7. Основные положения электронной теории проводимости металлов (работа выхода, потенциальная яма, термоэлектронная эмиссия).

Электронная теория металлов (Пауля Друде) • Свободные электроны в металлах ведут себя как молекулы идеального газа

• движение свободных электронов в металлах подчиняется законам Ньютона. • Свободные электроны в процессе хаотического движения сталкиваются преимущественно с нонами кристаллической решётки. • двигаясь до следующего столкновения с ионами, электроны ускоряются электрическим полем и приобретают кинетическую энергию.

Потенциальная кривая имеет вид потенциальной ямы, где обозначается глубина потенциальной ямы, в которой находится электрон. Для выхода из металла электрон за счёт своей кинетической энергии должен совершить работу, равную по величине потенциальной ямы А=ΔП. Такой скачок может совершить электрон только под действием электрического поля ΔП=eΔφ. Минимальную работу, которую должен совершить электрон за счёт своей кинетической энергии для того, чтобы выйти из металла, называют работой выхода.

При нормальных условиях средняя кинетическая энергия хаотического движения электронов меньше работы выхода. При нагревании кинетическая энергия электронов возрастает, следовательно, у электрона появляется возможность вылететь из металла. Вылет свободных электронов из металла, вызванный его нагреванием, называется термоэлектронной эмиссией. 8. Контактная разность потенциалов, эффект Пельтье.

Причины электризации тел при соприкосновении: - Различие в работе выхода электронов из металлов. Разность потенциалов, возникающую между соприкасающимися металлами при подвижном равновесии потоков электронов, называют контактной разностью потенциалов (не зависит от температуры).

- Неодинаковая плотность электронного газа в металлах.

Такая контактная разность потенциалов не превышает нескольких сотых долей вольта и возрастает при повышении температуры, т.к. хаотическое движение электронов с повышением температуры увеличивается.

Обнаружено в 1834 г. французским учёным Жаном Пельтье. Если в цепь из двух разнородных металлов включить источник электрической энергии, создающий электрический ток, в спае электроны будут ускоряться, т.к. силы поля переходной области в этом контакте будут действовать на электроны в сторону их движения, а в другом спае тормозиться, т.к. они должны преодолевать контактную разность потенциалов. Таким образом, во втором контакте кинетическая энергия электронов будет переходить в потенциальную энергию (лишняя энергия выделяться), а в первом контакте, наоборот, их потенциальная энергия будет переходить в кинетическую (энергия поглощаться). Если изменить направление тока, то нагревание контактов меняется местами.

9. Природа электрического тока в электролитах (электролитическая диссоциация. Электролиз. Законы электролиза, применение электролиза).

Распад молекул на ионы под действием растворителя называют электролитической диссоциацией.

Прохождение электрического тока через электролиты, сопровождающееся химическими превращениями вещества и выделением его на электродах, называется электролизом.

Законы электролиза Фарадея. Масса вещества, выделяющегося при электролизе, прямо пропорциональна количеству электричества, протекшего через раствор m=kIt – 1 закон Электрохимические эквиваленты различных веществ прямо пропорциональны их химическим эквивалента (2 закон Фарадея).

Применение: А) Рафинирование — очищение металлов под действием электролиза. Б) Добывание алюминия (в 1881 г. алюминий стоил как золото). В) Электроэкстракция — получение цинка и никеля. Г) Гальваностегия — покрытие металлических предметов тонким слоем другого металла. д) Гальванопластика — электролитическое осаждение металла на поверхность предмета для воспроизведения формы.

Е) Электрополировка — поверхность анода полируется. Ж) Коррозия природный электролиз. 10. Электрический ток в газах. Ионизация газа, воль - амперная характеристика. Самостоятельный и несамостоятельный разряд.

Процесс протекания тока через газ называется газовым разрядом.

