МОДУЛЬ 1-3

3. Електричний струм в газах. Іонізіція та рекомбінація. Несамостійний та самостійниі розряди в газах. Вольтам-аперна характеристика несамостійного розряду.

Електричний струм у газі -це спрямований рух позитивних іонів до катода, а негативних іонів і електронів до аноду. Повний струм в газі складається з двох потоків заряджених частинок: потоку, що йде до анода, і потоку, спрямованого до катода. У газах під впливом високої температури з’являються заряджені частинки. Вони виникають унаслідок відщеплювання від атомів газу одного або декількох електронів, внаслідок чого замість нейтрального атома виникають позитивний іон і електрони. Частина електронів, що утворилися, може бути при цьому захоплена іншими нейтральними атомами, і тоді з’являться ще негативні іони. Розпад молекул газу на електрони і позитивні іони називається іонізацією газів. Чинники, що викликають іонізацію газу називаються іонізаторами. . При зіткненні позитивного іона і електрона вони можуть з’єднатися в нейтральний атом. Точно так при зіткненні позитивного і негативного іонів негативний іон може віддати свій надмірний електрон позитивному іону і обидва іони перетворяться на нейтральні атоми. Цей процес взаємної нейтралізації іонів називається рекомбінацією іонів. При рекомбінації позитивного іона і електрона або двох іонів вивільняється певна енергія, рівна енергії, витраченій на іонізацію. Частково вона випромінюється у вигляді світла, і тому рекомбінація іонів супроводжується свіченням (свічення рекомбінації).

Процес проходження електричного струму через газ називається газовим розрядом. Якщо електропровідність газу створюється зовнішніми іонізаторами, то електричний струм, що виникає в ньому, називається несамостійним газовим розрядом. З припиненням дії зовнішніх іонізаторів несамостійний розряд припиняється. Несамостійний газовий розряд не супроводжується світінням газу. Нижче зображено графік залежності сили струму від напруги при несамостійному розряді в газі.

I

Електричний розряд у газі, що зберігається після припинення дії зовнішнього іонізатора, називається самостійним газовим розрядом. Для його здійснення необхідно, щоб в результаті самого розряду в газі безперервно утворювалися вільні заряди. Основним джерелом їх виникнення є ударна іонізація молекул газу.

Якщо після досягнення насичення продовжувати збільшувати різницю потенціалів між електродами, то сила струму при досить великій напрузі стане різко зростати .

Це означає, що в газі з'являються додаткові іони, які утворюються за рахунок дії

іонізатора. Сила струму може зрости в сотні і тисячі разів, а кількість заряджених частинок, що виникають у процесі розряду, може стати таким великим, що зовнішній іонізатор буде вже не потрібен для підтримки розряду. Тому іонізатор тепер можна прибрати.

4.Електроліз. Закони Фарадея для електролізу. Використання електролізу в техніці. Гальванічні елементи. Акумулятори.

Електролізом називають явище виділення речовини на електродах,що відбувається,коли крізь електроліт проходить постійний електричний струм. При цьому на катоді відбувається реакція відновлення катіонів. Вона пов’язана з приєднанням електронів до катіонів. На аноді відбуваються реакції оксидування,пов’язані з віддачею електронів аніонами. Електроліз вперше спостерігали в 1800 році У. Нільсон ,А. Карлейль,І. Ріттер при розкладанні води електричним струмом. У 1807р.Г.Деві електролізом отримав натрій і калій. Характер електролізу залежить також і від природи електродів.Явище електролізу кількісно вивчав М.Фарадей. Він вперше зробив поділ продуктів електролізу на первинні і вторинні.У 1833р.М.Фарадей за допомогою дослідів встановив два закони електролізу,які названо його імя’ям.Перший закон Фарадея формулюється так:маса m речовини,що виділяється на кожному з електродів,прямо пропорційна зарядові q,що пройшов крізь електроліт,тобто m=kq, де k-електрохімічний еквівалент,неоднаковий для різних речовин.Він чисельно дорівнює масі речовини,яка виділяється під час електролізу при проходженні крізь електроліт заряду q=1Кл.Якщо крізь електроліт проходить постійний струм I протягом часу t ,то q=It і рівняння m=kq записують у

