Електричний струм в газах

Гази на відміну від металів і електролітів за звичайних умов скла­даються з електрично нейтральних атомів та молекул і тому не є про­відниками електрики. Досліди підтверджують це. Якщо до двох обкладок плоского повітряного конденсатора під'єднати джерело струму і послідовно увімкнути гальванометр, то в разі замикання електричного кола гальванометр не зафіксує струму. Підігрівши повітряний прошарок конденсатора запаленим сірни­ком, будемо спостерігати помітний струм. Отже, щоб газ став провід­ним, треба внести або створити в ньому вільні носії заряду. Це можна здійснити, перш за все, способом іонізації нейтральних атомів або молекул газу. Іонізація газів можлива під впливом космічного, рент­генівського або радіоактивного проміння, через зіткнення атомів із швидкими електронами або іншими елементарними чи атомними частинками, під час нагрівання газів тощо. У кожному разі відбува­ється відщеплення з електронної оболонки атома чи молекули одно­го або кількох електронів. Цей процес називають іонізацією. Вна­слідок іонізації з'являються вільні електрони і позитивно заряджені іони. Вільні електрони, у свою чергу, можуть захоплюватись ней­тральними атомами або молекулами, перетворюючи останні в нега­тивні іони. Таким чином, у газі під дією іонізаторів з'являються по­зитивні і негативні іони та вільні електрони. Газ стає провідником струму. Між іншим, гази (наприклад, повітря) за звичайних природ­них умов мають незначну провідність, зумовлену частковою іоніза­цією їх під дією космічного проміння та опромінення радіоактивни­ми елементами, які завжди в невеликій кількості є на поверхні землі та в повітрі.

Атоми і молекули є стійкими системами заряджених частинок. Для відриву від атома електрона потрібно затратити енергію, яку на­зивають енергією або роботою іонізації. Робота іонізації А_і атомів різ­них газів не однакова. Вона залежить від хімічної природи газу та енергетичного стану електрона в атомі або молекулі. Виражається робота іонізації в електрон-вольтах. Енергію іонізації характеризу­ють потенціалом іонізації φ_і;, під яким розуміють ту різницю потен­ціалів, яку має пройти електрон у прискорювальному електричному полі, щоб набути енергії, яка дорівнює роботі іонізації:

Іони та вільні електрони в іонізованому газі, як і нейтральні атоми та молекули, перебувають у постійному хаотичному русі. У разі збли­ження протилежно заряджених частинок вони з'єднуються між со­бою і утворюють нейтральні атоми та молекули. Цей процес назива­ють рекомбінацією.

Рекомбінація іонів супроводжується виділенням енергії здебіль­шого у вигляді світлового випромінювання, тому процеси, які відбу­ваються при рекомбінації, характерні світінням газу.

Несамостійний розряд у газах

Явища, які пов'язані з проходженням електричного струму крізь газ і супроводжуються зміною стану газу (склад, тиск, енергетичні стани молекул тощо), називають електричним розрядом у газах. За­лежно від механізму іонізації розряди в газах поділяють на несамо­стійні і самостійні. Електричний розряд вважають несамостійним, якщо він виникає тільки під дією іонізатора, а з припиненням його дії розряд зникає. Електропровідність газів досліджують за допомо­гою газорозрядної трубки (рис. 1) з двома електродами, наповненої досліджуваним газом. Напругу між електродами змінюють потенціо­метром. Іонізацію здійснюють довільним способом, наприклад, ультрафіолетовим або рентгенівським випромінюванням. Як видно з вольт-амперної характеристики електричного розряду (рис..2), в газі при постійній потужності іонізатора спочатку зі зміною напру­ги U струм змінюється лінійно. З подальшим збільшенням напруги залежність І= f(U) набуває нелінійного характеру, а при U >U_l си­ла струму не залежить від напруги (U = const). