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

Электрические
свойства веществ
Проводники
Полупроводники
Диэлектрики
Хорошо проводят электрический ток
К ним относятся металлы, электролиты, плазма …
Наиболее используемые проводники – Au, Ag, Cu, Al, Fe …
Практически не проводят электрический ток
К ним относятся пластмассы, резина, стекло, фарфор, сухое дерево, бумага …
Занимают по проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками
Si, Ge, Se, In, As
Разные вещества имеют различные электрические свойства, однако по электрической проводимости их можно разделить на 3 основные группы:
Вещества

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).

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 металлах

Электрический ток
в полупроводниках
Собственная проводимость полупроводников
Примесная проводимость полупроводников
p – n переход и его свойства

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

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
При обычных условиях (невысоких температурах) в полупроводниках отсутствуют свободные заряженные частицы, поэтому полупроводник не проводит электрический ток
Si
Si
Si
Si
Si
-
-
-
-
-
-
-
-
Электрический ток в полупроводниках
Рассмотрим проводимость полупроводников на основе кремния Si
Собственная проводимость полупроводников

Рассмотрим изменения в полупроводнике при увеличении температуры
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.
Si
Si
Si
Si
Si
-
-
-
-
-
-
+
свободный электрон
дырка
+
+
-
-
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)
t (0C)
металл
R0
полупроводник
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
Si
Si
-
-
-
As
-
-
-
Si
-
Si
-
-
При легировании 4–валентного кремния Si 5–валентным мышьяком As, один из 5 электронов мышьяка становится свободным. As – положительный ион. Дырки нет!
Такой полупроводник называется полупроводником n – типа, основными носителями заряда являются электроны, а примесь мышьяка, дающая свободные электроны, называется донорной.
Электрический ток в полупроводниках
Донорные 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
-
In
-
-
-
+
Si
Si
-
-
Акцепторные примеси
Такой полупроводник называется полупроводником p – типа, основными носителями заряда являются дырки, а примесь индия, дающая дырки, называется акцепторной
Электрический ток в полупроводниках

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

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.
Электролиз
Электрический ток в жидкостях

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.
Закон электролиза
Электрический ток в жидкостях

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
Электрический ток в газах

электронный удар
термическая ионизация
фотоионизация
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:
Электрический ток в газах

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
Типы самостоятельных разрядов
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 Рат.
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.
Рат
U=50-100 В
I = 100 А
Электрический ток в газах

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

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
Термоэлектронная эмиссия