Purtătorii unui curent electric în metale sunt electroni liberi. Pe baza conductivității electronice în metale se poate deduce legea lui Ohm. Energia cinetică a electronului în momentul coliziunii căii sale libere de capăt (cale liberă a electronilor - distanța dintre două poansoane adiacente) denota timpul liber mediu (intervalul de timp în care electronul trece lungimea căii libere) prin m Toți electronii de conducție care sunt disponibile în porțiunea conductorului. lungimea l și secțiunea S, dobândesc o energie egală cu
unde v este viteza electronului înainte de coliziunea sa cu ionul. Viteza medie G7 a mișcării direcționate ca urmare a acțiunii unui câmp electric staționar va fi
Presupunem că mișcarea unui electron între impacturi este accelerată uniform. Într-o formulă care exprimă puterea curentului prin cantități microscopice (I = neSv), înlocuim
obținem: 2I = neSv. Din această expresie găsim:
pe care le înlocuim în (3.18) și obținem:
În expresia (3.19), toate cantitățile înainte de a nu depinde de tensiune, și prin urmare:
Astfel, curentul este proporțional cu tensiunea. Caracteristica curentului de tensiune pentru metale este prezentată în Fig. 53. Cunoscând curentul I, încărcarea electronică e, aria secțiunii transversale a conductorului și concentrația de electroni, putem determina viteza mișcării ordonate a electronilor, așa-numita viteză de deviație.
SCOP:
Curentul electric este prezent peste tot, curge: în corpul nostru, transmiterea impulsurilor nervoase în atmosferă, provocând lovituri de trăsnet și altele, și, desigur, în aparatele electrice, care curge prin fire metalice.
Dispozitiv:
Curentul electric din metale este mișcarea electronilor liberi încărcați negativ sub acțiunea unui câmp electric în spațiul dintre ionii încărcați pozitiv dintr-o rețea de cristal comandată a unui metal.
PRINCIPIUL OPERAȚIEI:
Energiile libere încărcate negativ suferă o mișcare haotică în spațiul dintre ioni, dar sub acțiunea unui câmp electric încep să se deplaseze spre electrodul încărcat pozitiv. Viteza acestei deplasări este foarte mică, aproximativ 1 mm pe secundă. Cu toate acestea, câmpul electric se propagă de-a lungul conductorului cu viteza luminii (300 000 km / s) și, deoarece toți electronii încep să se miște simultan, se pare că curentul se mișcă la viteza luminii!
Curent electric în semiconductori
Semiconductorii numesc o clasă de substanțe în care temperatura crește conductivitatea, scade rezistența electrică. Acest semiconductor este fundamental diferit de metale. Semiconductorii tipici sunt cristalele de germaniu și siliciu, în care atomii sunt combinați prin legare covalentă. La orice temperatură, există electroni liberi în semiconductori. Electronii liberi sub acțiunea unui câmp electric extern se pot mișca în cristal, creând un curent electronic de conductivitate. Îndepărtarea unui electron din carcasa exterioară a unuia dintre atomii laturii cristaline duce la transformarea acestui atom într-un ion pozitiv. Acest ion poate fi neutralizat prin captarea unui electron de la unul din atomii învecinați. Mai departe, ca urmare a tranzițiilor electronice de la atomi la ionii pozitivi, există un proces de deplasare haotică în cristalul locului cu electronul lipsă. În exterior, acest proces este perceput ca deplasarea unei încărcături electrice pozitive, numită o gaură. Atunci când cristalul este plasat într-un câmp electric, apare o mișcare a gaurii ordonată - curentul de conducere al găurii. Într-un cristal semiconductor ideal, curentul electric este creat de mișcarea unui număr egal de electroni încărcați negativ și găuri încărcate pozitiv. Conductivitatea în semiconductorii ideali se numește conductivitate intrinsecă. Proprietățile semiconductoarelor depind puternic de conținutul de impurități. Impuritățile sunt de două tipuri - donator și acceptor. Impuritățile care dau pe electroni și creează conductivitatea electronică se numesc donatori (impuritățile având o valență mai mare decât cea a semiconductorului principal). Semiconductorii, în care densitatea electronilor depășește concentrația găurilor, se numesc semiconductori de tip n. Impuritățile, creând electroni și găuri interesante se deplasează astfel, fără a crește numărul de electroni de conducție, numit acceptorul (impuritate care are o valență mai mică decât semiconductor principal). La temperaturi scăzute, principalii purtători de curent într-un cristal semiconductor cu o impuritate acceptoare sunt găuri și nu principalele purtătoare de electroni. Semiconductorii, în care concentrația găurilor depășește concentrația electronilor de conducere, se numește semiconductori de tip p sau semiconductori de tip p. Să luăm în considerare contactul a două semiconductori cu diferite tipuri de conductivitate. Peste limita acestor materiale semiconductoare de difuzie reciprocă a purtătorilor majoritari: electronii din n-semiconductor este difuzat în p-semiconductor și găurile din p-semiconductor în n-semiconductor. Ca parte rezultat, n-semiconductor se invecineaza cu contactul, vor fi epuizate de electroni, și se formează o sarcină pozitivă în exces, datorită prezenței ionilor de impuritate goale. Deplasarea găurilor din p-n-semiconductor în semiconductor duce la sarcină negativă în exces în porțiunea de delimitare a p-semiconductor. Ca rezultat, se formează un strat dublu electric și apare un câmp electric de contact care împiedică difuzarea în continuare a purtătorilor principali de încărcare. Acest strat se numește blocare. Câmpul electric extern afectează conductivitatea electrică a stratului de barieră. Dacă semiconductorii sunt conectați la sursă așa cum se arată în Fig. 55, apoi, sub influența unui extern purtători de sarcină majoritate câmp electric - electronii liberi în n-semiconductor și găurile din p-semiconductor - se vor deplasa unul către altul la interfața dintre semiconductor, grosimea p-n-tranziție este redusă, prin urmare, rezistența sa scade. În acest caz, curentul este limitat de rezistența externă. Această direcție a câmpului electric extern este numită direct. Conectarea directă a joncțiunii p-n corespunde secțiunii 1 a caracteristicii de tensiune curentă (vezi figura 57). Purtătorii unui curent electric în diferite medii și caracteristicile volt-ampere sunt generalizate în tabel. 