Электрический ток в различных средах

Электрический ток

в различных средах

Содержание:

• Вещества
• Электрический ток в металлах
• Электрический ток в полупроводниках
• Электрический ток в жидкостях
• Электрический ток в газах
• Электрический ток в вакууме

Вещества

Разные вещества имеют различные электрические свойства, однако по электрической проводимости их можно разделить на 3 основные группы:

Электрические

свойства веществ

Диэлектрики

Полупроводники

Проводники

Практически не проводят электрический ток

Хорошо проводят электрический ток

К ним относятся пластмассы, резина, стекло, фарфор, сухое дерево, бумага …

Занимают по проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками

К ним относятся металлы, электролиты, плазма …

Наиболее используемые проводники – Au, Ag, Cu, Al, Fe …

Si, Ge, Se, In, As

Электрический ток

в металлах

Электрический ток в металлах

Природа электрического тока в металлах

Электрический ток в металлических проводниках никаких изменений в этих проводниках, кроме их нагревания не вызывает. Концентрация электронов проводимости в металле очень велика: по порядку величины она равна числу атомов в единице объёма металла. Электроны в металлах находятся в непрерывном движении. Их беспорядочное движение напоминает движение молекул идеального газа. Это дало основание считать, что электроны в металлах образуют своеобразный электронный газ. Но скорость беспорядочного движения электронов металле значительно больше скорости молекул в газе (она составляет примерно 105 м/с).

Электрический ток в металлах

Опыт Папалекси-Мандельштама

• Описание опыта :
• Цель: выяснить какова проводимость металлов.
• Установка: катушка на стержне со скользящими контактами, присоединены к гальванометру.
• Ход эксперимента: катушка раскручивалась с большой скоростью, затем резко останавливалась, при этом наблюдался отброс стрелки гальванометра.
• Вывод: проводимость металлов - электронная.

Электрический ток в металлах

Металлы имеют кристаллическое строение . В узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы, совершающие тепловые колебания вблизи положения равновесия, а в пространстве между ними хаотично движутся свободные электроны.

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Электрическое поле сообщает им ускорение в направлении, противоположном направлению вектора напряженности поля. Поэтому в электрическом поле беспорядочно движущиеся электроны смещаются в одном направлении, т.е. движутся упорядоченно.

Электрический ток в металлах

Зависимость сопротивления проводника от температуры

• При повышении температуры удельное сопротивление проводника возрастает.
• Коэффициент сопротивления равен относительному изменению сопротивления проводника при нагревании на 1К.

Электрический ток

в полупроводниках

• Собственная проводимость полупроводников
• Примесная проводимость полупроводников
• p – n переход и его свойства

Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники

Полупроводники – вещества у которых удельное сопротивление с повышением температуры уменьшается

• Собственная проводимость полупроводников
• Примесная проводимость полупроводников
• p – n переход и его свойства

Электрический ток в полупроводниках

Собственная проводимость полупроводников

• Рассмотрим проводимость полупроводников на основе кремния Si

Кремний – 4 валентный химический элемент. Каждый атом имеет во внешнем электронном слое по 4 электрона, которые используются для образования парноэлектронных (ковалентных) связей с 4 соседними атомами

-

Si

Si

-

Si

-

-

-

-

Si

Si

-

-

При обычных условиях (невысоких температурах) в полупроводниках отсутствуют свободные заряженные частицы, поэтому полупроводник не проводит электрический ток

Электрический ток в полупроводниках

Рассмотрим изменения в полупроводнике при увеличении температуры

-

Si

Si

свободный электрон

-

Si

+

дырка

+

-

-

-

-

Si

Si

+

-

-

При увеличении температуры энергия электронов увеличивается и некоторые из них покидают связи, становясь свободными электронами . На их месте остаются некомпенсированные электрические заряды (виртуальные заряженные частицы), называемые дырками.

Электрический ток в полупроводниках

Таким образом, электрический ток в полупроводниках представляет собой упорядоченное движение свободных электронов и положительных виртуальных частиц - дырок

Зависимость сопротивления от температуры

R (Ом)

металл

R 0

полупроводник

t ( 0 C)

При увеличении температуры растет число свободных носителей заряда, проводимость полупроводников растет , сопротивление уменьшается.

Электрический ток в полупроводниках

Собственная проводимость полупроводников явно недостаточна для технического применения полупроводников. Поэтому для увеличение проводимости в чистые полупроводники внедряют примеси (легируют) , которые бывают донорные и акцепторные

• Донорные примеси

-

Si

Si

-

При легировании 4–валентного кремния Si 5–валентным мышьяком As, один из 5 электронов мышьяка становится свободным. As – положительный ион. Дырки нет!

-

As

-

-

-

-

Si

Si

-

-

Такой полупроводник называется полупроводником n – типа , основными носителями заряда являются электроны , а примесь мышьяка, дающая свободные электроны, называется донорной.

Электрический ток в полупроводниках

Акцепторные примеси

Если кремний легировать трехвалентным индием, то для образования связей с кремнием у индия не хватает одного электрона, т.е. образуется дырка

Основа дает электроны и дырки в равном количестве. Примесь – только дырки.

-

Si

Si

-

Такой полупроводник называется полупроводником p – типа , основными носителями заряда являются дырки , а примесь индия, дающая дырки, называется акцепторной

In

-

-

+

-

Si

Si

-

-

Электрический ток

в жидкостях

Электрический ток в жидкостях

Дистиллированная вода не проводит электрического тока. Опустим кристалл поваренной соли в дистиллированную воду и, слегка перемешав воду, замкнем цепь. Мы обнаружим, что лампочка загорается.

При растворении соли в воде появляются свободные носители электрических зарядов.

Электрический ток в жидкостях

Как возникают свободные носители электрических зарядов?