Ионизация газа — это отрыв от атомов или молекул газа одного или нескольких электронов. В результате ионизации в газе возникают свободные носители заряда и он приобретает способность проводить электрический ток. Ионизаторами газов могут быть: Высокая температура; рентгеновское, ультрафиолетовое — излучение т.д. Вольт-амперная характеристика тока в газах. Газ, находящийся между двумя заряженными пластинами, подвергается ионизации. Повышая напряжение на пластиках конденсатора и измеряя силу тока, можно получить зависимость силы тока от напряжения. При небольших напряжениях ток в газе подчиняется закону Ома

Первичная ионизация идёт за счёт внешних воздействий (несамостоятельный разряд); Вторичная ионизация идёт за счёт неупругого соударения электрона с атомом (самостоятельный разряд). 11. Катодные лучи и их свойства. Плазма, её свойства и применение.

Поверхность катода испускает особого рода лучи, распространяющиеся, подобно световым лучам, прямолинейно — катодные лучи. Свойства: 1) сами невидимы, заставляют светиться другие вещества; 2) способны проходить сквозь тонкие металлические пластинки; З) ионизируют воздух; 4) действуют на фотографическую бумагу. Плазма — частично или полностью ионизированный газ. Вещество в таком состоянии электрически нейтрально, но содержит равные количества положительных и отрицательных зарядов. Свойства плазмы: • Особое четвёртое состояние вещества. • Легко перемещаются за счёт электрических и магнитных полей. • Действуют кулоновские силы взаимодействия. • Легко возбуждаются колебания и волны. • По проводимости приближенно к сверхпроводникам

Плазма применение: • Возникает при всех видах разряда. • Газовые лазеры. • Магнитодинамические генераторы. • Маломощные, плазменные двигателя на космических кораблях. • Плазмотрон — газоразрядное устройство для получения низкотемпературной плазмы. • Для управляемых термоядерных реакций. 12. Электрический ток в вакууме. Односторонняя проводимость. Работа вакуумного диода и транзистора.

Полный вакуум является идеальным изолятором, для существования электрического тока в вакууме, нужно искусственно ввести в это пространство свободные электроны (с помощью эмиссионных явлений). Термоэлектронная эмиссия — процесс испускания электронов нагретыми металлами.

Односторонняя проводимость. При накаливании проволочки , которая служит катодом лампы, происходит термоэлектронная эмиссия и в лампе появляются свободные электроны, которые держаться вокруг катода и создают отрицательный пространственный заряд, называемый электронным облаком. Увеличение пространственного заряда происходит за счёт увеличения температуры накала. Если анод лампы подсоединить с отрицательным полюсом, а катод — с положительным, тогда электрическое поле начнёт возвращать электроны обратно на катод и тока в анодной цепи не будет. Если с анодом лампы соединить с плюсом батареи, а катод — отрицательным, то в лампе начнёт перемещаться электроны к аноду, через лампу пойдёт ток. Электронные лапы замечательны тем, что они пропускают ток только в одном направлении. Применение: выпрямление переменного тока. Недостатки: хрупкие; габаритные; трудоёмкие и дорогие; чувствительны к перепадам напряжения; требуют дополнительной энергии для нагрева лампы.

Диод. Баллон — стекло или керамика. Вакуум. Катод - нить накала в виде вертикального металлического цилиндра, покрытого слоем оксидов щелочноземельных металлов. Анод - круглый или овальный цилиндр.

Транзистор (триод). Потоком электронов, движущихся в электронной лампе, можно управлять с помощью электрических и магнитных полей, т. к. они являются самыми лёгкими подвижными зарядами. Прибор, в котором осуществляется управление потоком электронов, называется вакуумным триодом. Управление происходит при помощи дополнительного электрода - сетки (имеющей форму спирали). Сетку располагают близко к катоду, и поэтому даже при небольшом напряжении, подаваемом между сеткой и катодом, в зазоре между ними создаётся сильное электрическое поле, оказывающее сильное влияние на анодный ток лампы. Если на сетку подаётся положительный потенциал относительно катода, то электрическое поле между сеткой и катодом способствует увеличению числа электронов, поступающих на анод. Т.к. сетка - это всего лишь тонкая проволока, то большинство отрицательно заряженных электронов пролетает мимо неё и движется к положительному аноду. В результате сила тока возрастает. При подаче на сетку отрицательного потенциала относительно катода, электрическое поле между сеткой и катодом препятствует движению электронов от катода к аноду и сила тока анодного тока убывает Применение: в радиоэлектронных схемах для усиления электрических сигналов. 13. Свойства электронного пучка. Работа электронно - лучевой трубки.

