Пошук по сайту


Електричний струм у різних середовищах (металах, рідинах, газах) та його використання. Електропровідність напівпровідників. Власна І домішкова провідність напівпровідників. Напівпровідниковий діод. Застосування напівпровідникових приладів

Електричний струм у різних середовищах (металах, рідинах, газах) та його використання. Електропровідність напівпровідників. Власна І домішкова провідність напівпровідників. Напівпровідниковий діод. Застосування напівпровідникових приладів

Електричний струм у різних середовищах (металах, рідинах, газах) та його використання. Електропровідність напівпровідників. Власна і домішкова провідність напівпровідників. Напівпровідниковий діод. Застосування напівпровідникових приладів.
1. Електричний струм у металах

Електронна теорія так пояснює відмінності у властивостях провідників і діелектриків: в одних тілах є вільні носії зарядів, які можуть переміщатися в різних напрямках, а в інших тілах носії електричних зарядів зв’язані й можуть лише трохи зміщуватися в ту або іншу сторону.

Природа носіїв зарядів у металах доведена класичними дослідами Рікке, Мандельштама–Папалекси й Толмена–Стюарта. Дослід Рікке дозволяє зробити висновок, що струм у металах забезпечують не іони, а електрони.

Прямі докази електронної природи струму в металі дали досліди Мандельштама– Папалекси (1913) і Толмена–Стюарта (1916).

У цих дослідах було встановлене відношення заряду електрона до його маси: ,

що відповідає встановленому раніше з інших дослідів.

З дослідів легко встановити, що опір металів залежить від температури. Якщо за температури 0 °С, опір провідника дорівнює R0 , а за температури T він дорівнює R, то відносна зміна опору, як показує дослід, прямо пропорційна зміні температури.

Під час нагрівання провідника його геометричні розміри змінюються незначною мірою.

Опір провідника змінюється в основному за рахунок зміни його питомого опору: .

Тут α — температурний коефіцієнт опору. Для чистих металів α ≈1/273 К-1 .

1911 року голландський фізик Камерлінг-Оннес виявив, що під час охолодження ртуті в рідкому гелії її опір спочатку змінюється поступово, а потім за температури 4,15 К різко знижується до нуля.

Явище, яке полягає в тому, що опір провідника за певної температури стає рівним нулю, називають надпровідністю.

Практичне застосування надпровідності набуває поширення.

Поряд з надпровідними магнітами, надпровідними магнітометрами існує ряд інших технічних пристроїв і вимірювальних приладів, заснованих на використанні різних властивостей надпровідників.
2. Електричний струм в електролітах

Як відомо, провідниками електричного струму можуть бути не тільки тверді тіла, але й рідини. Досліди показують, що електроліти (розчини солей, кислот і лугів у воді) є гарними провідниками електричного струму.

Процес розпаду молекул розчиненої речовини на іони під дією розчинника називається електролітичною дисоціацією.

Молекули речовин-розчинників складаються із взаємозалежних іонів протилежного знака (наприклад Na+ Cl- , H+ Cl- , K+ Cl- , Cu++ SO4- , ). Сили притягання між цими іонами забезпечують цілісність таких молекул.

Іони в електролітах рухаються хаотично, поки в рідину не опускаються електроди. Тоді на хаотичний рух іонів накладається їхній упорядкований рух до відповідних електродів і в рідині виникає електричний струм.

За іонної провідності проходження струму пов’язане з переносом речовини. На електродах відбувається виділення речовин, що входять до складу електролітів.

Процес виділення речовини на електродах під час проходження електричного струму через електроліт називають електролізом.

На аноді негативно заряджені іони віддають свої зайві електрони (у хімії цей процес називається окисною реакцією), а на катоді позитивні іони одержують відсутні електрони (відновна реакція).

Кожний іон, що у процесі електролізу нейтралізується на електроді й виділяється на ньому у вигляді нейтрального атома, має певну масу. Але разом з тим він переносить через електроліт певний заряд. Тому й маса речовини, що виділилася, і кількість електрики, що пройшла, пропорційні числу іонів, які підходять до цього електрода.

