Закон Ома для повного кола

За законом Ома сила струму в замкненому колі , де r — опір джерела струму (внутрішній опір), R — опір споживачів електричної енергії і з’єднувальних провідників. Закон Ома для ділянки U= IR. З класичної теорії електропровідності металів можна зробити висновок, що при замиканні електричного ланцюга кожний вільний електрон металу під дією сил електричного поля починає рухатися з прискоренням а=Ее/m, де Е - напруженість електричного поля; m - маса електрона.

До зіткнення з іоном гратки електрон рухається впродовж часу вільного пробігу . Максимальна швидкість електрона перед зіткненням з іоном v_m=a. Час вільного пробігу електрона залежить від середньої довжини вільного пробігу і середньої швидкості його теплового руху

.

Тоді максимальна швидкість спрямованого руху електрона

.

а середня швидкість спрямованого руху електрона

.

№118 Густина струму. Закон Ома у локальній формі.

Густина струму за напрямом збігається з напрямом струму і вимірюється величиною заряду, що переноситься за одиницю часу через одиничну площину, перпендикулярну до напряму струму: j=dq/dS*dt=dI/dS. Якщо провідник однорідний і струм рівномірно розподілений по всьому перерізу: j=I/S. Густини струмів у різних перерізах провідника обернено пропорційні площам цих перерізів. Урахувавши, що q=en₀Sl, j=en₀v, де v=l/t – середня швидкість упорядкованого руху заряджених частинок; е – елементарний заряд. Отже густина струму визначається густиною носіїв зарядів і швидкістю їх упорядкованого руху. Закон Ома:сила струму в провіднику прямо пропорційна різниці потенціалів на кінцях провідника й обернено пропорційна опору на кінцях цього провідника

I=U/R. A=В/Ом. Закон порушується в тих випадках, коли в провідниках не вистачає носіїв електричних зарядів і настає насичення, наприклад, коли струм проходить через іонізований газ. Закон Ома виражає лінійну залежність величини струму від напруги:

Графік функції І=f (U) назив вольт-амперною характеристикою даного провідника.

№119 Провідність та питомий опір речовини.

Пито́мий о́пір — кількісна характеристика речовини, якою визначається здатність створювати опір електричному струму. Позначається зазвичай грецькою літерою ρ.

Одиниця вимірювання питомого опору в системі СІ — Ом*м або Ом*м²/м.

Питомий опір використовується для характеристики провідників і напівпровідників в умовах, коли виконується закон Ома. Питомий опір — обернена величина до питомої провідності σ. Найменший питомий опір мають срібло, мідь, алюміній. Для хімічно чистих металів у межах температур Т=273-373 К опір провідника лінійно залежить від температури. Істотний вплив на опір провідника мають домішки. Сплави мають більший питомий опір. Із зниженням температури і наближенням до абсолютного нуля опір провідників зменшується.

Опір провідника довжиною l і з поперечним перерізом S визначається співвідношенням.

Питомий опір провідників зростає зі збільшенням температури. Це явище зумовлене посиленням хаотичного руху атомів, а отже збільшенням частоти розсіяння носіїв заряду. Для напівпровідників питомий опір здебільшого зменшується при підвищенні температури, з-за росту концентрації носіїв заряду.

Провідність – здатність тіла, речовини проводити тепло, звук, електрику, іншу плинну речовину (газ, рідину) тощо. Відповідно розрізняють теплопровідність, звукопровідність, електропровідність, провідність пласта і т.д.

• Електропровідність — здатність речовини проводити електричний струм.

• Теплопровідність — здатність речовини переносити теплову енергію, а також кількісна оцінка цієї здатності.

• Звукопровідність

Величина σ, обернена до питомого опору провідника, називається питомою електропровідністю: σ=1/ρ. Питому провідність вимірюють у сименсах на метр: См/м. Залежно від електропровідності всі речовини поділяють на провідники, діелектрики і напівпровідники. Електропровідність змінюється при зміні температури, тику, агрегатного стану і залежить від електричного та магнітного полів, опромінення

№120 Електроопір лінійних провідників. Закон Ома для ділянки кола.

Суть опору зводиться до витрат енергії джерел на роботу проти сил взаємодій рухомих заряджених частинок з навколишнім середовищем, зокрема в твердих тілах – проти сил взаємодії рухомих електронів з іонами кристалічної решітки. Звичайно за опором тіла поділяються на три класи: провідники, напівпровідники та ізолятори. Цей поділ умовний, тому що опір провідника залежить від таких факторів: роду матеріалу, розмірів, домішок, деформацій, температури. При заданій температурі опір однорідного провідника з незмінним перерізом S дорівнює: R=ρ*l/S, де l– довжина провідника, ρ- питомий опір провідника. Для існування електричного струму в речовині мають бути вільні заряджені частинки і створена між кінцями провідника різниця потенціалів. Закон Ома:сила струму в провіднику прямо пропорційна різниці потенціалів на кінцях провідника й обернено пропорційна опору на кінцях цього провідника

I=U/R. A=В/Ом. Закон порушується в тих випадках, коли в провідниках не вистачає носіїв електричних зарядів і настає насичення, наприклад, коли струм проходить через іонізований газ. Закон Ома виражає лінійну залежність величини струму від напруги:

Графік функції І=f (U) назив вольт-амперною характеристикою даного провідника.