Свойства электронного пучка. Если в аноде электронной лампы сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, полетит в отверстие, образуя за анодом электронный пучок. • Попадая на тела, вызывает их нагревание. • При торможении быстрых электронов, попадающих на вещество, возникает рентгеновское излучение. • Некоторые вещества (стекло, сульфиды цинка и кадмия), бомбардируемые электронами, светятся. • Электронные пучки отклоняются электрическим и магнитным полем. • Обладают кинетической энергией

Электронно - лучевая трубка - является основной частью телевизора. Электронно-лучевая трубка представляет собой герметически закрытую стеклянную колбу с широким дном, из которой удален газ. В узкой части трубки расположена электронная трубка, которая создает электронный луч. При подогреве катода происходит термоэлектронная эмиссия. Электроны летят к аноду и по пути проходят через отверстие в управляющем электроде, который имеет форму полого цилиндра. Управляющий электрод позволяет регулировать число электронов, прилетающих к аноду, и помогает собирать их в узкий пучок, который и называют электронным лучом. Анод представляет собой несколько дисков с отверстиями. Эти диски помещаются в полый металлический цилиндр. Такое устройство анода тоже помогает фокусировке электронного луча на дне колбы. дно колбы является экраном. Между анодом и катодом трубки создается напряжение в несколько тысяч вольт. Поле между анодом и катодом разгоняет электроны до больших скоростей; поэтому, когда электроны, пролетев колбу, ударяются об экран, покрытый люминофором, последний начинает светиться - на экране возникает светлое пятнышко. Управлять движением электронного луча в трубке можно с помощью дополнительного поперечного электрического поля, создаваемого отклоняющими пластинами, для этого в трубку помещают две пары таких пластин, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Поле одной пары пластин отклоняет электронный луч в горизонтальном направлении, поле второй пары - в вертикальном направлении, таким способом можно перемещать светлое пятнышко по экрану электронно-лучевой трубки. 14. Электрический ток в полупроводниках (определение полупроводника). Образование свободных носителей зарядов в чистых полупроводниках. Примесная проводимость.

Вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, называют полупроводниками. Это элементы 4 группы таблицы Менделеева, германий и кремний, соединения III группы с элементами 6.

Образование свободных носителей зарядов в чистых полупроводниках. 4 валентный атом германия или кремния устроен так, что каждый атом имеет четыре соседа, с которыми связан ковалентными связями. При низкой температуре электрон связан с атомами; свободных носителей зарядов нет. При увеличении температуры энергия электронов увеличивается, и они рвут связи, а на их месте образуется положительная дырка. Таким образом, дырки, обладающие положительным зарядом, совершают в полупроводнике такое же хаотическое движение, как и свободные электроны. Поэтому дырки в полупроводнике условно считают подвижными носителями зарядов. Собственная проводимость называется Электронно-дырочной. Образование пары электрон - дырка называется генерацией (поглощение энергии), а процесс слияния пары в нейтральный атом называется рекомбинацией (идёт с выделением энергии). При создании в полупроводнике электрического поля, дырки движутся преимущественно в том направлении, куда двигались бы положительные заряды, а электроны - в противоположном направлении. При повышении температуры полупроводника число электронов проводимости, следовательно, и число дырок резко возрастает. Этим объясняется уменьшение сопротивления полупроводника с повышением температуры. Примесная проводимость. Донорная (электронная) n – типа.

Примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения равного им количества дырок, называют донорными (давать, жертвовать). Полупроводниковые кристаллы, в которых электроны служат основными носителями заряда, а дырки - не основными, называются электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа. Акцепторная (дырочная) p – типа. Примеси, захватывающие электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом электронов проводимости, называют акцепторными (приёмщик). Полупроводники в которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называют полупроводниками р типа или дырочными полупроводниками. 15. Термисторы. Применение полупроводников (работа полупроводникового диода и транзистора, их достоинства и недостатки).