вигляді m=kIt.Якщо сила струму змінюється з часом,то m=k. Другий закон Фарадея вказує на те,що електрохімічні еквіваленти речовин прямо пропорційні їх хімічним еквівалентам. K=Cx=C,де C-коефіцієнт пропорційності,який має однакове значення всіх речовин. Хімічним еквівалентом х називають відношення атомної маси А до валентності z речовини. m=, m=. Дослідним шляхом встановлено,що

F=9,65*104 Кл/моль. Явище електролізу досить широко застосовують в техніці:гальванопластика(метод відтворення форми предмета електролітичним осадженням металів),гальваностегія(покриття металевих предметів шаром іншого металу),очищення або рафінування металів,електрометалургія(добування металів у розплавленому вигляді),добування важкої води,електролітичні конденсатои,електролітичне полірування. Гальванічний елемент-це прилад,що служить для перетворення хімічної енергії окисно-відновної реакції на електричну.У гальванічному елементі електрони переходять від відновника до окисника не безпосередньо,а по провіднику електричного струму-по зовнішньому колу.Цей напрямлений потік електронів і є електричним струмом.Прикладами гальванічних елементів є елемент Даніеля і елемент Вольти.

Різновидністю гальванічних елементів є акумулятори. Це гальванічні елементи,в яких речовини,що витрачаються при споживанні струму,попередньо нагромаджуються на електродах під час електролізу.Таке джерело струму після розряджання може бути переведене в попередній стан пропусканням крізь нього електричного струму від зовнішнього джерела.Найбільшого поширення набув свинцевий або кислотний акумулятор.Сучасні кислотні акумулятори складаються з гратчастих свинцевих пластин,які заповнені пастою із PbO та води.Їх використовують в авіації,автомобільному транспорті,на телефонних станціях.

5.Контактні явища в напівпровідниках. Напівпровідниковий діод. Транзистор.

Контакт двох домішкових напівпровідників з провідністю різних типів називають електронно-дірковим переходом або p-n-переходом. Саме явище електронно-діркового переходу лежить в основі роботи більшості напівпровідникових пристроїв. Розглянемо фізичні процеси в p-n-переході. Розглянемо напівпровідник, що складається з двох частин: перша − це напівпровідник типу p, а друга − типу n. Нехай границя, що розділяє ці дві частини, є різкою. Рух носіїв заряду через p-n-перехід при відсутності зовнішнього електричного поля буде носити характер дифузії. Концентрація електронів в n-області є більшою, ніж в p-області, в результаті чого електрони дифундують в p-область, де рекомбінують з дірками. Дірки аналогічно дифундують в n-область, де рекомбінують з електронами. Ці процеси приводять до того, що n-напівпровідник біднішає на електрони і поблизу p-n-переходу в ньому утворюється додатній заряд. Також p-напівпровідник біднішає на дірки і поблизу p-n-переходу в ньому утворюється від’ємний заряд. Внаслідок цього енергія електрона W в n-області зменшиться, а в р-бласті збільшиться. Енергія дірки − навпаки.

Таким чином, поблизу p-n-переходу утворюються протилежні за знаком просторові заряди, що створюватимуть електричне поле, направлене протилежно до напрямку дифузії з n-області в p-область. Тому це поле прийнято називати потенціальним бар’єром. Оскільки тут створюється різниця потенціалів, тому основним носіям заряду буде важче пройти через p-n-перехід і тут буде підвищений опір. Через це p-n-перехід ще називають запірним шаром.

Якщо приєднати напівпровідник з p-n-переходом до джерела живлення, то ситуація зміниться. Спочатку під’єднаємо n-напівпровідник до від’ємного полюса джерела живлення, а p-напівпровідник до додатнього. При цьому напруженість зовнішнього електричного поля буде протилежною до напруженості внутрішнього електричного поля, в результаті чого воно ослабне. Тому збільшиться кількість основних носіїв заряду, що проходять через p-n-перехід. Внаслідок цього енергія електронів в n- області збільшиться, а а в р-області зменшиться, тобто знижується потенціальний бар’єр. При цьому збільшиться сила струму, а опір буде зменшуватись із збільшенням напруги. Такий перехід називається прямим. Якщо змінити полярність джерела живлення, то ситуація зміниться . Електрони з n-області, і дірки з p-області будуть рухатись від границі двох напівпровідників в протилежні сторони. Внаслідок цього запірний шар збідніє на основні носії заряду і його опір зросте. Струм через p-n- перехід буде дуже малим, бо переноситиметься неосновними носіями заряду. Такий перехід називається зворотнім. Напівпровідниковим діодом називається пристрій, що має два виходи і складається з одного p-n-переходу. Діоди виготовляють з кремнію, германію, селену, та ін.