Електрична енергія від джерела струму передається по проводах споживачам: електродвигунам, лампам, нагрівальним приладам, телевізорам, радіоприймачам тощо. За допомогою з’єднувальних провідників і вимикачів в електричне коло часто вмикають також вимірювальні прилади: амперметри, вольтметри, омметри, лічильники електричної енергії тощо.

№121 Закон Джоуля-Лєнца.

Закон Джоуля - Ленца - фізичний закон, що дає кількісну оцінку теплового дії електричного струму. Встановлено в 1841 році Джеймсом Джоулем і незалежно від нього в 1842 Емілем Ленцов.

У словесній формулюванні звучить таким чином

Потужність тепла, що виділяється в одиниці обсягу середовища при протіканні електричного струму, пропорційна добутку щільності електричного струму на величину електричного поля

Математично може бути виражений в такій формі:

де w - Потужність виділення тепла в одиниці об'єму, - Щільність електричного струму, - напруженість електричного поля, σ - провідність середовища.

Закон також може бути сформульований в інтегральній формі для випадку протікання струмів в тонких проводах :

Кількість теплоти, що виділяється в одиницю часу в даній ділянці ланцюга, пропорційно добутку квадрата сили струму на цій ділянці і опору ділянки

У математичній формі цей закон має вигляд

де dQ - кількість теплоти, що виділяється за проміжок часу dt, I - сила струму, R - опір, Q - повна кількість теплоти, виділене за проміжок часу від t 1 до t 2. У випадку постійних сили струму і опору:

.

Зниження втрат енергії.

При передачі електроенергії теплова дія струму є небажаним, оскільки веде до втрат енергії. Оскільки передана потужність лінійно залежить як від напруги, так і від сили струму, а потужність нагріву залежить від сили струму квадратично, то вигідно підвищувати напругу перед передачею електроенергії, знижуючи в результаті силу струму. Однак, підвищення напруги знижує електробезпека ліній електропередачі.

Для застосування високої напруги в ланцюзі для збереження колишньої потужності на корисному навантаженні доводиться збільшувати опір навантаження. Підвідні проводи й навантаження з'єднані послідовно. Опір проводів ( ) Можна вважати постійним. А от опір навантаження ( ) Росте при виборі більш високої напруги в мережі. Також зростає співвідношення опору навантаження і опору проводів. При послідовному включенні опорів (провід - навантаження - провід) розподіл виділеної потужності ( ) Пропорційно опору підключених опорів.

Струм в мережі для всіх опорів постійний. Отже, виконуються співвідношення

І кожному конкретному випадку є константами. Отже, потужність, що виділяється на проводах, обернено пропорційна опору навантаження, тобто зменшується із зростанням напруги, так як . Звідки випливає, що . В кожному конкретному випадку величина є константою, отже, тепло виділяється на дроті назад пропорційно квадрату напруги на споживачеві

№122 Паралельне та послідовне з' єднання резисторів.

Послідовне і паралельне з'єднання резисторів. Значне число приймачів, включених в електричний ланцюг (електричні лампи, електронагрівальні прилади тощо), можна розглядати як деякі елементи, що мають певний опір. Ця обставина дає нам можливість при складанні і вивченні електричних схем замінювати конкретні приймачі резисторами з певними опорами. Розрізняють такі способи з'єднання резисторів (приймачів електричної енергії): послідовне і паралельне

Послідовне з'єднання резисторів. При послідовному з'єднанні декількох резисторів кінець першого резистора з'єднують з початком другого, кінець другого - з початком третього і т. д. При такому з'єднанні по всіх елементах послідовного ланцюга проходить один і той же струм I.

Якщо прийняти, що в джерелі Ro = 0, то для трьох послідовно з'єднаних резисторів згідно з другим законом Кірхгофа можна написати:

E = IR1 + IR2 + IR3 = I(R1 + R2 + R3) = IRэк

Де Rэк = R1 + R2 + R3.

Отже, еквівалентний опір послідовного ланцюга дорівнює сумі опорів всіх послідовно з'єднаних резисторів.Так як напруги на окремих ділянках ланцюга згідно із законом Ома: U1=IR1; U2 = IR2, U3 = IRз і в цьому випадку E = U, то для ланцюга, що розглядається: U = U1 + U2 +U3.

Отже, напруга U на затискачах джерела дорівнює сумі напруг на кожному з послідовно включених резисторів.

Із зазначених формул слід також, що напруги розподіляються між послідовно з'єднаними резисторами пропорційно їх опорам:

U1 : U2 : U3 = R1 : R2 : R3

Тобто чим більший опір будь-якого приймача в послідовного ланцюга, тим більше прикладена до нього напруга.

У разі якщо послідовно з'єднуються декілька, наприклад n, резисторів з однаковим опором R1, еквівалентний опір ланцюга Rек буде в n разів більше опору R1, тобто Rек = nR1. Напруга U1 на кожному резисторі в цьому випадку в n разів менше загальної напруги U:

U1 = U / n.

При послідовному з'єднанні приймачів зміна опору одного з них відразу ж тягне за собою зміну напруги на інших пов'язаних з ним приймачах. При виключенні або обриві електричного кола в одному з приймачів і в інших приймальниках припиняється струм. Тому послідовне з'єднання приймачів застосовують рідко - тільки в тому випадку, коли напруга джерела електричної енергії більше номінальної напруги, на яке розрахований споживач. Наприклад, напруга в електричній мережі, від якої живляться вагони метрополітену, складає 825 В, номінальне ж напруга електричних ламп, що застосовуються в цих вагонах, 55 В. Тому в вагонах метрополітену електричні лампи включають послідовно по 15 ламп в кожному ланцюзі.

Паралельне з'єднання резисторів. При паралельному з'єднанні декількох приймачів вони включаються між двома точками електричного кола, утворюючи паралельні гілки.

При паралельному з'єднанні до всіх резисторам докладено однакову напругу U. Тому згідно закону Ома:

I1 = U/R1; I2 = U/R2; I3 = U/R3.

Струм в нерозгалужене частини ланцюга згідно з першим законом Кірхгофа I = I1 + I2 + I3, або

I = U / R1 + U / R2 + U / R3 = U (1/R1 + 1/R2 + 1/R3) = U / Rек

Отже, еквівалентний опір розглянутої ланцюга при паралельному з'єднанні трьох резисторів визначається формулою

1/Rек = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3

Вводячи в формулу замість значень 1/Rек, 1/R1, 1/R2 і 1/R3 відповідні провідності Gек, G1, G2 та G3, отримаємо: еквівалентна провідність паралельного кола дорівнює сумі проводимостей паралельно з'єднаних резисторів:

Gек = G1 + G2 + G3

Таким чином, при збільшенні числа паралельно включаються резисторів результуюча провідність електричного кола збільшується, а результуюче опір зменшується.

З наведених формул випливає, що струми розподіляються між паралельними гілками обернено пропорційно їх електричним опорам або прямо пропорційно їх провідність. Наприклад, при трьох гілках

I1: I2: I3 = 1/R1: 1/R2: 1/R3 = G1 + G2 + G3 (26)

В цьому відношенні має місце повна аналогія між розподілом струмів по окремих галузях і розподілом потоків води по трубах.

Наведені формули дають можливість визначити еквівалентний опір ланцюга для різних конкретних випадків. Наприклад, при двох паралельно включених резисторах результуюче опір ланцюга

Rек = R1R2 / (R1 + R2)

при трьох паралельно включених резисторах

Rек = R1R2R3 / (R1R2 + R2R3 + R1R3)

При паралельному з'єднанні декількох, наприклад n, резисторів з однаковим опором R1 результуюче опір ланцюга Rек буде в n разів менше опору R1, тобто

Rек = R1 / n

Проходить по кожній гілці ток I1, в цьому випадку буде в п разів менше загального струму:

I1 = I / n

П ри паралельному з'єднанні приймачів, всі вони знаходяться під одним і тим же напругою, і режим роботи кожного з них не залежить від інших. Це означає, що струм, що проходить по якомусь з приймачів, не буде мати істотного впливу на інші приймачі. При всякому виключенні або виході з ладу будь-якого приймача інші приймачі залишаються включеними. Тому паралельне з'єднання має істотні переваги перед послідовним, внаслідок чого воно отримало найбільш широке поширення. Зокрема, електричні лампи і двигуни, призначені для роботи при певному (номінальному) напрузі, завжди включають паралельно.

На електровозах постійного струму і деяких тепловозах тягові двигуни в процесі регулювання швидкості руху потрібно включати під різні напруги, тому вони в процесі розгону перемикаються з послідовного з'єднання на паралельне.

№123 Перше та друге правила Кірхгофа на прикладах.

Закони Кірхгофа 1 закон. I (відноситься до вузла) Сума струмів, які підходять до вузла дорівнює сумі струмів, які виходять з вузла. II Алгебраїчна сума струмів у вузлі дорівнює 0 2 закон. (відноситься до контуру) Алгебраїчна сума ЕРС, які включені в контур = алгебраїчній сумі падінь напруг на резисторах контуру.

Порядок складання рівнянь

-Довільно вказуємо напрям струмів в вітках (один раз)

-В алгебраїчній сумі по першому закону (друге формулювання) зі знаком плюс враховуються ті струми, які підходять до вузла, зі знаком мінус – які виходять з вузла.

