Добавил:
Nemo_Nemorino
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Підручники / Фізика 9 клас / НУШ / Фізика 9 клас Бар'яхтар 2026 рік НУШ
.pdf
Розділ 1. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У РІЗНИХ СЕРЕДОВИЩАХ
© ТОВ Видавництво «Ранок». Всі права захищено.
2. Що являє собою електричний струм у вакуумі?
Ви вже знаєте, що для існування електричного струму необхідне
виконання двох умов:
ність електричного поля
поміщають два електроди (
Нитка розжарення
U
Вакуум
Катод
Рис. 6.2. Термоелектрони
(електрони, що вилетіли
з металу в ході термоелектронної емісії), рухаючись
від катода до анода,
створюють електричний
струм
–
наявність вільних заряджених частинок і наяв-
. Для створення таких умов у скляний балон
катод і анод
) і відкачують із балона повітря.
Катод нагрівають, використовуючи
розжарення
— тонкий дріт із тугоплавкого
металу, під’єднаний до джерела струму. У ре-
Анод
+
зультаті з поверхні катода вилітають електрони. Катод приєднують до негативного полюса
джерела струму, а анод — до позитивного.
Електрони, що вилетіли з катода, потрапляють в електричне поле між катодом і анодом
і починають рухатися напрямлено, створюючи
електричний струм (рис. 6.2).
Електричний струм у вакуумі являє собою
напрямлений рух вільних електронів, отриманих у результаті електронної емісії.
нитку
3. Чому вакуумний діод має однобічну провідність?
Зараз ми вже не уявляємо життя без різноманітних електронних
пристроїв. Комп’ютери, телефони, мікрохвильові печі, холодильники
тощо полегшують наш побут, допомагають навчатися та працювати.
А чи знаєте ви, що все починалося з винайдення
вакуумного діода
Вакуумний діод — це електронно-вакуумний пристрій, що складається зі
скляного балона, з якого відкачане повітря, і розташованих у балоні двох
електродів (анода та підігрівного катода) (рис. 6.3).
Головна особливість вакуумного діода
полягає в тому, що він має
. Що це означає? Якщо ввімкнути діод
ність
однобічну провід-
Анод
Катод
у коло так, що катод буде з’єднаний з негативним полюсом джерела струму, а анод —
з позитивним (
пряме ввімкнення
існуватиме електричний струм (див. рис. 6.2).
Якщо ж катод буде з’єднаний з позитивним
полюсом, а анод — з негативним (
ввімкнення
), то електрони, що вилітають
із катода, будуть відкидатися полем назад,
на катод, і струму в колі не буде (рис. 6.4).
), то в колі
зворотне
Нитка
a
Рис. 6.3. Вакуумний діод:
а
— будова; б — позначення
на електричних схемах
розжарення
?
б
48
§ 6. Електричний струм у вакуумі
© ТОВ Видавництво «Ранок». Всі права захищено.
Рис. 6.4. Вольт-амперна
характеристика вакуумного
діода.
Пряме ввімкнення
діода
: зі збільшенням
напруги між електродами
сила струму швидко зростає.
Зворотне ввімкнення
діода
: сила струму
дорівнює нулю
Зворотне ввімкнення
(струму немає)
mA
I,
А
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
Напевно, усім вам відомо про діагностування
за допомогою рентгенівських променів. А чи
знаєте ви, що основною частиною рентгенів-
ського апарата (див. фото на заставці до §6)
є рентгенівська трубка, принцип дії якої ґрунтується
саме на створенні електричного струму у вакуумі?
Гарячий катод випромінює електрони,
які розганяються потужним електричним
полем до величезної швидкості. Під час
гальмування цих електронів випромінюються промені, за допомогою яких можна
отримати зображення кісток і внутрішніх
органів людини або тварини.
Рентгенівські
промені
Катод
Пряме ввімкнення
(струм є)
–
+
0
mA
U,
+
–
В
Анод
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
Електричний струм у вакуумі являє собою
напрямлений рух вільних електронів,
отриманих у результаті електронної емісії.
Термоелектронна емісія — процес випромі-
нювання електронів нагрітими тілами.
Вакуумний діод — це електронно-
вакуумний пристрій, що складається
зі скляного балона, з якого
відкачано повітря, і розташованих
у балоні двох електродів (анода
та підігрівного катода).
9 працює завдяки термоелектронній емісії;
9 має однобічну провідність.
Струму немає
mA
Нитка розжарення
U
–
Катод
–
+
Вакуум
Струм є
mA
+
Анод
+
–
49
Розділ 1. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У РІЗНИХ СЕРЕДОВИЩАХ
© ТОВ Видавництво «Ранок». Всі права захищено.
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Що являє собою електричний струм у вакуумі? 2. У чому
полягає явище термоелектронної емісії? 3. За якої умови електрон може залишити поверхню провідника? 4. Чому за відсутності
електричного поля електрони, що вилетіли з металу, залишаються
біля поверхні, утворюючи електронну хмару? 5. Чому вакуумний діод
має однобічну провідність?
ВПРАВА № 6
1. Чому для того, щоб розігнати електрони до величезних
швидкостей, необхідно створити глибокий вакуум?
2. На рис. 1 зображений електровакуумний пристрій. Який електрод у цьому
пристрої слугує катодом, який — анодом?
Чому, якщо підігрівати анод, а не катод, то
електричний струм у пристрої не виникне?
3. Свого часу однобічну провідність вакуумного діода використовували в радіоелектроніці для перетворення змінного струму на
пульсу ючий (рис. 2, а). Якщо подавати на діод змінну напругу
(графік її залежності від часу подано на рис. 2, б), то графік залежності сили струму від часу матиме вигляд, зображений на рис. 2, в.
Поясніть, чому.
Рис. 1
До
джерела
змінного
струму
U
а б в
Рис. 2
4. Термоелектронна, фотоелектронна, автоелектронна, вторинна елек-
тронна, йонно-електронна — все це різні види електронної емісії.
Дізнайтесь, що в них спільного та чим вони відрізняються.
5. Сьогодні замість вакуумних діодів здебільшого використовують
напівпровідникові. Але вакуумні діоди все ще застосовують у деяких спеціалізованих галузях техніки. Дізнайтесь, у яких.
Ключові терміни
Термоелектронна емісія • Вакуум • Електричний струм у вакуумі
• Вакуумний діод
50
I
t
t
§ 7. Електричний струм у напівпровідниках. Власна провідність напівпровідників
47
© ТОВ Видавництво «Ранок». Всі права захищено.
rnk.com.ua/
114215
§ 7. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ
У НАПІВПРОВІДНИКАХ. ВЛАСНА
ПРОВІДНІСТЬ НАПІВПРОВІДНИКІВ
ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ. Ви вже знаєте, що за
провідністю всі речовини поділяють на
>
напівпровідники і діелектрики.
ники добре проводять електричний струм, а діелектрики— погано. Чому, на вашу думку, напів провідники
отримали таку назву?
Згадайте, чому провід-
1. Якими є особливості провідності
напівпровідників?
Напівпровідники за своєю провідністю
посідають проміжне місце між провідниками
й діелектриками (рис. 7.1). Це означає, що
концентрація вільних заряджених частинок
у напівпровідниках є набагато меншою, ніж
у провідниках, і набагато більшою, ніж
у діелектриках. Наприклад, дуже поширений у техніці напівпровідник германій
за кімнатної температури має приблизно
1020 вільних заряджених частинок у 1 м3 речовини. Здавалося б, велика кількість? Але
це в 10 млрд разів менше, ніж у металах.
У ході вивчення залежності провідності
напівпровідників від зовнішніх чинників
виявилося таке.
По-перше
залежить від освітленості, тоді як
опір більшості напівпровідників зі збільшенням освітленості зменшується
По-друге, з підвищенням температури
питомий опір металів збільшується, а
мий опір напівпровідників
ється
(рис. 7.2).
, питомий опір металів майже не
.
, навпаки,
провідники,
питомий
пито-
зменшу-
Провідники
8−
ρ 10
Напівпровідники
ρ 10 10
Діелектрики
ρ 10 10
Рис. 7.1. Порядок питомого
опору матеріалів. Стрілками
показано напрямок
збільшення концентрації
вільних заряджених
частинок
ρ
0
Рис. 7.2. Графік залежності
питомого опору ρ напівпровідників від абсолютної
температури T
Ом · м
−
−
Ом · м
12 20
− Ом · м
T
51
Розділ 1. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У РІЗНИХ СЕРЕДОВИЩАХ
© ТОВ Видавництво «Ранок». Всі права захищено.