1. Dacă semiconductorii sunt conectați la sursă așa cum se arată în Fig. 56, electronii din n-semiconductor și găurile din p-semiconductor se va deplasa sub influența unui câmp electric extern de la granița în direcții opuse. Grosimea stratului de barieră și, prin urmare, rezistența sa crește. Cu o astfel de direcție a câmpului electric extern - opus (blocare) trec prin interfața numai purtătorilor minoritari, concentrația de care este mult mai mică decât principal, iar curentul este practic zero. Includerea inversă a joncțiunii pn corespunde cu regiunea 2 pe caracteristica curentului de tensiune (Figura 57). Astfel, joncțiunea pn are o conductivitate asimetrică. Această proprietate este folosită în diodele semiconductoare care conțin o intersecție p-n și sunt utilizate, de exemplu, pentru rectificarea sau detectarea AC. Semiconductorii sunt utilizați pe scară largă în echipamentele electronice moderne. Dependența rezistenței electrice a metalelor semiconductoare la temperatură este utilizată în dispozitivele semiconductoare speciale - termistori. Instrumentele care utilizează proprietatea cristalelor semiconductoare pentru a-și schimba rezistența electrică atunci când sunt iluminate de lumină se numesc fotorezistoare.
Curent electric în electroliți
Electroliții sunt numiți medii conductive în care fluxul de curent electric este însoțit de transferul de materie. Purtătorii de încărcături gratuite în electroliți sunt ioni încărcați pozitiv și negativ. Electroliții includ numeroși compuși de metal cu metaloizi în stare topită, precum și unele solide. Cu toate acestea, principalii reprezentanți ai electroliților, utilizați pe scară largă în tehnologie, sunt soluțiile apoase de acizi anorganici, săruri și baze.
Trecerea unui curent electric prin electrolit este însoțită de eliberarea de substanțe pe electrozii. Acest fenomen se numește electroliză. Curentul electric în electroliți este mișcarea ionilor ambelor semne în direcții opuse. Ionii pozitivi se deplasează la electrodul negativ (catod), ionii negativi la electrodul pozitiv (anodul). Ioni ai ambelor semne apar în soluții apoase de săruri, acizi și alcalii ca rezultat al despicării unei părți din moleculele neutre. Acest fenomen se numește disociere electrolitică. De exemplu, clorura de cupru, CuCI2 în soluție apoasă disociază în ioni și clor cupru: La conectarea electrozilor la ionii sursa de curent sub câmpul electric începe mișcare comandate: ionii pozitivi de cupru muta spre catod și încărcat negativ ionii de clor - la anod (Fig 4.15.1 ). După atingerea catodului, ionii de cupru sunt neutralizați de electronii în exces ai catodului și transformați în atomi neutri depuși pe catod. Ioni de clor, ajungând la anod, dau până la un electron. După aceea atomii de clor neutri sunt conectați în perechi și formează molecule de clor Cl2. Clorul este eliberat la anod sub formă de bule. În multe cazuri, electroliza este însoțită de reacții secundare ale produșilor de descompunere eliberați pe electrozi la materialul electrozilor sau solvenților. Un exemplu este electroliza unei soluții apoase de sulfat de cupru CuSO4 (sulfat de cupru), în cazul în care electrozii sunt coborâte în electrolit, realizat din cupru. Disocierea moleculelor de sulfat de cupru are loc conform schemei. Atomii de cupru neutri sunt depozitați ca un precipitat solid pe catod. În acest fel, este posibil să se obțină cupru chimic pur. Ionul dă anodului doi electroni și se transformă într-un radical SO4 neutru care intră în reacția secundară cu anodul de cupru. Moleculele de sulfat de cupru formate trec în soluție. Astfel, atunci când un curent electric trece printr-o soluție apoasă de sulfat de cupru, anodul de cupru se dizolvă și depozitele de cupru de pe catod. Concentrația soluției de sulfat de cupru nu se modifică. Legea de electroliză a fost stabilită experimental de către fizicianul englez M. Faraday în 1833. Legea lui Faraday definește numărul de produse primare a evoluat la electrozi în timpul electrolizei: m substanta Mass evoluat la electrodul este direct proporțională cu încărcătura Q, a trecut prin electrolit: Valoarea k se numește echivalentul electrochimic. Masa substanței eliberată pe electrod este egală cu masa tuturor ionilor care au ajuns la electrod:
Aici, m0 și q0 - masa și încărcare a ionului, - numărul de ioni care vin la electrod la trecerea prin electrolitul rechizitoriul Q. Astfel, electrochimică echivalentă k este raportul dintre m0 masa ion a substanței q0 sale de încărcare. Deoarece sarcina ionului este produsul valența substanței asupra n sarcina electrica elementara e (q0 = ne), expresia pentru echivalentul electrochimic al k poate fi scrisă ca
F = eNA = 96485 CI / mol.