-В другому законі Кірхгофа в алгебраїчній сумі ЕРС зі знаком плюс враховуються ті ЕРС, які співпадають з напрямом обходу контуру, якщо ні – зі знаком мінус. В алгебраїчній сумі падінь напруги зі знаком плюс враховуються напруги на тих резисторах, струм через яких співпадає з обходом контуру, якщо ні зі знаком мінус.

Приклад до закону Кірхгофа

I1=I2+I3 ; I1-I2-I3=0

E1-E2=I1R1+I2R2

-E2+E3=-I2R2+I3R3

E1+E3=I1R1+I3R3

Нерозгалужене електричне коло

1Довільно вказуємо напрямок струму

2По другому закону Кірхгофа складаємо рівняння:

Якщо струм при розрахунку зі знаком мінус, то дійсний напрямок струму протилежний вибраному. Рівняння ? помножимо на струм I :

‚ В лівій частині виразу кожна складова EI – являє собою потужність джерела енергії. В правій частині кожна складова являє собою потужність споживача. Вираз ‚ - це математичне вираження балансу потужності (закон збереження енергії).

Послідовне з’єднання елементів кола Напруги на резисторах при послідовному з’єднанні розподіляються прямо пропорційно їх опорів.

U1=IR1

U2=IR2 Згідно другому закону Кірхгофа можна записати:

U=U1+U2

U=IR1+IR2 *I

№124 Загальна характеристика напівпровідників

Напівпровідниками називають речовини, в яких питомий опір більший, ніж у металах, і менший, ніж у діелектриках, а провідність має електронний або дірковий характер.

Термічний коефіцієнт опору (ТКО) напівпровідника  ( -електричний опір) лише при низьких температурах додатний, а при інших - від'ємний, тобто при підвищенні температури опір напівпровідника зменшується.

Напівпровідники класифікують за їх механізмом провідності: власні напівпровідники (власна провідність); домішкові напівпровідники -типу (провідність -типу); домішкові напівпровідники р-типу (провідність р-типу).

Напівпровідник – це речовина, в якій при температурі Т=0К над повністю заповненою зоною лежить пуста зона (тобто відсутня поверхня Фермі), але зазор між цими зонами (заборонена зона) достатньо малий, щоб кількість електронів, «закинутих» тепловим рухом у верхню (пусту при Т=0К) зону, давала суттєвий вклад в електропровідність та інші явища.

Для напівпровідників найбільш цікавими є дві ізоенергетичні поверхні: верхня границя валентної зони і нижня границя (дно) зони провідності, оскільки найбільша кількість «активних» (що роблять внесок у провідність та інші процеси) носіїв заряду знаходиться поблизу них.

№125 Електропровідність напівпровідників

Напівпровідники – великий клас речовин, питомий опір яких змінюється у широких межах зі зміною температури найбільш типовими напівпровідниками, що широко використовують з добре вивченими властивостями, є германій, кремній, арсен, галій, та телур. У періодичній системі напівпровідники утворюють окрему групу елементів. Позитивний заряд ядер атомів та негативний заряд електронів періодично повторюються , тобто потенціал електричного поля у кристалі ф є тривимірно періодичним :

Ф(х+a,y,z) = ф(x,y,z)

Ф(x,y+b,z) = ф(x,y,z)

Ф(x,y,z+c) =ф(x,y,z) де а,b,c перыоди потенцыалу електричного поля уздрвж осей x,y,z.

Розрахунки свідчать , що рівні енергії електрона, що рухається у такому періодичному полі, утворюють окремі смуги . ці смуги називаються зонами дозволеної енергії, або дозволеними зонами. Дозволені зони відокремлені одна від одної інтервалами заборонених значень енергії(забороненими зонами)

Перехід електронів з однієї зони в іншу відбувається способом поглинання або віддавання енергії, достатньої для перекидання електрона через заборонену зону.

Валентні електрони атомів кристала через екранування внутрішніми шарами електронів мають слабший зв'язок з ядрами,ніж внутрішні електрони.

Електропровідність хімічно чистого напівпровідника називають власною провідністю.Електронна провідність (провідність n-типу) виникає внаслідок перекидання електронів із валентної енергетичної зони (найвищої зони,повністю заповненої електронами) у зону провідності.

Власні напівпровідники зазвичай мають невелику концентрацію вільних носіїв заряду, електронів та дірок, яка залежить від ширини забороненої зони та температури. При збільшенні температури концентрація вільних електронів та дірок дуже швидко зростає. Ефект цього зростання набагато перевищує ефект від збільшення частоти актів розсіяння, тож провідність власних напівпровідників різко збільшується при високих температурах.

Питома електропровідність γ напівпровідника зростає з підвищенням температури Т:

γ = γ˳е ^(-∆Wₒ/(2kT)) , де k – стала Боцмана.

Електричний опір напівпровідників зменшується з підвищенням температури. Це є важливою відмінністю напівпровідників від металів.

Крім нагрівання, провідність напівпровідників може бути спричинена дією досить сильного електричного поля або освітлення (фотопровідність напівпровідників).

Перекидання електронів із валентної зони у зону провідності створює у раніше заповненій зоні напівпровідника вакантні енергетичні рівні. Рух електрона, що знаходиться у цій зоні, піл впливом електричного поля є еквівалентним руху позитивного заряду (дірки), що чисельно дорівнює заряду електрона. Дірки переміщуються у напрямі напруженості електричного поля. Провідність, обумовлену дірками, називають дірковою провідністю, або провідністю р-типу.

Загальна питома провідність напівпровідників складається з провідностей п- та р-типів:

γ = еп_еи_е+еп_ди_д

де е – абсолютна величина заряду одиничного носія струму (заряду електрона); п_е , п_д – концентрації електронів та дірок (однакові); и_е , и_д – рухливості електронів та дірок, що є різними внаслідок різниці в ефективних масах та у часі вільних пробігів цих частинок.

Контакти між областями n-типу й p-типу, які називають p-n переходами мають особливу односторонню провідність. На цьому факті базується робота різноманітних напівпровідникових пристроїв - діодів, транзисторів, фотодіодів, напівпровідникових сонячних елементів, активного шару копіювальних машин, лазерних принтерів тощо.

№126 Закони Вольта. Термопара.

Закони Вольта

1. На контакті двох різних металів виникає різниця потенціалів, яка залежить від хімічної природи і від температури спаїв.

2. Різниця потенціалів на кінцях послідовно з'єднаних провідників не залежить від проміжних провідників і дорівнює різниці потенціалів, що виникає при з'єднанні крайніх провідників при тій же температурі (закон послідовних контактів Вольта).

Термопара

Термопа́ра — чутливий елемент термоелектричного перетворювача у вигляді двох ізольованих провідників з різнорідних матеріалів, з'єднаних на одному кінці, принцип дії якого ґрунтується на використанні термоелектричного ефекту для вимірювання температури^[1]. Використовується у устаткуванні для вимірювання температури, а також для прямого перетворення енергії тепла в електричну енергію у тих випадках, коли доцільно уникнути рухомих деталей (наприклад, у космосі). Поглинання тепла при проходженні електричного струму через контакт використовується в холодильниках тощо.

Термопару використовують як чутливий елемент (первинний вимірювальний перетворювач) у засобах контролю температури в печах. Термопара являє собою металічний провід з особливих сплавів, дві жили якого спаяні між собою, і спай розміщений в контрольовану зону печі.^[2] Вільні кінці проводу виведені за межі нагрівальної зони та з'єднані з приладом, що показує перетворений сигнал одержаний від спаю термопари. Термопара, що перебуває в печі, захована у вогнестійкий чохол, що захищає її від агресивного середовища печі.^[2]

Принцип дії

Принцип дії термопари базується на термоелектричних явищах. Термопара складається з двох провідників, сполучених кінцями так, що вони утворюють два контакти. Контакти поміщають в середовища з різною температурою. Технічні вимоги до термопар визначаються ДСТУ 2857-94^[3] та ДСТУ IEC 60584^[4][5][6]

Термометр

Принцип дії термопари заснований на ефекті Зеєбека, інакше термо-ЕРС. Коли кінці провідника піддати різним температурам, між ними виникає різниця потенціалів, пропорційна різниці температур, коефіцієнт пропорційності називають коефіцієнт термо-ЕРС. У різних металів коефіцієнт термо-ЕРС різний, і відповідно різниця потенціалів, що виникає між кінцями різних провідників, буде різна. Помістивши спай з металів з відмінними коефіцієнтами термо-ЕРС в середовище з температурою , ми отримаємо напругу між протилежними контактами, що піддані іншій температурі , яка буде пропорційна різниці температур і .

Джерело живлення

Електрорушійна сила, що виникає в термопарі, між нагрітим і холодним кінцем, може використовуватися як джерело живлення. Ефективність такого джерела невисока, але в певних умовах, наприклад, в космосі, далеко від Сонця, таке джерело незамінне, зважаючи на відсутність рухомих частин. Для нагрівання гарячого кінця термопари в космічних апаратах використовують тепло від радіоактивного розпаду.

Нагрівач або холодильник

Термопари застосовують також у нагрівачах та холодильниках, використовуючи ефект Пельтьє. При проходженні електричного струму через контакти термопари один із них нагрівається, а другий охолоджується.

№127 Характеристика електронно-діркового переходу.

Електронно-дірковий перехід є основним структурним елементомбільшості напівпровідникових приладів, його властивостями визначається принципдії і функціональні можливості цих приладів.

Динамічне рівновагу процесів дифузії та дрейфу в електронно-доречний переході.

Приймемо, що в розглянутій pn-структурі концентрація дірок удоречний області вищі, ніж в електронній (pp> pn), а концентрація електронівв електронній області вищі, ніж в доречний (nn> np), на кордоні електронної тадоречний областей існує градієнт концентрації носіїв заряду,викликає дифузійний струм: дірок з p-області в n-область і електронів зn-області в p-область. Дифузійний перенос заряджених частиноксупроводжується порушенням електричної нейтральності напівпровідника вбезпосередній близькості від кордону областей: в p-області внаслідок ухиленнядірок виникає не скомпенсовані негативний заряд, а в n-областівнаслідок ухилення електронів - позитивний заряд. У результаті дірковийобласть здобуває негативний потенціал щодо електронноїобласті і в перехідному шарі створюється електричне поле, що викликаєдрейфовий струм.

Але при відсутності зовнішнього поля результуючий струм в напівпровідникумає дорівнювати нулю, цю умову динамічної рівноваги процесів впереході. Отже, дифузійний струм в переході, що викликається градієнтомконцентрації носіїв заряду, має врівноважуватися зустрічним дрейфуючійструмом, обумовленим напруженістю власного електричного поля E впереході:

Таким чином, в електронно-доречний переході завжди існуютьградієнт концентрації заряду, що викликає дифузію дірок і електронів, ізумовлений ним градієнт потенціалу власного електричного поляdu/dx =- E, що викликає зустрічні дрейфуючі струми, що врівноважуютьдифузійні струми:

Наявність цих градієнтів в pn-переході обумовлює істотневідмінність його електрофізичних властивостей від властивостей, прилеглих до нього p-і n -областей.

№128 Напівпровідниковий діод. Напівпровідниковий тріод.

Напівпровіднико́вий діо́д— це напівпровідниковий прилад з одним випрямним електричним переходом і двома зовнішніми виводами.

Випрямним електричним переходом, в напівпровідникових діодах, може бути електронно-дірковий перехід, гіперперехід або контакт метал-напівпровідник.

Напівпровідник-напівпровідник

Якщо сплавити напівпровідники з різними типами провідності (n— та p-провідністю), то на межах їх стику утворюється p-n перехід. Вільні електрони з області напівпровідника з n-провідністю рекомбінують з «дірками» напівпровідника з p-провідністю. Утворюється нейтральний шар, який розділяє дві області з електричними зарядами. Створюється різниця потенціалів. Якщо подати напругу негативним знаком на n-область та позитивним на p-область, то електрони будуть здатні подолати нейтральний бар'єр і через діод потече струм (пряме увімкнення діода). Якщо подати напругу позитивним знаком на n-область, а негативним на p-область, то нейтральний шар розшириться і струм протікати не буде.

Напівпровідниковий діод виготовлений в результаті контакту двох речовин «холодним спаєм»

***режим пропускний роботи НПД

* **режим запірний роботи НПД

Робота НПД- робота електронного ключа(або пропускає струм, або закриває)

* **подвійним елекронним ключем є транзистор або тріод

Е-емітер, К-колектор, Б-база

Транзистор складається з трьох напівпровідникових кристалів із домішковою провідністю. Створено транзистори з різним чергуванням кристалів: n-p-n або p-n-p.

Транзистор має два основні застосування: у якості підсилювача і у якості перемикача.

Підсилювальні властивості транзистора зв'язані з його здатністю контролювати великий струм між двома електродами за допомогою малого струму між двома іншими електродами. Таким чином малі зміни величини сигналу в одному електричному колі можуть відтворюватися з більшою амплітудою в іншому колі.

Використання транзистора у якості перемикача пов'язане з тим, що приклавши відповідну напругу до одного з його виводів, можна зменшити практично до нуля струм між двома іншими виводами, що називають запиранням транзистора. Цю властивість використовують для побудови логічних вентилів.

№129 Термоелектричні явища. Ефекти Зеєбека та Пельт'є

Термоелектричні явища — ряд явищ, які пов'язують між собою електричний струм та потоки тепла в речовинах і контактах між ними.

Область фізики які вивчає ці явища називається термоелектрикою.

До термоелектричних явищ належать:

Ефект Зеебека,Ефект Пельтьє,Ефект Томсона.

Ефект Зеєбека - явище виникнення ЕРС в замкнутому електричному ланцюзі, що складається з послідовно з'єднаних різнорідних провідників, контакти між якими знаходяться при різних температурах.

Ефект Зеєбека також іноді називають просто термоелектричним ефектом.

Ефект Зеєбека полягає в тому, що в замкнутій ланцюга, що складається з різнорідних провідників, виникає ЕРС (термоерс), якщо місця контактів підтримують при різних температурах. Ланцюг, що складається тільки з двох різних провідників називається термоелементом або термопарою.

Величина виникаючої термоерс залежить тільки від матеріалу провідників і температур гарячого ( ) і холодного ( ) контактів.

У невеликому інтервалі температур термоерс можна вважати пропорційною різниці температур:

, де - термоелектрична здатність пари (або коефіцієнт термоерс).