Транзисторами називають напівпровідникові прилади, призначені для підсилення, генерації і перетворення електричних коливань. Розрізняють два види транзисторів: біполярні і польові.Незалежно від структури транзистора його пластинку початкового напівпровідника називають базою (Б), протилежну їй за електропровідністю область меншого об'єму − емітером (Э), а іншу таку ж область більшого об’єму − колектором (К). Ці три електроди утворюють два p-n переходи: між базою і колектором − колекторний, а між базою і емітером − емітерний. Кожний з них за своїми електричними властивостями аналогічний p-n переходам напівпровідникових діодів і

6.Термоелектричні явища (ефекти Зеєбека, Пельт'є, Томсона).

Якщо температура контактів різних металів не однакова, то в ланцюзі виникає електричний струм, називаний термоелектричним. Явище виникнення термоелектричного струму (явище Зеєбека), а так само явище Пельтьє й Томсона,

Явище Пельтьє

При протіканні струму через неоднорідне коло, складене з двох провідників, виготовлених з різних металів, на одному контакті виділяється, а на іншому поглинається теплота

Qп Пq = ПІt.

де Qп - теплота, яка виділяється (поглинається) на контакті; q - заряд, що проходить через спай; П - коефіцієнт Пельтьє.

Явище Томсона

В 1856 році Томсон спрогнозував ІІІ термоелектричний ефект.

Який полягає в додатковому переносі теплоти в окремих ділянках хім. однорідного провідника при одночасному створенні в ньому градієнта температури та проходженні постійного електричного струму.

Q T dTdx q ,

де QT - кількість теплоти, що виділяється додатково до теплоти Джоуля;

dT

- коефіцієнт Томсона; - градієнт температури; q - заряд, який пройшов по

dx

провіднику.

Електронно променевою трубкою називається електровакуумний прилад, у якому потік електронів формується в електронний промінь і використовується для візуалізації електричних сигналів.

За своїм призначенням електронно-променеві

Рис. 1. трубки поділяються на:

- осцилографічні - дл я дослідження періодичних і неперіодичних електричних сигналів;

-індикаторні — для реєстрації сигналів;

-приймальні телевізійні (кінескопи) — для отримання на екрані рухомого зображення.

За способом керування електричним променем електронно-променеві трубки поділяються на трубки з електричною та магнітною системою відхилення.

8.Власна і домішкова провідність напівпровідників і залежність її від температури і освітленності. Термо і фотоопори.

Власна провідність напівпровідників

Під дією зовнішніх факторів деякі валентні електрони атомів здобувають енергію, достатню для звільнення від ковалентних зв'язків. При звільненні електрона з ковалентного зв'язку в останній виникає як би вільне місце, що володіє елементарним позитивним зарядом, рівним по абсолютній величині заряду електрона. Таке, що звільнилося в електронному зв'язку місце умовно назвали діркою. Дірка, володіючи позитивним зарядом, приєднує до себе електрон сусіднього заповненого ковалентного зв'язку. У результаті цього відновлюється один зв'язок (цей процес називається рекомбінацією) і руйнується сусідній. Тоді можна говорити про

переміщення позитивного заряду - дірки по кристалу. Якщо на кристал діє електричне поле, рух електронів і дірок стає впорядкованим і в кристалі виникає електричний струм. При цьому діркову провідність називають провідністю р-типу , а електронну провідністю n-типу .

У хімічно чистому кристалі напівпровідника (число домішок 1016м-3), число дірок завжди дорівнює числу вільних електронів і електричний струм у ньому утворюється в результаті одночасного переносу заряду обох знаків. Така електронно-діркова провідність називається власною провідністю напівпровідника.

Кількість електронів, що перейшла у зону провідності й кількість дірок, що утворилася ~

Тобто зі збільшенням Т γ збільшується, тому що з погляду зонної теорії зростає число електронів, які в наслідку теплового збудження переходять у зону провідності.

т.т.