По-трет є
, за наявності домішок метали гірше проводять струм,
а введення певних домішок у напівпровідники може різко зменшити
опір
останніх.
Існують й інші відмінності, але про них ви дізнаєтеся пізніше.
Чому, на вашу думку, напівпровідники називають матеріалами
з від’ємним температурним коефіцієнтом опору, на відміну від металів,
температурний коефіцієнт опору яких завжди є додатним?
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
Більшість сучасної техніки — від побутових пристроїв і комп’ютерів
до сонячних панелей, роботів і безпілотних автомобілів — неможливо
уявити без напівпровідникових матеріалів. Безумовний лідер серед
них — кремній. Але він не є зручним для виготовлення більш потужних
і гнучких пристроїв, тому виникає потреба
шукати нові напівпровідникові матеріали.
Одним із найперспективніших є
(ми згадували про нього, коли вивчали
наноматеріали). Дехто вважає графен
тим універсальним напів провідниковим
матеріалом, який згодом перевершить
кремній.
графен
2. Які особливості внутрішньої будови напівпровідників?
Розглянемо будову напівпровідників на прикладі кремнію. Як ви вже
знаєте з курсу хімії, у Періодичній системі хімічних елементів крем-
ній (силіцій) розташований у IV групі.
Кремній має чотири валентні електрони, які «відповідають» за зв’язок між
сусідніми атомами.
У твердому стані для кремнію характерна кристалічна ґратка, в якій
кожний атом має чотирьох найближчих
«сусідів». Атом кремнію ніби «позичає»
атомам-сусідам по одному валентному
електрону. Сусідні атоми так само «позичають» йому свої валентні електрони
«для спільного користування». Отже,
між кожними двома атомами кремнію
завжди є електронна пара, що на цей
момент спільна для обох атомів. Такий
Рис. 7.3. Схематичне зображення
ковалентного зв’язку в кремнії
52
зв’язок, як вам відомо з курсу хімії,
називають
ковалентним
(рис. 7.3).
§ 7. Електричний струм у напівпровідниках. Власна провідність напівпровідників
© ТОВ Видавництво «Ранок». Всі права захищено.
3. Який механізм власної провідності напівпровідників?
У напівпровідниковому кристалі серед валентних електронів обов’язково є електрони, кінетична енергія яких настільки велика, що вони можуть
«залишити» зв’язок і стати вільними. Один такий електрон показаний
на жовтому полі рис. 7.3. Якщо напівпровідниковий кристал помістити
в електричне поле, то вільні електрони почнуть рухатися до позитивного
полюса джерела струму і в напівпровіднику виникне електричний струм.
Провідність напівпровідників, зумовлену наявністю в них вільних електронів, називають електронною провідністю.
Після того як електрон «залишив» валентний зв’язок, його місце виявиться «порожнім» — таке місце фізики називають діркою
(див. рис. 7.3). Зрозуміло, що дірці приписують позитивний заряд. На вакантне місце
(у дірку) може «перестрибнути» електрон від
сусіднього зв’язку. Тоді дірка з’явиться біля
сусіднього атома. Послідовність таких «стрибків» виглядає так, ніби дірка (позитивний
заряд) переміщується в кристалі (рис. 7.4).
Si Si
Рис. 7.4. Механізм діркової
провідності. Червоні кружечки — йони кристалічної
ґратки; сині — електрони;
білий — вакантне місце (дірка)
Si
Провідність напівпровідників, зумовлену наявністю дірок (вакантних місць),
називають дірковою провідністю.
У чистому напівпровіднику електричний струм створює однакова
кількість вільних електронів і дірок. Таку провідність називають влас-
ною провідністю напівпровідників.
Електричний струм у напівпровідниках являє собою напрямлений рух
вільних електронів і дірок.
А ЯК НАСПРАВДІ?
«Якщо я все зрозуміла, — зазначила Юля, — у напівпровідниках
є два види вільних носіїв заряду: позитивні частинки (дірки), які
під дією поля рухаються в одному напрямку, і вільні електрони,
які рухаються в протилежному напрямку».
«Насправді в напівпровідниках рухаються тільки електрони (вільні й зв’я-
зані), і всі в одному напрямку, — не погодився Тарас. — А дірка — це не
ніби
частинка, а вільне місце в кристалі, і вона
мене ніби наближався стілець, коли я запізнився на виставу й мої друзі по
черзі пересідали з одного стільця на інший». А як насправді?
рухається. Так само, як до
53
Розділ 1. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У РІЗНИХ СЕРЕДОВИЩАХ
© ТОВ Видавництво «Ранок». Всі права захищено.
а
Т
0 1 2 3 4
мм
б
Рис. 7.5. Зовнішній вигляд
і схематичне позначення: термісторів — напівпровідникових терморезисторів (а); фоторезисторів (б)
4. На чому базується робота
термісторів і фоторезисторів?
Якщо напівпровідник нагріти або
опромінити світлом, кількість вільних
електронів і дірок збільшиться, відповідно збільшиться й провідність напівпровідника.
На залежності провідності напівпро-
відників від температури ґрунтується
дія
термісторів (рис. 7.5, а), які застосовують для контролю та вимірювання
температури, а також у колах захисту
електричних пристроїв від перегріву.
На залежності провідності напівпровідників від освітленості ґрунтується
дія
фоторезисторів (рис. 7.5, б), які за-
стосовують для вимірювання освітленості,
у системах сигналізації та автоматики,
для сортування виробів тощо. За допомогою фоторезисторів запобігають нещасним випадкам та аваріям, автоматично
зупиняючи роботу обладнання в разі
порушення процесу.
ДОСЛІДЖЕННЯ
Що знадобиться: мультиметр; фоторезистор;
ковпачок від ручки або аркуш чорного паперу.
Перемкніть тумблер мультиметра на вимірюван-
ня опору (Ω), установіть його навпроти позначки
103 Ом.
Розмістіть фоторезистор на добре освітленій
частині стола та виміряйте опір, торкнувшись
виводів фоторезистора щупами мультиметра.
Тепер затуліть фоторезистор рукою або помістіть його в тінь і знову виміряйте опір. Потім занурте фоторезистор у ковпачок ручки
або покладіть у конверт, зроблений з аркуша чорного паперу, і ще
раз виміряйте опір фоторезистора. Зробіть висновок щодо залежності
опору фоторезистора від освітленості.
Ключові терміни
Ковалентний зв’язок
•
Власна провідність напівпровідників
•
Електронна провідність
•
Термістор
•
Діркова провідність
•
Фоторезистор
54
§ 7. Електричний струм у напівпровідниках. Власна провідність напівпровідників
Т
© ТОВ Видавництво «Ранок». Всі права захищено.
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
Електричний струм у напівпровідниках
являє собою напрямлений рух вільних
електронів і дірок.
Власна провідність напівпровідників — провідність, зумовлена
наявністю однакової кількості вільних електронів (
провідність
9 Власна провідність напівпровідників суттєво
тури та освітленості
питомий опір напівпровідників зменшується.
Термістор — це напів-
провідниковий пристрій,
на залежності опору напів-
провідників від температури.
) і дірок (
дія якого ґрунтується
діркова провідність
: зі збільшенням температури або освітленості
Фоторезистор — це напів-
провідниковий пристрій,
дія якого ґрунтується
на залежності опору напівпровідників від освітленості.
Si Si
електронна
).
залежить від темпера-
Si
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Чим напівпровідники відрізняються від металів? 2. Як у чи-
стих напівпровідниках з’являються вільні електрони? 3. Поясніть
механізм діркової провідності. 4. Чим зумовлена власна провідність
напівпровідників? 5. На якій властивості напівпровідників ґрунтується дія термісторів? Де їх застосовують? 6. На якій властивості
напівпровідників ґрунтується дія фоторезисторів? Де їх застосовують?
ВПРАВА № 7
1. Виберіть речовини, які мають електронно-діркову провідність:
а) алюміній; б) германій; в) залізо; г) мідь; д) кремній.
2. Установіть відповідність між середовищем (1–3) і графіком залежності питомого опору середовища від температури (А–Г).
ρ
1 Метали
Розчини
2
електролітів
3 Напівпровідники
3. Чому внаслідок зменшення освітленості опір фоторезистора збіль-
шується, адже до цього він був освітлений і в ньому з’явилося багато
вільних електронів і дірок?
Дізнайтеся, як застосовують фоторезистори в космічній галузі.
4.
А
t
0
, °C
ρ
Б
t
0
, °C
ρ
В
t
0
, °C
ρ
Г
t
0
, °C
55
Розділ 1. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У РІЗНИХ СЕРЕДОВИЩАХ
© ТОВ Видавництво «Ранок». Всі права захищено.
§ 8. ДОМІШКОВА ПРОВІДНІСТЬ
НАПІВПРОВІДНИКІВ.
ЕЛЕКТРОННО-ДІРКОВИЙ ПЕРЕХІД
ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ. Напевно, ви знаєте, як виглядає звичайна лампа розжа-
рення. Приблизно такий розмір мають вакуумні лампи — діоди і тріоди. А тепер уявіть,
>
що у вашому смартфоні, мікросхема процесора якого містить кілька мільйонів мікротранзисторів, замість транзисторів використали тріоди... Який розмір мав би ваш смартфон?
1. Як на провідність напівпровідників впливають домішки?
У § 7 ми розглянули електричний струм у чистих напівпровідниках.
У таких напівпровідниках кількість вільних електронів і дірок є однаковою. Проте якщо в чистий напівпровідник додати невелику кількість
домішки, то картина може дещо змінитися.
Виявляється, що залежно від домішки в напівпровіднику може бути
або більше дірок, або більше вільних електронів. До того ж, оскільки
кожний атом домішки може додати в напівпровідник один вільний
електрон або дірку, провідність напівпровідника
з такою домішкою буде набагато кращою, ніж
провідність чистого напівпровідника.
Розглянемо вплив домішок на провідність
кремнію. Нагадаємо
валентний елемент.
, що кремній — чотири-
rnk.com.ua/
114216
2. Які домішки називають донорними?
Додамо в кристал кремнію домішку п’ятивалентного елемента, наприклад арсену. Частина
Рис. 8.1. Схема будови
кремнію з введеними
атомами арсену. П’ятий
валентний електрон
арсену не бере участь
у ковалентному зв’язку
та стає вільним
56
атомів кремнію буде заміщена атомами арсену.
Чотири валентні електрони атома арсену утворять парні електронні зв’язки із сусідніми атомами кремнію; п’ятому валентному електрону
зв’язку не вистачить, тому він легко може стати
вільним (рис. 8.1). У результаті майже кожний
атом домішки дасть вільний електрон.
§ 8. Домішкова провідність напівпровідників. Електронно-дірковий перехід
© ТОВ Видавництво «Ранок». Всі права захищено.
Домішки, атоми яких відносно легко віддають електрони, називають
донорними домішками (від латин.
donare
— дарувати, жертвувати).
Бачимо, що донорні домішки додають до кристала тільки електрони,
а додаткові дірки не утворюються, тому
в напівпровідниках із донорними домішками концентрація вільних електронів є значно вищою, ніж
концентрація дірок
.
Напівпровідники з переважно електронною провідністю називають напівпровідниками n-типу (від латин.
Які вільні носії заряду та чому будуть переважати в індії (індій — тривалентний елемент), якщо в нього додати невелику кількість кремнію?
negativus
— негативний).
3. Які домішки називають
акцепторними?
Додамо в кристал кремнію домішку тривалентного елемента, наприклад індію. Атом
індію має три валентні електрони, тому він
може «встановити зв’язки» тільки з трьома
атомами кремнію. Щоб утримати структуру
кристалічної ґратки, відсутній електрон (четвертий) індій «запозичує» в атомів кремнію.
У результаті кожний атом індію спричиняє
утворення дірки (рис. 8.2).
Домішки, атоми яких «запозичують» електрони, називають акцепторними домішками
(від латин.
acceptor
— той, що приймає).
Бачимо, що акцепторні домішки додають до напівпровідникового
кристала тільки дірки, а додаткові вільні електрони не утворюються.
У напівпровідниках з акцепторними домішками основні вільні носії
заряду — дірки.
Напівпровідники з переважно дірковою провідністю називають напівпровідниками p
-типу (від латин.
positivus
Рис. 8.2. Схема будови
кристала кремнію
із введеними атомами
індію. Кожний атом індію
створює одну дірку
— позитивний).
57
Соседние файлы в папке НУШ