У простому випадку коефіцієнт термоЕРС визначається лише матеріалами провідників, проте строго кажучи, він залежить і від температури, і в деяких випадках з зміною температури змінює знак. Більш коректне вираз для термоедс:

Величина термоедс становить мілівольт при різниці температур в 100 К і температурі холодного спаю в 0 ° С (наприклад, пара мідь-константан дає 4,25 мВ, платина-платинородій - 0,643 мВ, ніхром-нікель - 4,1 мВ).Залежність від температури контактної різниці потенціалів. Контактна різниця потенціалів викликана відмінністю енергій Фермі у контактуючих різних провідників. При створенні контакту хімічні потенціали електронів стають однаковими, і виникає контактна різниця потенціалів, що дорівнює

, де - енергія Фермі, Є-заряд електрона.

На контакті тим самим існує електричне поле, локалізоване в тонкому пріконтактному шарі. Якщо скласти замкнутий ланцюг з двох металів, то U виникає на обох контактах. Електричне поле буде направлено однаковим чином в обох контактах - від більшого F до меншого. Це означає, що якщо зробити обхід по замкнутому контуру, то в одному контакті обхід відбуватиметься по полю, а в іншому - проти поля. Циркуляція вектора Е тим самим буде дорівнює нулю.

Якщо температура одного з контактів зміниться на dT, то, оскільки енергія Фермі залежить від температури, U також зміниться. Але якщо змінилася внутрішня контактна різниця потенціалів, то змінилося електричне поле в одному з контактів, і тому циркуляція вектора Е буде відмінна від нуля, тобто з'являється ЕРС в замкнутому ланцюзі.

Дана ЕРС називається контактна ЕРС.

Якщо обидва контакти термоелемента знаходяться при одній і тій же температурі, то і контактна, і об'ємна термоедс зникають.

Ефект Пельтьє - термоелектричне явище, при якому відбувається виділення або поглинання тепла при проходженні електричного струму в місці контакту (спаю) двох різнорідних провідників. Величина виділяється тепла і його знак залежать від виду контактуючих речовин, напрямку і сили протікає електричного струму:

Q = ПАBI = (ПB-ПA)I, де

Q - кількість виділеного або поглинутого тепла;

I - сила струму;

П - коефіцієнт Пельтье, який пов'язаний з коефіцієнтом термо-ЕРС α друге співвідношення Томсона П = αT, де Т - абсолютна температура в K.

Ефект відкритий Ж. Пельтьє в 1834 році, суть явища досліджував кількома роками пізніше - в 1838 році Ленц, який провів експеримент, в якому він помістив краплю води в поглиблення на стику двох стрижнів з вісмуту і сурми. При пропущенні електричного струму в одному напрямку крапля перетворювалася на лід, при зміні напрямку струму - лід танув, що дозволило встановити, що залежно від напрямку протікає в експерименті струму, крім джоулева тепла виділяється або поглинається додаткове тепло, яке отримало назву тепла Пельтье. Ефект Пельтье «обернений» ефекту Зеєбека.

Ефект Пельтье більш помітний у напівпровідників, ця властивість використовується в елементах Пельтье.

Причина виникнення явища Пельтье полягає в наступному. На контакті двох речовин є контактна різниця потенціалів, яка створює внутрішнє контактне поле. Якщо через контакт протікає електричний струм, то це поле буде або сприяти проходженню струму, або перешкоджати. Якщо струм йде проти контактного поля, то зовнішнє джерело повинен затратити додаткову енергію, яка виділяється в контакті, що призведе до його нагрівання. Якщо ж струм йде по напрямку контактного поля, то він може підтримуватися цим полем, яке і здійснює роботу з переміщення зарядів. Необхідна для цього енергія відбирається у речовини, що призводить до охолодження його в місці контакту.

№130 Явища термоелектронної емісії

Термоелектронна емісія - явище випускання електронів нагрітими тілами. Концентрація вільних електронів у металах досить висока, тому навіть при середніх температурах внаслідок розподілу електронів за швидкостями (по енергії) деякі електрони володіють енергією, достатньою для подолання потенційного бар'єру на кордоні металу. З підвищенням температури число електронів, кінетична енергія теплового руху яких більше роботи виходу, росте, і явище термоелектронної емісії стає помітним.

Дослідження закономірностей термоелектронної емісії можна провести за допомогою найпростішої двохелектродної лампи - вакуумного діода, що представляє собою відкачаний балон, що містить два електроди: катод К і анод А. У простому випадку катодом служить нитка з тугоплавкого металу (наприклад, вольфраму), розжарюється електричним струмом. Анод найчастіше має форму металевого циліндра, що оточує катод. Якщо діод включити в ланцюг, то при прожарюванні катода і подачі на анод позитивної напруги (щодо катода) в анодному ланцюзі діода виникає струм. Якщо поміняти полярність батареї, то струм припиняється, як би сильно катод ні розжарюваного. Отже, катод випускає негативні частинки - електрони.