напівпровіднику збільшення вільних електронів, називаються донорними, а викликаючи збільшення дірок - акцепторними.

Напівпровідники, електропровідність яких обумовлена в основному рухом дірок, називається напівпровідниками з дірковою провідністю або напівпровідниками р-типу, а домішка - акцепторною(захоплюючі електрон з ковалентного зв'язку або з валентної

зони). Енергетичні рівні цих домішок називаються акцепторними рівнями - розташовані над валентною зоною.

Енергетичні рівні донорних домішок називаються донорними рівнями - розташовані під нижнім рівнем зони провідності.

У домішкових напівпровідниках носії заряду бувають основними (електрони в провіднику n-типу) і не основними (дірки в напівпровіднику р-типу, електрони в напівпровіднику n-типу).

Наявність домішкових рівнів у напівпровідниках суттєво змінює положення рівня Ферми ЕF. У напівпровіднику n-типу при Т= 0 К ЕF розташований посередині між дном зони провідності й донорним рівнем. Зі зростанням Т усе більше число електронів переходить із донорного рівня в зону провідності, але через теплове порушення частина електронів з валентної зони переходить у зону провідності. Тому зі зростанням Т рівень Ферми зміщається вниз до середини забороненої зони.

Фотоопори — прилади, дія яких ґрунтується на зміні опору напівпровідника під дією світла. У цьому разі електрони не звільняються з речовини, а лише переходять із заповненої зони в зону провідності, збільшуючи електропровідність напівпровідника. Електропровідність, що виникає під дією світла, називається фотопровідністю

9.Електричний струм. Опір провідників. Питомий опір та його температурна залежність. Паралельне та послідовне з'єднання провідників.

Будь-яке впорядкований (спрямований) рух електричних зарядів називається електричним струмом. Для виникнення й існування електричного струму необхідне виконання двох умов:

наявність вільних носіїв зарядів ( тобто речовина повинна бути провідником або напівпровідником при високих температурах),

Наявність зовнішнього електричного поля.

Струм в провіднику характеризується силою струму.

Сила струму – фіз.. величина чисельно рівна заряду,що проходить через поперечний

переріз провідника за 1 с.

Ампер – це сила такого незмінного струму, який при проходженні по двох прямолінійних нескінченних, дуже малого круглого перерізу, що знаходиться у вакуумі на відстані 1 м один від одного, викликають дію силою 2*10^(-7) Н на кожен метир довжини провідника.

— властивість провідника створювати перешкоди проходженню електричного струму. Опір однорідного провідника при не дуже великих струмах не залежить від сили струму, а визначається геометричними розмірами провідника, хімічною природою матеріалу та його фізичним станом (температура, тиск).

Опір провідника в СІ вимірюють в омах (Ом) Одиницю опору визначають з формули

, тобто 1Ом -це опір такого провідника, в якому при напрузі 1В, проходить струм силою 1A.

[R] = В/А = 1Ом . Опір однорідного провідника можна виразити формулою

, Питомий опір – це опір такого провідника, який має довжину 1 м і площу поперечного перерізу 1 м^2 при температурі 0 С.

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

Експеремент показує,що опір провідників лінійно залежить від температури.

Закон Ома в диференціальній формі.

σ - - питома електропровідність; - Закон Ома в диференціальній формі.

Густина струму прямо пропорційна напруженості електричного поля Е. Коефіцієнт пропорційності σ - питома електропровідність.

Послідовне з’єднання провідників . Оскільки, ми не маємо одну вітку електричного кола, розгалужень струму не спостерігається, то очевидно, що через будь-який переріз провідника проходитиме, за однакові проміжки часу, однаковий заряд, тобто, струм скрізь буде однаковий.

Спад напруги на всій ділянці кола буде визначатись сумою спадів напруг на кожному з опорів.

Спад напруги на кожному з елементів можна визначити ,використовуючи закон Ома для однорідної ділянки кола.

Аналогічно для всієї ділянки кола: де R- повний (сумарний) опір ділянки кола.

Паралельне з’єднання провідників Очевидно, що в такому випадку,

ми маємо частину електричного кола з розгалуженням. Основний струм

І (потік електронів) ділитиметься на три , , . Сумарний струм визначатиметься формулою

Спад напруги на кожному з елементів буде такий самий, як і на всій ділянці кола.