Постоянный электрический ток

...
Постоянный электрический ток
Элементы зонной теории
Энергетический спектр электрона в водородоподобном атоме
Свободные состояния
(сплошной спектр)
Связанные состояния
(дискретный спектр)
Энергетические уровни вырождены:
число квантовых состояний с энергией En
(кратность вырождения) gn = 2n2
Электроны подчиняются принципу запрета
Паули – в квантовом состоянии может
находится только один электрон.
Энергетические уровни заполняются после заполнения предшествующих, начиная с n=1.

Постоянный электрический ток
Элементы зонной теории
Объяснение энергетических зон
K=N⋅k состояний
L=N⋅l состояний
Система N атомов (твердое тело)
разрешенная зона
Взаимодействие атомов снимает вырождение:
энергетические уровни превращаются в энергетические зоны
запрещенная зона

Постоянный электрический ток
Элементы зонной теории
Твердое тело при T = 0
Зона
проводимости
Валентная
зона
Валентная зона заполнена,
зона проводимости свободна.
Проводимость σ = 0.
Полупроводник
Зона
проводимости
Валентная
зона
Зона проводимости
заполнена частично.
Проводимость σ > 0.
Металл

Постоянный электрический ток
Элементы зонной теории
Твердое тело при T > 0
Зона
проводимости
Валентная
зона
В валентной зоне появляются
дырки, в зоне проводимости - электроны.
Проводимость σ > 0.
Полупроводник
Зона
проводимости
Валентная
зона
Граница между заполненными
и незаполненными уровнями размывается.
Проводимость σ > 0.
Металл
электроны
дырки

Постоянный электрический ток
Элементы зонной теории
Примесные полупроводники
Зона
проводимости
Валентная
зона
Электроны с донорных уровней переходят в зону проводимости.
В зоне проводимости появляются электроны.
n–типа
Зона
проводимости
Валентная
зона
Электроны из валентной зоны переходят на акцепторные уровни.
В валентной зоне появляются дырки.
p–типа
Донорные
уровни
Акцепторные
уровни

Постоянный электрический ток
Температурная зависимость сопротивления металлов и полупроводников
для металлов и полупроводников,
где μ – подвижность
Металлы
Для чистых металлов α ≅ 1/273
Полупроводники
E0 – константа

Постоянный электрический ток
Электрический ток в вакууме
Причина тока в вакууме
металл
электронное
облако
вакуум
металл
Термоэлектронная эмиссия – явление образования электронного облака вблизи поверхности металлов из-за теплового движения свободных электронов

Постоянный электрический ток
Электрический ток в вакууме
ток насыщения
– формула Ричардсона-Дешмана
A = 120 А/(см2⋅К2), Φ – термоэлектронная работа выхода.
Для чистых металлов значительный ток достигается при температуре порядка 2000 К.
Для оксидных катодов, благодаря пониженной работе выхода, значительные токи достигаются уже при 1100 К.

Постоянный электрический ток
Закон трех вторых
уравнение
Лапласа
из закона
сохранения
энергии
– закон трех вторых (Богуславского-Ленгмюра)

Постоянный электрический ток
Электронные лампы
Вакуумный диод
анод
катод
Вольт–амперная характеристика
Температура катода
Ток в диоде появляется, если

Постоянный электрический ток
Электронные лампы
Схема выпрямителя
с конденсатором
без конденсатора

Постоянный электрический ток
Электронные лампы
Триод
анод
катод
сетка
Сетка располагается значительно ближе к аноду, чем катод. Поэтому Uс сильнее влияет на Iа , чем Uа.
– сеточные характеристики
– анодные характеристики

Постоянный электрический ток
Электронные лампы
Сеточные характеристики
≈ смещение характеристики
влево при Uа ↑ и вправо при Uа ↓
D – проницаемость сетки

Постоянный электрический ток
Электронные лампы
Схема усилителя
– дифференциальное
сопротивление триода
При
Так как D < 1
усиление (с инвертированием) переменного сигнала
– коэффициент усиления

Постоянный электрический ток
Электронные лампы
Тетрод
экранная
сетка
Назначение экранной сетки –
уменьшение влияния Ua на Ia .
Уменьшается D и увеличивается K.
Недостаток – динатронный эффект (из-за вторичной электронной эмиссии),
что приводит к ухудшению характеристик тетрода.

Постоянный электрический ток
Электронные лампы
Пентод
защитная
сетка
Назначение защитной сетки –
устранение динатронного эффекта.
Вторичные электроны под действием поля между анодом и защитной сеткой возвращаются на анод.

Электрические явления в контактах
Контактная разность потенциалов
M1
ϕ1
M2
ϕ2
M1, M2 – металлы
При контакте ϕ1 ≠ ϕ2
В приконтактной области действует ЭДС.
M1
M2
Mn
. . .
Правило Вольта:
(ϕn–ϕ1) не зависит от числа и вида промежуточных металлов.
Правило Вольта является следствием законов термодинамики.

Электрические явления в контактах
Контактная разность потенциалов
Причина возникновения КРП – диффузия электронов
из-за их разной концентрации и скорости в
контактирующих металлах.
+ –
+ –
+ –
+ –
+ –
При термодинамическом равновесии
– внутренняя контактная
разность потенциалов
μ – химический потенциал электронного газа в металле
в отсутствии электрического поля,
ϕ – электрический потенциал металла.

Электрические явления в контактах
Контактная разность потенциалов
M1
M2
В тонком приповерхностном слое металла имеется электрическое поле, по причине того, что “центр тяжести” электронной оболочки поверхностного атома не совпадает с его ядром.
По определению Φ – работа выхода электрона из металла
– внешняя контактная
разность потенциалов

Электрические явления в контактах
Термоэлектрический ток (явление Зеебека)
M1
M2
Если температуры контактов не равны T1 ≠ T0 ,
то в цепи возникает ток и, следовательно, возникает термоЭДС.
Явление Зеебека – явление возбуждения термоэлектрического тока.
Причина возникновения термоЭДС:
Диффузия электронов по причине различия а) тепловых скоростей электронов
б) концентраций электронов в случае полупроводников
Зависимость КРП от температуры.

Электрические явления в контактах
Термоэлектрический ток (явление Зеебека)
1
2
1
A
B
C
D
A
B
C
D
A
B
C
D
Распределение потенциала в цепи