Кількісно закон електролізу був установлений на досліді Майклом Фарадеєм у першій половині XIX сторіччя. Фарадей установив, що

маса речовини m, , яка виділилася на електроді, пропорційна заряду q, який пройшов через електроліт:

m= kq.

Оскільки q = It, де I — сила струму, t — час проходження струму, то

m= kIt.

Сталу k називають електрохімічним еквівалентом речовини.

Зміст цього коефіцієнта можна з’ясувати з виразу:

Електрохімічний еквівалент чисельно дорівнює масі речовини в кілограмах, яка виділяється під час проходження 1 Кл електрики.
Технічне застосування електролізу

Гальванотехніка:

а) гальваностегія — покриття деталей тонким шаром металлу (золочення, нікелювання, хромування й т. ін.);

б) гальванопластика — відкладення товстого шару металу, який відшаровують і використовують самостійно (одержання матриць для друкованих пластинок, барельєф і т. ін.).

Електрометалургія — виділення чистих металів із природних сумішей (міді з мідного колчедану, алюмінію з розплавленого бокситу).

Очищення металевих деталей (деталь є анодом).
3. Електричний струм у газах

Гази, на відміну від металів і електролітів, складаються з електрично нейтральних атомів і молекул і за нормальних умов не містять вільних носіїв струму (електронів і іонів). Гази за нормальних умов є діелектриками.

Однак за деяких умов можна помітно підвищити електропровідність газу. Досить, наприклад, подіяти полум’ям сірника на повітря біля зарядженого електроскопа, як він відразу ж розряджається. Із цього досліду роблять висновок, що під дією полум’я повітря втрачає свої ізоляційні властивості, тобто в ньому з’являються вільні заряди. Повітря, як і інші гази, можна зробити електропровідним і через вплив на нього ультрафіолетового, рентгенівського й радіоактивного випромінювань.

Для відриву електрона від атома необхідна певна енергія, яку називають енергією іонізації.

Іонізація газів — відрив від їхніх атомів або молекул електронів.

Протилежним процесу іонізації газів є процес рекомбінації — возз’єднання протилежно заряджених частинок у нейтральні молекули.

Іонізатор щомиті створює в просторі між електродами деяке число іонів і електронів. Стільки ж іонів і електронів, з’єднуючись між собою, утворюють нейтральні атоми. Така динамічна рівновага існує доти, поки між електродами немає електричного поля.

Щойно між електродами буде створене поле, відразу ж на частинки, що несуть заряди різного знака, почнуть діяти сили, спрямовані в протилежні сторони. Тому, крім безладного руху, заряджені частинки будуть переміщатися в напрямку дії на них електричного поля. Це напрямлений рух частинок під дією електричного поля і являє собою струм у газі.

Процес протікання електричного струму через газ називають газовим розрядом.

Існує два види газового розряду — несамостійний і самостійний.

Якщо електропровідність газу виникає під дією іонізаторів, а з видаленням останнього зникає, то маємо несамостійний розряд.

Газовий розряд, який можна спостерігати тільки за наявності зовнішнього іонізатора, називають несамостійним газовим розрядом.

За певних умов струм у газах може проходити й без зовнішнього іонізатора.

Газовий розряд, що триває після того, як припиниться дія зовнішнього іонізатора, називається самостійним газовим розрядом.

Залежно від тиску газу, конфігурації електродів і параметрів зовнішнього кола існує чотири типи самостійних розрядів: тліючий, іскровий, коронний і дуговий.

Електричний розряд, що відбувається за низького тиску (частинки міліметра ртутного стовпа, тобто в тисячі разів менше від атмосферного тиску), називають тліючим розрядом. Тліючий заряд використовують у люмінесцентних лампах і газонаповнених рекламних трубках.

Іскровий розряд виникає в газі зазвичай за тисках порядку атмосферного. Він характеризується переривчастою формою. За зовнішнім виглядом іскровий розряд являє собою пучок яскравих зиґзаґоподібних тонких розгалужуваних смуг, які миттєво пронизують розрядний проміжок, швидко згасають і постійно змінюють одна одну. Ці смужки називають іскровими каналами.