Термисторы. Освещение, повышение температуры приводят к интенсивности разрыва ковалентных связей и появлению большого числа носителей заряда. На этом основано устройство термо- и фоторезисторов. Зная показания амперметра и зависимость сопротивления термистора от температуры, можно найти температуру электрической цепи. Фоторезисторы используются в фотореле, аварийных выключателях и т.д.

Полупроводниковый диод - способность р — п — перехода пропускать ток в одном направлении и практически не пропускать его в противоположном направлении. Назначение: выпрямлять переменный ток. Достоинства: • Малые размеры и масса; • Длительный строк службы; • Высокая механическая прочность; Высокий коэффициент полезного действия (98 %); * Устойчивость к перепадам напряжения; • Отсутствие цепей накала (как в ламповом диоде); • Упрощение схемы повышает их экономичность. Недостатки: Зависимость параметров от температуры. Полупроводниковый триод (транзистор) (слово транзистор происходит от английских слов переносить и сопротивление). Полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления изменений напряжения и тока, называют полупроводниковыми триодами или транзисторами. Состоит из базы, эмиттера и коллектора. 16. Магнитное поле и его свойства. Вектор магнитной индукции. Силовые магнитного поля. Магнитная проницаемость среды.

1. Магнитное поле порождается током, т.е. движущимися электрическими зарядами. 2. Магнитное поле обнаруживается по действию на магнитную стрелку. Всюду, где есть электрический ток, т.е. движущиеся электрические заряды, существует и магнитное поле. Свойства магнитного поля: 1. Реально существует; 2. Порождается током; 3. Обнаруживается по действию на ток; 4. Механизм взаимодействия — поле - ток; 5. Убывает с расстоянием; б. Имеет вихревой характер. Вектор магнитной индукции - силовая характеристика магнитного поля. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением магнитной стрелки от южного полюса S к северному N (внутри магнита) и с N на S (по воздуху). Линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок, называются силовыми линиями магнитного поля (линиями индукции). Силовая линия проводится так, что касательная к ней в любой её точке указывает направление силы, действующей в этой точке на северный полюс магнитной стрелки.

Направление силовых линий магнитного поля связано с направлением тока в проводнике ПРОСТЫМ правилом, предложенным английским учёным Максвеллом: Если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения рукоятки буравчика при этом совпадает е направлением силовых линий магнитного поля, существующего вокруг проводника. • Через каждую точку пространства проходит только одна линия индукции. поэтому линии индукции нигде не пересекаются друг с другом. • Линии индукции магнитного поля замкнуты, т.е. не имеют ни начала, ни конца и всегда охватывают проводник с током. • Поле, линии. индукции. которого всегда замкнуты. называется вихревым.

Величину µ выражающую зависимость силы взаимодействия электрических токов от среды, называют магнитной проницаемостью среды. Относительная магнитная проницаемость среды. (Она показывает, во сколько раз сила взаимодействия токов в данной среде больше, чем в вакууме) 17. Действие магнитного поля на проводник с током (сила ампера, правило левой руки для определения силы Ампера, магнитный момент, работа по перемещению проводника с током в магнитном поле). Напряжённость магнитного поля.

Сила Ампера. Сила действия однородного магнитного поля на проводник с током прямо пропорциональна силе тока, длине проводника, модулю вектора индукции магнитного поля, синусу угла между вектором индукции магнитного поля и проводником: F=I*B*L*sinα - закон Ампера Направление силы Ампера определяется правилом левой руки: Если расположить левую руку вдоль проводника так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в нём, а линии магнитной индукции входили в ладонь, то отогнутый большой палец будет указывать направление силы, действующей ка проводник с током.

Магнитный момент контура с током. Величину Р, характеризующую магнитные свойства контура с током, которые определяют его поведение во внешнем магнит ном поле, называют магнитным моментом этого контура. P=I*S Работа при перемещении проводника с током в магнитном поле. А=В*I*S или А=I*Ф.

Напряжённость магнитного поля. В =µ •Н. Величину Н, которая характеризует магнитное поле в какой- либо точке пространства, созданное макро токами в проводниках независимо от окружающей среды, называют напряжённостью магнитного тока в этой точке.