1. Электрический ток в металлах.
Все
металлы в твердом и жидком состоянии
являются проводниками электрического
тока. Специально поставленные опыты
показали, что при прохождении электрического
тока масса металлических проводников
остается постоянной, не изменяется и
их химический состав. На этом основании
можно было предположить, что в создании
электрического тока в металлах участвуют
только электроны. Предположение об
электронной природе электрического
тока в металлах подтверждено опытами
советских физиков Л. И. Мандельштама и
Н. Д. Папалекси и американских физиков
Т. Стюарта и Р. Толмена. В этих опытах
было обнаружено, что при резкой остановке
быстро вращающейея катушки в проводе
катушки возникает электрический ток,
создаваемый отрицательно заряженными
частицами — электронами.
При отсутствии
электрического поля свободные электроны
перемещаются в кристалле металла
хаотически. Под действием электрического
поля свободные электроны, кроме
хаотического движения, приобретают
упорядоченное движение в одном
направлении, и в проводнике возникает
электрический ток. Свободные электроны
сталкиваются с ионами кристаллической
решетки, отдавая им при каждом столкновении
кинетическую энергию, приобретенную
при свободном пробеге под действием
электрического поля. В результате
упорядоченное движение электронов в
металле можно рассматривать как
равномерное движение с некоторой
постоянной скоростью 
.
Так
как кинетическая энергия электронов,
приобретаемая под действием электрического
поля, передается при столкновении ионами
кристаллической решетки, то при
прохождении постоянного тока проводник
нагревается.
Электрический ток в электролитах
Э
лектролитами
принято называть проводящие среды, в
которых протекание электрического тока
сопровождается переносом вещества.
Носителями свободных зарядов в
электролитах являются положительно и
отрицательно заряженные ионы. Основными
представителями электролитов, широко
используемыми в технике, являются водные
растворы неорганических кислот, солей
и оснований. Прохождение электрического
тока через электролит сопровождается
выделением веществ на электродах. Это
явление получило название электролиза.
Электрический ток в электролитах
представляет собой перемещение ионов
обоих знаков в противоположных
направлениях. Положительные ионы
движутся к отрицательному электроду
(катоду), отрицательные ионы – к
положительному электроду (аноду). Ионы
обоих знаков появляются в водных
растворах солей, кислот и щелочей в
результате расщепления части нейтральных
молекул. Это явление называется
электролитической диссоциацией.
Например, хлорид меди CuCl2 диссоциирует
в водном растворе на ионы меди и хлора:
|
При подключении электродов к источнику тока ионы под действием электрического поля начинают упорядоченное движение: положительные ионы меди движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы хлора – к аноду
Законы Фарадея для электролиза.
Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году.
Первый закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе: масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду q, прошедшему через электролит: m = kq = kIt, где k – электрохимический эквивалент вещества
Второй
закон Фарадея: электрохимические
эквиваленты различных веществ относятся
их химические эквиваленты
Объединенный
закон Фарадея для электролиза:
Электрический ток в полупроводниках.
Полупроводники́ — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.
По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между хорошими проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры. Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами
Виды полупроводников. Собственная и примесная проводимости полупроводников.
1) По характеру проводимости
-Собственная проводимость
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».
-Примесная проводимость
Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.
2)По виду проводимости
-Электронные полупроводники (n-типа)
Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.
-Дырочные полупроводники (р-типа)
Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.
Р-п переход
Прежде всего, рассмотрим два образца полупроводника с электронной и дырочной электропроводностями (рис. 1.6, а). Напомним, что в дырочном полупроводнике присутствуют в равном количестве подвижные положительные дырки и неподвижные отрицательные ионы. На рис. 1.6,а дырки обозначены знаками «плюс», а отрицательные ионы - знаками «минус», заключенными в кружки. Для нашего рисунка концентрация примеси в электронном полупроводнике выбрана в 2 раза меньше, чем в дырочном. Аналогично обозначениям зарядов в дырочном полупроводнике в электронном полупроводнике электроны обозначены знаками «минус», а положительные ионы - со знаками «плюс», заключенными в кружки. Поскольку NA = 2NД, то заряды в дырочном полупроводнике нарисованы в 2 раза чаще, чем в электронном.
Теперь представим, что рассмотренные нами два образца являются просто областями единого кристалла полупроводника (рис. 1.6, б). Тогда по закону диффузии электроны из области n будут перемещаться в область р, а дырки, наоборот, - из области р в область n. Встречаясь на границе р и п областей, дырки и электроны рекомбинируют. Следовательно, в этой пограничной области значительно уменьшается концентрация носителей заряда и обнажаются некомпенсированные заряды неподвижных ионов. Со стороны области обнажаются положительные заряды доноров, а со стороны области р-отрицательные заряды акцепторов. Область некомпенсированных неподвижных зарядов и есть собственно область р-п перехода. Ее часто называют обедненным, истощенным слоем, или i-областью, имея ввиду резко сниженную концентрацию подвижных носителей заряда. Иногда эту область называют запорным слоем электронно-дырочного перехода.