Тема: Электрический ток в газах. Применение электрического тока в газах в быту, промышленности, технике.

Процесс образования ионов и электронов в газах называется ионизацией.

Для отрыва электрона от атома необходима определенная энергия. Эту энергию газу можно сообщить и другим способом, например излучением — ультрафиолетовым, рентгеновским, радиоактивным.

Факторы, которые приводят к возникновению электронов и ионов в газах, называют ионизаторами. Если ионизатор перестает действовать, то газ снова становится диэлектриком: ионы и электроны, сталкиваясь, снова образуют нейтральные атомы и молекулы (происходит рекомбинация). Газовый разряд в этом случае прекращается. Такой разряд будем называть несамостоятельным газовым разрядом.

Самостоятельный газовый разряд — разряд, который не требует для своего поддержания внешнего ионизатора.

Различают тлеющий, дуговой, искровой и коронный газовые разряды.

Тлеющий газовый разряд

Наблюдается при малых давлениях (несколько тысяч паскалей). Основными являются процессы ионизации электронным ударом и вторичной электронной эмиссии на катоде (под воздействием положительных ионов). Используют в газовых трубках, применяемых в рекламных щитах, в лампах дневного света. В газовых трубках баллон лампы чаще всего заполняют неоном (красное свечение) или аргоном (сине-зеленое свечение). Баллон лампы дневного света заполнен парами ртути и дает фиолетовое и ультрафиолетовое свечение, которое поглощается слоем люминофора и преобразуется в видимый свет.

Дуговой газовый разряд

Это непрерывный процесс прохождения электрического тока через воздушный зазор между электродами (роль одного из них может выполнять деталь). Сопровождается ярким свечением и сильным нагреванием электродов. Температура канала дуги достигает 5000—7000 °С (поверхность Солнца имеет температуру приблизительно 6000 °С). Происходит разряд благодаря термоэлектронной эмиссии с поверхности разогретого катода. Применяют в электросварке, металлургии, прожекторах.

Искровой газовый разряд

Возникает при высоких напряжениях. Происходит электрический пробой диэлектрика. Искровой разряд имеет вид ярких разветвляющихся зигзагообразных полосочек, длится всего несколько десятков микросекунд и обычно сопровождается звуковыми эффектами (потрескивание, треск, гром и т. д.). Дело в том, что температура газа, а следовательно, и давление в канале разряда значительно повышаются, в результате воздух быстро расширяется и возникают звуковые волны. В технике искровой разряд используют, например, для зажигания бензиновых двигателей, для обработки особо прочных металлов. Примером грандиозного искрового разряда в природе является молния.

Один из учащихся делает небольшое сообщение об особенностях возникновения молнии и правилах поведения во время грозы.

Коронный газовый разряд

При атмосферном давлении в газах, которые находятся в сильно неоднородном электрическом поле (вблизи острия, около проводов линий электропередачи высокого напряжения и т. др.), наблюдается коронный разряд. Во времена средневековья коронный разряд, который возникает на верхушках корабельных мачт, копий, алебард, называли огнями святого Ельма.

Какая же их природа?

Дело в том, что в достаточно сильном поле ионизация электронным ударом происходит уже при атмосферном давлении. Именно такая ситуация возникает перед грозой или во время грозы. Но в меру отдаления от острия поле быстро уменьшается, потому дальше от острия электронная лавина не возникает.

Чтобы уменьшить вероятность возникновения коронного разряда, увеличивают диаметр проводов.

Коронный разряд применяют в электрофильтрах для очистки воздуха. Ионы, сталкиваясь с частицами дыма, заряжают их, после чего заряженные частицы притягиваются к электродам и оседают на них.

Ионизированный газ, получаемый в процессе самостоятельного разряда, представляет собой особое состояние вещества — плазму. Чем выше температура, тем выше степень ионизации плазмы. Например, при 160 000 К в водородной плазме уже отсутствуют нейтральные атомы или молекулы. При температурах порядка миллиона градусов любое вещество находится в состоянии плазмы. В космическом пространстве это самое распространенное состояние вещества.

Различают холодную и горячую плазмы. Газоразрядная плазма — пример холодной плазмы. Большая концентрация заряженных частиц обусловливает одно из важнейших свойств плазмы — высокую электропроводность.

Тема. Электрический ток в полупроводниках

1. Что такое полупроводники?

рассмотрим сначала таблицу удельных сопротивлений (Ом · м при 20 °С):

Металл	Удельное сопротивление	Полупроводник	Удельное сопротивление	Диэлектрик	Удельное сопротивление
Серебро	1,6 · 10-8	Телур	2,5 · 10-3	Стекло	2 · 1011
Медь	1,7 · 10-8	Германий	5,0 · 10-2	Фарфор	3 · 1012
Сталь	1,2 · 10-7	Селен	102-104	Эбонит	2 · 1013
Нихром	1,1 · 10-6	Закис меди	1 · 107	Сера	3 · 1015

Как видно из таблицы, удельныесопративления полупроводников при комнатной температуре имеют значения, которые находятся в широком интервале, то есть от 10^-3 до 10⁷ Ом · м, и является промежуточным звеном между металлами и диэлектрикой.

^ Полупроводники — вещества, удельное сопротивление которых стремительно уменьшается с повышением температуры.

К полупроводникам принадлежат много химических элементов (бор, кремний, германий, фосфор, мышьяк, селен, телур но др.), огромное количество минералов, сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего мира — полупроводники.

2. Носители зарядов в полупроводниках

При достаточно низких температурах и отсутствии внешних влияний (например, освещение или нагревание) полупроводники не проводят электрический ток: при этих условиях все электроны в полупроводниках являются связанными.

Однако связь электронов со своими атомами в полупроводниках не так крепка, как в диэлектрике. И при повышении температуры, а так же при ярком освещении некоторые электроны отрываются от своих атомов и становятся свободными зарядами, то есть могут перемещаться через весь образец.

Благодаря этому в полупроводниках появляются отрицательные носители заряда — свободные электроны.

^ Проводимость полупроводника, обусловленную движением электронов, называют электронной.

Когда электрон отрывается от атома, позитивный заряд этого атома становится нескомпенсованим, то есть в этом месте появляется лишний положительный заряд. Этот позитивный заряд называют «дырой». Атом, вблизи которого образовалась дыра, может отобрать связанный электрон у соседнего атома — при этом дыра переместится к соседнему атому, а тот атом, в свою очередь, может «передать» дыру дальше.

Такое «эстафетное» перемещение связанных электронов можно рассматривать как перемещение дыр, то есть позитивных зарядов.

^ Проводимость полупроводника, обусловленную движением дыр, называют дырочной.

Таким образом, отличие дырочной проводимости от электронной заключается в том, что электронная проводимость обусловлена перемещением в полупроводниках свободных электронов, а дырочная — перемещением связанных электронов.

В чистом полупроводнике (без примесей) электрический ток создает одинаковое количество свободных электронов и дыр. Такую проводимость называют собственной проводимостью полупроводников.

3. Примесная проводимость полупроводников

Если прибавить в чистый расплавленный кремний небольшое количество мышьяка (приблизительно 10 %), после затвердения образуются обычные кристаллические решетки кремния, но в некоторых узлах решеток вместо атомов кремния будут находиться атомы мышьяка.

Мышьяк, как известно, пятивалентный элемент. Четыре валентных электрона образуют парные электронные связки с соседними атомами кремния. Пятому же, валентному, электрону связи не хватит, при этом он будет так слабо связанный с атомом мышьяка, который легко становится свободным. В итоге каждый атом примеси даст один свободный электрон.

^ Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются донорными.

Электроны из атомов кремния могут становиться свободными, образовать дыру, потому в кристалле могут одновременно существовать и свободные электроны и дыры. Однако свободных электронов будет значительно больше, чем дыр.

^ Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются электроны, называют полупроводниками п-типа.

Если в кремний прибавить небольшое количество трехвалентного индого, то характер проводимости полупроводника изменится. Поскольку индий имеет три валентных электрона, то он может установить ковалентную связь только с тремя соседними атомами. Для установления связи с четвертым атомом электрона не хватит. Индий «одолжит» электрон у соседних атомов, в итоге каждый атом индого образует одно вакантное место — дыру.

^ Примеси, что «захватывают» электроны атомов кристаллических решеток полупроводников, называются акцепторными. В случае акцепторной примеси основными носителями заряда при прохождении электрического тока через полупроводник являются дыры.

^ Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дыры, называют полупроводниками р-типа.

Практически все полупроводники содержат и донорные и акцепторные примеси. Тип проводимости полупроводника определяется примесью с высшей концентрацией носителей заряда — электронов и дыр.

4. Использование полупроводников

Широкое использование полупроводников обусловлено несколькими причинами.

Во-первых, сопротивление полупроводников зависит от температуры — с увеличением температуры сопротивление полупроводников резко уменьшается, потому сила тока в кругу при этом увеличивается. Зависимость сопротивления полупроводников от температуры используют в термо-резисторах (термисторах ли).

Термисторы используются для измерения температуры, для поддержки постоянной температуры в автоматических устройствах.

Во-вторых, сопротивление полупроводников уменьшается в случае увеличения освещенности. Полупроводниковые приборы, в которых используется свойство изменять свое сопротивление в зависимости от освещенности, называют фоторезисторами. Фоторезисторы используются для измерения освещенности, для контроля качества поверхности и тому подобное.

В-третьих, в месте контакта двух полупроводников p- и п-типа наблюдается ряд интересных явлений. Например, электрический ток через такой контакт хорошо проходит в одном направлении и практически не проходит в обратном. Это явление називаєтя односторонняя проводимость. Свойства p-n-переходу используют для изготовления полупроводниковых диодов и транзисторов, без которых не обходится ни одно современное устройство; фотоэлементов, в которых энергия падающего света превращается в электрическую энергию.

6