Якщо підтримувати температуру напруженого катода постійної і зняти залежність анодного струму від анодної напруги - вольт-амперну характеристику, то виявляється, що вона не є лінійною, тобто для вакуумного діода закон Ома не виконується. Залежність термоелектронного струму від анодної напруги в області малих позитивних значень описується законом трьох других (встановлений російським фізиком С. А. Богуславським (1883 - 1923) і американським фізиком І. Ленгмюра (1881 - 1957)): , Де В - коефіцієнт, що залежить від форми і розмірів електродів, а також їх взаємного розташування.

При збільшенні анодної напруги струм зростає до деякого максимального значення, званого струмом насичення. Це означає, що майже всі електрони, що залишають катод, досягають анода, тому подальше збільшення напруженості поля не може привести до збільшення термоелектронного струму. Отже, щільність струму насичення характеризує емісійну здатність матеріалу катода. Щільність струму насичення визначається формулою Річардсона - Дешмана, виведеної теоретично на основі квантової статистики: , Де А - робота виходу електронів з катода, Т - термодинамічна температура, С - постійна, теоретично однакова для всіх металів (це не підтверджується експериментом, що, мабуть, пояснюється поверхневими ефектами). Зменшення роботи виходу призводить до різкого збільшення щільності струму насичення. Тому застосовуються оксидні катоди (наприклад, нікель, покритий оксидом лужноземельних металів), робота виходу яких дорівнює 1 -1,5 еВ.

На явищі термоелектронної емісії заснована робота багатьох вакуумних електронних приладів.

№131 Електровакуумна лампа діод. Вольт-амперна характеристика ва­куумного діоду.

Електровакуумна лампа діод. Вольт-амперна характеристика

вакуумного діоду.

Вакуумний діод – вакуумна лампа з двома електродами, за допомогою якого спостерігають явище термоелектронної емісії – вихід електронів з металу, зумовлений тепловим рухом електронів. Один з електродів (катод) діода являє собою дріт із тугоплавкого металу (вольфрам, молібден), який розжарюється електричним струмом. Другий електрод – анод, здебільшого має форму циліндра, уздовж осі якого розміщено катод. Якщо катод холодний, то електропровідність вакуумного діода дорівнює нулеві.

Вольт-амперна характеристика електровакуумнуго діода має 3 ділянки: 1. Нелінійний ділянку. На початковій ділянці ВАХ струм повільно зростає при збільшенні напруги на аноді, що пояснюється протидією полю анода об'ємного негативного заряду електронного хмари. У порівнянні зі струмом насичення, анодний струм при U_a = 0 дуже малий (і не показаний на схемі).Його залежність від напруги зростає експоненціально, що обумовлюється розкидом початкових швидкостей електронів. 2. Ділянка закону «трьох других». Залежність анодного струму від напруги характеризується законом Ленгмюра-Чайльда-Богуславського (так само званим законом "трьох других") 3. Ділянка насичення. При подальшому збільшенні напруги на аноді зростання струму сповільнюється, а потім повністю припиняється так як всі електрони, що вилітають з катода, досягають анода. Подальше збільшення анодного струму при даній величині напруження неможливо, оскільки для цього потрібні додаткові електрони, а їх взяти ніде, тому що вся емісія катода вичерпана. Встановилася в цьому режимі анодний струм називається струмом насичення. Ця ділянка описується законом Річардсона-Дешмана.

ВАХ анода залежить від напруги розжарення - чим більше напруження, тим більше крутизна ВАХ і тим більше струм насичення. Однак збільшення напруги напруження призводить до зменшення терміну служби лампи. Залежність сили струму від напруги має нелінійний характер, тобто закон Ома для вакуумного діода не виконується. Вольт-амперні характеристики вакуумного діода для різних температур розжарювання катода вказують на залежність струму насичення від температури.

№132 Електронна лампа тріод.

Тріод — електровакуумна лампа, що має три електроди: катод, сітку та анод. Принцип дії триелектродної лампи полягає у керуванні силою анодного струму за допомогою напруги U_c, прикладеної між сіткою і катодом.томусітку тріода наз керуючою. Зміна напруги U_c зумовлює зміну електричного поля, що діє на просторовий заряд біля катода. Незначна зміна сіткової напруги значно змінює анодний струм за досить малих втрат енергії джерела сіткової напруги. Якщо на сітку подається позитивний заряд відносно катода, то сіткова напруга допомагає аноду притягувати до себе електрони. Внаслідок цього сила анодного струму І_с збільшується. Якщо на сітку подається негативний потенціал, то дія просторового заряду посилюється і сила анодного струму зменшується, а сіткового струму не буде.

анодний струм залежить від сумісної дії на потік електронів електричних полів анода і сітки, створюваних напругами між цими електродами і катодом. Тому анодний струм у тріоді визначається результуючим електричним полем сітки та анода. Результуюче поле створюється так званою керуючою напругою: U_к=U_с+DU_а, де D-проникність тріода, яка показує яка частина електричного поля анода проникає крізь сітку до катода.Її значення залежить від будови сітки і її озміщення відносно катода.