При погружении кристалла в воду к положительным ионам натрия, находящимся на поверхности кристалла, молекулы воды притягиваются своими отрицательными полюсами. К отрицательным ионам хлора молекулы воды поворачиваются положительными полюсами.

Электрический ток в жидкостях

Электролитическая диссоциация –

это распад молекул на ионы под действием растворителя.

Подвижными носителями зарядов в растворах являются только ионы.

Жидкий проводник, в котором подвижными носителями зарядов являются только ионы, называют электролитом.

Электрический ток в жидкостях

Как проходит ток через электролит?

Опустим в сосуд пластины и соединим их с источником тока. Эти пластины называются электродами.

Катод -пластина, соединенная с отрицательным полюсом источника.

Анод - пластина, соединенная с положительным полюсом источника.

Электрический ток в жидкостях

Под действием сил электрического поля положительно заряженные ионы движутся к катоду, а отрицательные ионы к аноду.

На аноде отрицательные ионы отдают свои лишние электроны, а на катоде положительные ионы получают недостающие электроны.

Электрический ток в жидкостях

Электролиз

На катоде и аноде выделяются вещества, входящие в состав раствора электролита.

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

Электрический ток в жидкостях

Закон электролиза

Масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q , прошедшему через электролит:

m = kQ = kIt .

Это закон электролиза.

Величину k называют электрохимическим эквивалентом .

Опыты Фарадея показали, что масса выделившегося при электролизе вещества зависит не только от величины заряда, но и от рода вещества.

Электрический ток

в газах

Электрический ток в газах

Электрический ток в газах

Газы в нормальном состоянии являются диэлектриками, так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и поэтому не проводят электричества. Изолирующие свойства газов объясняются тем, что атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными незаряженными частицами. Отсюда ясно, что для того, чтобы сделать газ проводящим, нужно тем или иным способом внести в него или создать в нем свободные носители заряда – заряженные частицы. При этом возможны два случая: либо эти заряженные частицы создаются действием какого-нибудь внешнего фактора или вводятся в газ извне – несамостоятельная проводимость , либо они создаются в газе действием самого электрического поля, существующего между электродами – самостоятельная проводимость.

Электрический ток в газах

• Проводниками могут быть только ионизированные газы, в которых содержатся электроны, положительные и отрицательные ионы.

• Ионизацией называется процесс отделения электронов от атомов и молекул. Ионизация возникает под действием высоких температур и различных излучений (рентгеновских, радиоактивных, ультрафиолетовых, космических лучей), вследствие столкновения быстрых частиц или атомов с атомами и молекулами газов. Образовавшиеся электроны и ионы делают газ проводником электричества.
• Процессы ионизации:

• электронный удар
• термическая ионизация
• фотоионизация

Электрический ток в газах

Типы самостоятельных разрядов

В зависимости от процессов образования ионов в разряде при различных давлениях газа и напряжениях, приложенных к электродам, различают несколько типов самостоятельных разрядов:

• тлеющий
• искровой
• коронный
• дуговой

Электрический ток в газах

Тлеющий разряд

• Тлеющий разряд возникает при низких давлениях (в вакуумных трубках). Для разряда характерна большая напряженность электрического поля и соответствующее ей большое падение потенциала вблизи катода.

• Его можно наблюдать в стеклянной трубке с впаянными у концов плоскими металлическими электродами.
• Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой, называемый катодной светящейся пленкой

Электрический ток в газах

Искровой разряд

• Искровой разряд – соединяющий электроды и имеющий вид тонкого изогнутого светящегося канала (стримера) с множеством разветвлений. Искровой разряд возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного Р ат .
• По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полос, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга.
• Эти полоски называют искровыми каналами.

Электрический ток в газах

Коронный разряд

• Коронный разряд наблюдается при давлении близком к атмосферному в сильно неоднородном электрическом поле. Такое поле можно получить между двумя электродами, поверхность одного из которых обладает большой кривизной (тонкая проволочка, острие).
• Газ светится, образуя «корону», окружающую электрод.
• Коронные разряды являются источниками радиопомех и вредных токов утечки около высоковольтных линий передач (основной источник потерь).

Электрический ток в газах

В некоторых случаях коронный разряд с громоотвода бывает настолько сильным, что у острия возникает явно видимое свечение. Такое свечение иногда появляется и возле других заостренных предметов, например, на концах корабельных мачт, острых верхушек деревьев, и т.д. Это явление было замечено еще несколько веков тому назад и вызывало суеверный ужас мореплавателей, не понимавших истинной его сущности ( «Огни святого Эльма»)

Электрический ток в газах

Дуговой разряд

• Если после получения искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд из прерывистого становится непрерывным возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом .

• Р ат
• U=50-100 В
• I = 100 А

Электрический ток

в вакууме

Электрический ток в вакууме

Вакуум

Вакуум - сильно разреженный газ, в котором средняя длина свободного пробега частицы больше размера сосуда. В результате в вакууме нет свободных носителей заряда, и самостоятельный разряд не возникает. Для создания носителей заряда в вакууме используют явление термоэлектронной эмиссии .

Электрический ток в вакууме

Термоэлектронная эмиссия

Если два электрода поместить в герметичный сосуд и удалить из сосуда воздух, то электрический ток в вакууме не возникает - нет носителей электрического тока. Американский ученый Т. А. Эдисон (1847-1931) в 1879 г. обнаружил, что в вакуумной стеклянной колбе может возникнуть электрический ток, если один из находящихся в ней электродов нагреть до высокой температуры. Явление испускания свободных электронов с поверхности нагретых тел называется термоэлектронной эмиссией .

На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа различных электронных ламп .

Электрический ток в вакууме

Вакуумный диод

Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью. При изменении полярности включения Ба , ток в анодной цепи не регистрируется.