За природних умов іскровий розряд спостерігається у вигляді блискавки. Іскровий розряд у незначних масштабах виникає, наприклад, у звичайних вимикачах, коли ми вимикаємо світло. На застосуванні іскрового розряду засновані методи електроіскрової обробки металів. Потужні, сильнострумові розряди у водні Були першими кроками на шляху до керованого термоядерного синтезу.

Коронний розряд виникає в сильному неоднорідному електричному полі за порівняно високих тисків газу (подібно до атмосферного). Таке поле можна одержати між двома електродами, поверхня одного з яких має велику кривину (тонкий дротик, вістря). Саме така ситуація виникає перед грозою або під час грози. Але в міру видалення від вістря поле швидко зменшується, тому вдалині від вістря електронна лавина не виникає.

Коронний розряд застосовують в електрофільтрах для очищення повітря. Іони, зіштовхуючись із часточками диму, заряджають їх, після чого заряджені частинки притягуються до електродів і осідають на них.

Якщо після одержання іскрового розряду від потужного джерела поступово зменшувати відстань між електродами, то розряд з переривчастого стає безперервним, виникає нова форма газового розряду, яка називається дуговим розрядом.

Температура за дугового розряду досягає 6000 °C (така температура на поверхні Сонця). Дуговий розряд використовують для електрозварювання металів. Значний внесок у розробку методів електрозварювання внесли українські вчені під керівництвом академіка А. Є. Патона — організатора й першого директора Інституту електрозварювання в Києві. Дуговий розряд також використовують у прожекторах, проекційних апаратах і в маяках. У металургії широко застосовують дугові електропечі, джерелом теплоти в яких є дуговий розряд. У таких печах виплавляють сталь, чавун, бронзу й інші метали.
4. Носії зарядів у напівпровідниках

Питомі опори напівпровідників за кімнатної температури мають значення, які перебувають у широкому інтервалі, тобто від 10-3 до 107 Ом∙м , і займають проміжне положення між металлами й діелектриками.

Напівпровідники — речовини, питомий опір яких дуже швидко убуває з підвищенням температури.

До напівпровідників належать багато хімічних елементів (бор, кремній, германій, фосфор, миш’як, селенів, телур і ін.), величезна кількість мінералів, сплавів і хімічних сполук. Майже всі неорганічні речовини навколишнього світу — напівпровідники.

За досить низьких температур і відсутності зовнішніх впливів (наприклад, висвітлення або нагрівання) напівпровідники не проводять електричний струм: за цих умов всі електрони в напівпровідниках є зв’язаними.

Однак зв’язок електронів зі своїми атомами в напівпровідниках не такий міцний, як у діелектриках. І в разі підвищення температури, а так само за яскравого освітлення деякі електрони відриваються від своїх атомів і стають вільними зарядами, тобто можуть переміщатися за всім зразком.

Завдяки цьому в напівпровідниках з’являються негативні носії заряду — вільні електрони.

Провідність напівпровідника, обумовлену рухом електронів, називають електронною.

Коли електрон відривається від атома, позитивний заряд цього атома стає нескомпенсованим, тобто в цьому місці з’являється зайвий позитивний заряд. Цей позитивний заряд називають «діркою». Атом, поблизу якого утворилася дірка, може відібрати зв’язаний електрон у сусіднього атома, при цьому дірка переміститься до сусіднього атома, а той атом, у свою чергу, може «передати» дірку далі.

Таке «естафетне» переміщення зв’язаних електронів можна розглядати як переміщення дірок, тобто позитивних зарядів.

Провідність напівпровідника, обумовлену рухом дірок, називають дірковою.

Таким чином, відмінність діркової провідності від електронної полягає в тому, що електронна провідність обумовлена переміщенням у напівпровідниках вільних електронів, а діркова — переміщенням зв’язаних електронів.

У чистому напівпровіднику (без домішок) електричний струм створює однакову кількість вільних електронів і дірок. Таку провідність називають власною провідністю напівпровідників.
5. Домішкова провідність напівпровідників

Якщо додати в чистий розплавлений кремній незначну кількість миш’яку (приблизно 10−5 %), після тверднення утворюється звичайна кристалічна решітка кремнію, але в деяких вузлах решітки замість атомів кремнію перебуватимуть атоми миш’яку.

Миш’як, як відомо, п’ятивалентний елемент. Чотиривалентні електрони утворюють парні електронні зв’язки із сусідніми атомами кремнію. П’ятому ж валентному електрону зв’язку не вистачить, при цьому він буде так слабко пов’язаний з атомом Миш’яку, який легко стає вільним. У результаті кожний атом домішки дасть один вільний електрон.



Домішки, атоми яких легко віддають електрони, називаються донорними.

Електрони з атомів кремнію можуть ставати вільними, утворюючи дірку, тому в кристалі можуть одночасно існувати й вільні електрони й дірки. Однак вільних електронів у багато разів буде більше, ніж дірок.

Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є електрони, називають напівпровідниками n -типу.

Якщо в кремній додати незначну кількість тривалентного індію, то характер провідності напівпровідника зміниться. Оскільки індій має три валентних електрони, то він може встановити ковалентний зв’язок тільки з трьома сусідніми атомами. Для встановлення зв’язку із четвертим атомом електрона не вистачить. Індій «позичить» електрон у сусідніх атомів, у результаті кожний атом Індію утворює одне вакантне місце — дірку.

Домішки, які «захоплюють» електрони атомів кристалічної решітки напівпровідників, називаються акцепторними.

У випадку акцепторної домішки основними носіями заряду під час проходження електричного струму через напівпровідник є дірки. Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є дірки, називають напівпровідниками p -типу.

Практично всі напівпровідники містять і донорні, й акцепторні домішки. Тип провідності напівпровідника визначає домішка з більш високою концентрацією носіїв заряду — електронів і дірок.
6. Електронно-дірковий перехід

Серед фізичних властивостей, властивих напівпровідникам, найбільшого застосування дістали властивості контактів ( p-n - переходу) між напівпровідниками з різними типами провідності.

У напівпровіднику n -типу електрони беруть участь у тепловому русі й дифундують через границю в напівпровідника p -типу, де їхня концентрація значно менше. Точно так само дірки будуть дифундувати з напівпровідника p -типу в напівпровідника n -типу.

Це відбувається подібно до того, як атоми розчиненої речовини дифундують із міцного розчину в слабкий у разі їх зіткнення.

У результаті дифузії приконтактна ділянка збіднюється основними носіями заряду: у напівпровіднику n -типу зменшується концентрація електронів, а в напівпровіднику p -типу — концентрація дірок. Тому опір приконтактної ділянки виявляється дуже значним.

Дифузія електронів і дірок через p-n - перехід призводить до того, що напівпровідник n -типу, з якого йдуть електрони, заряджається позитивно, а p -типу — негативно. Виникає подвійний електричний шар, що створює електричне поле, яке перешкоджає подальшій дифузії вільних носіїв струму через контакт напівпровідників. За деякої напруги між подвійним зарядженим шаром подальше збідніння приконтактної ділянки основними носіями припиняється.

Якщо тепер напівпровідник приєднати до джерела струму так, щоб його електронна область з’єднувалася з негативним полюсом джерела, а діркова — з позитивним, то електричне поле, створене джерелом струму, буде спрямовано так, що воно переміщатиме основні носії струму в кожній ділянці напівпровідника до p-n - переходу.

Приконтактна ділянка буде збагачуватися основними носіями струму, і її опір зменшиться. Через контакт проходитиме помітний струм. Напрямок струму в цьому випадку називають пропускним, або прямим.

Якщо ж приєднати напівпровідник n -типу до позитивного, а p -типу до негативного полюса джерела, то приконтактна ділянка розширюється. Опір області значно збільшується. Струм через перехідний шар буде дуже малий. Цей напрямок струму називають замикаючим, або зворотним.