Aici NA este constanta Avogadro, M = m0NA este masa molară a substanței, F = eNA este constanta Faraday.
Constanta Faraday este numeric egală cu sarcina, care trebuie să fie trecută prin electrolit pentru a separa un mol de substanță monovalentă de pe electrod. Legea lui Faraday pentru electroliză are forma:
Fenomenul electrolizei este utilizat pe scară largă în producția industrială modernă.
Curentul electric în gaze
În gaze există evacuări electrice care nu sunt auto-susținute și independente.
Fenomenul fluxului unui curent electric printr-un gaz, observat numai în condițiile unei anumite acțiuni externe asupra gazului, se numește descărcare electrică care nu se auto-susține. Procesul de detașare a unui electron de la un atom se numește ionizarea unui atom. Energia minimă care trebuie consumată pentru detașarea unui electron de la un atom este numită energia ionizării. Un gaz parțial sau complet ionizat în care densitățile încărcărilor pozitive și negative sunt aceleași se numește plasmă.
Purtătorii de curent electric cu descărcare care nu este auto-susținut sunt ionii pozitivi și electronii negativi. Caracteristica curentului de tensiune este prezentată în Fig. 54. În domeniul OAW, o categorie non-auto-susținută. În regiunea soarelui, categoria devine independentă.
Cu o descărcare independentă, una dintre metodele atomilor ionizatori este ionizarea prin impact cu electroni. Ionizarea prin impact cu electroni devine posibilă atunci când electronul dobândește energia cinetică Wk pe calea liberă medie A. suficient pentru efectuarea lucrărilor de detașare a unui electron de la un atom. Tipuri de evacuări independente în gaze - descărcări de scânteie, coroane, arc și strălucire.
Deblocarea scantei apare între doi electrozi încărcați cu sarcini diferite și având o diferență mare de potențial. Tensiunea între corpurile încărcate opuse atinge până la 40 000 V. Evacuarea cu scânteie este de scurtă durată, mecanismul său fiind un șoc electronic. Fulgerul este un fel de descărcare prin scânteie. Într-un câmp electric puternic neuniforme formate, de exemplu, între vârful și planul sau între linia de conductorul de transmisie a puterii și suprafața Pământului, există o anumită formă de auto-descărcare în gaze numite corona. descărcare în arc electric a fost descoperit de oamenii de știință ruși V. Petrov, în 1802, cu contactul a doi electrozi la o tensiune de 40-50 atomi de carbon în unele locuri există o mulțime de secțiuni mici, cu o rezistență electrică mare. Aceste zone sunt puternic încălzite, emit electroni, care ionizează atomi și molecule între electrozii. Purtătorii de curent electric în arc sunt ioni încărcați pozitiv și electroni. Descărcarea care se produce sub presiune redusă este denumită descărcare gravă. Pe măsură ce presiunea scade, calea medie liberă a unui electron crește, iar în timpul perioadei de coliziune se obține suficientă energie pentru ionizare într-un câmp electric cu o intensitate mai mică. Descărcarea se efectuează printr-o avalanșă de electroni-ion.
Curentul electric în vid
Dacă doi electrozi sunt plasați într-un vas etanș și aerul este scos din vas, atunci nu există curent electric în vid - nu există purtătoare de curent electric. om de știință american TA Edison (1847-1931) în 1879 g. a descoperit că un curent electric poate avea loc într-un tub de sticlă cu vid, în cazul în care unul dintre electrozii acestea sunt încălzite la o temperatură ridicată. Fenomenul de emisie a electronilor liberi de pe suprafața corpurilor încălzite se numește emisie termică. Lucrarea care trebuie făcută pentru a elibera electronul de pe suprafața corpului se numește funcția de lucru. Fenomenul emisiei termice se explică prin faptul că, atunci când crește temperatura corpului, energia cinetică a unei părți a electronilor din substanță crește. În cazul în care energia cinetică depășește funcția de lucru, se poate depăși efectul forțelor de atracție din ionii pozitivi și ieșirea din suprafața corpului într-un vid. Fenomenul emisiei termice se bazează pe activitatea diferitelor tuburi de electroni.
Trimiteți-le prietenilor: