. сила тока
пропорциональна
напряжению.
АВ – сила тока
остается постоянной
хотя напряжение
возрастает - это ток
насыщения.
ВС – ударная
ионизация,
лавинообразное
увеличение числа
электронов.
НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ И
САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ
РАЗРЯДЫ
1.Несамостоятельный разряд происходит под
действием внешнего ионизатора.
2. Самостоятельный разряд - разряд,
происходящий без действия внешнего
ионизатора (электронным ударом).
Напряжение, при котором возникает
самостоятельный разряд, наз. напряжением
пробоя (потенциал ионизации).
ТИПЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО
РАЗРЯДА.
ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
Тлеющий разряд
а). Несветящаяся часть, прилегающая к катоду, наз.
темным катодным пространством,
б). Светящийся столб газа, заполняющий остальную
часть, наз. анодным положительным столбом.
При определенных давлениях анодный столб
распадается на отдельные слои, разделенные
темными промежутками (страты).
Причиной ионизации газа в тлеющем разряде
является ударная ионизация и выбивание
электронов из катода положительными ионами.
Применяется в газосветных трубках, неоновых лампах,
цифровых индикаторах, лампах дневного света, ртутных
лампах низкого давления.
ТИПЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО
РАЗРЯДА.
ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
Дуговой разряд.
Если увеличить напряжение между электродами
вакуумной трубки, в которой происходит тлеющий
разряд, можно заметить, что увеличивается и сила
тока. Это означает, что появился новый источник
свободных зарядов. Это катод: из него ионы
вырывают электроны.
Применяется в ртутных лампах высокого давления,
источниках света, при сварке металлов, в
электроплавильных печах, при электролизе
расплавов, в электропечах.
ТИПЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО
РАЗРЯДА.
ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
Коронный разряд
Разряд возникает при атмосферном давлении и более
высоком давлении в сильно неоднородном
электрическом поле. Такое поле можно получить
около проводника с большой кривизной (тонкий
провод, острие). Наличие второго провода не
обязательное: его роль могут играть любые проводники и
поверхность Земли. Высокая напряженность – 30000 В/м. Он не
стационарен и состоит из ограмного множества микроразрядов,
возникающих в разных местах вблизи проводников в разное
время.
Используют в электрофильтрах для очистки газов от примесей
твердых частиц. Применяется в счетчиках заряженных частиц
Гейгера-Мюллера. Громоотвод. Отрицательное явление:
вызывает утечку энергии на высоковольтных линиях.
ТИПЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО
РАЗРЯДА.
ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
Искровой разряд
Разряд может происходить между двумя
противоположно наэлектризованными
проводниками на близком и очень большом
расстоянии между ними, между двумя
облаками или между наэлектризованными
облаком и Землей. Высокое напряжение.
Применяется при обработке металлов.
Молния: U=108 В, I=105 А,
продолжительность 10-6 с,
диаметр канала 10 - 20 см.
ТИПЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО
РАЗРЯДА.
ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
Плазма
Частично или полностью ионизованный газ называется плазмой. Наиболее распространенное
состояние вещества в природе:
1. Низкотемпературная плазма: Т<105 К.
2. Высокотемпературная плазма: Г>105 К.
Можно наблюдать: пламя костра, рекламные газовые
трубки, медицинские кварцевые лампы. Большое
значение: получение термоядерной реакции.