7. Напівпровідникові діоди й транзистори

Отже, через границю розділу напівпровідників n-типу й p-типу електричний струм іде тільки в одному напрямку — від напівпровідника p-типу до напівпровідника n-типу.

Це використовують у пристроях, які називають діодами.

Напівпроводникові діоди використовують для випрямлення струму змінного напрямку (такий струм називають змінним), а також для виготовлення світлодіодів. Напівпровідникові випрямлячі мають високу надійність і тривалий термін використання.

Широко застосовують напівпровідникові діоди в радіотехнічних пристроях: радіоприймачах, відеомагнітофонах, телевізорах, комп’ютерах.

Ще більш важливим застосуванням напівпровідників став транзистор. Він складається із трьох шарів напівпровідників: по краях розташовано напівпровідники одного типу, а між ними — найтонший прошарок напівпровідника іншого типу. Широке застосування транзисторів обумовлене тим, що з їх допомогою можна підсилювати електричні сигнали. Тому транзистор став основним елементом багатьох напівпровідникових приладів.
8. Інтегральні мікросхеми

Напівпровідникові діоди й транзистори є «цеглинками» дуже складних пристроїв, які називають інтегральними мікросхемами.

Мікросхеми «працюють» сьогодні в комп’ютерах і телевізорах, у мобільних телефонах і штучних супутниках, в автомобілях, літаках і навіть у пральних машинах. Інтегральну схему виготовляють на пластинці кремнію. Розмір пластинки — від міліметра до сантиметра, причому на одній такій пластинці може розміщуватися до мільйона компонентів — малюсіньких діодів, транзисторів, резисторів і т. ін.

Важливими перевагами інтегральних схем є висока швидкодія й надійність, а також низька вартість. Саме завдяки цьому на основі інтегральних схем і вдалося створити складні, але доступні багатьом прилади, комп’ютери й предмети сучасної побутової техніки.

поділитися в соціальних мережах



Схожі:

Електричний струм в рідинах та його використання. 11 клас. Мета уроку
Мета уроку: з’ясувати природу процесів, що зумовлюють електричний струм в електролітах, повторити І поглибити поняття електричної...

План уроку. Етапи
Електричний струм у газах. Самостійний І несамостійний розряди. Застосування струму в газах у побуті, в промисловості, техніці

Електричний струм в напівпровідниках
Залежність провідності речовин від температури, наявності домішок та освітленості

Електричний струм у напівпровідниках. 9 клас
Чому незважаючи на малу швидкість впорядкованого руху електронів у металевому провіднику, прилади починають діяти одночасно при вмиканні...

Тема: Кам’яне вугілля, продукти його переробки
Мета: Формувати в учнів уявлення про природні джерела вуглеводнів. З’ясувати роль кам’яного вугілля як джерела різних хімічних речовин....

Тема: Кам’яне вугілля, продукти його переробки
Мета: Формувати в учнів уявлення про природні джерела вуглеводнів. З’ясувати роль кам’яного вугілля як джерела різних хімічних речовин....

Методична розробка уроку гри з матеріалознавства на тему : «Портландцемент,...
«Штукатур», кваліфікація ІІ розряд. Тому під час вивчення теми уроку «Портландцемент, його виготовлення, та застосування», викладач...

Про використання можливостей навчальних програм для досягнення позитивних...
Розроблення механізму стійкого інноваційного розвитку природничо-математичної освіти та його застосування у шкільній практиці – крок...

Поглинання та випромінювання світла атомом. Неперервний І лінійчастий...
Мета уроку: познайомити учнів з видами спектрів, розглянути поглинання та випромінювання світла атомом, з’ясувати як відбувається...

Дослідження можливості застосування вищої водної рослинності для...
Нестійкий ріст народонаселення Землі, поліпшення його культурно-побутового обслуговування, розвитку промисловості й сільського господарства...



База даних захищена авторським правом © 2017
звернутися до адміністрації

h.lekciya.com.ua
Головна сторінка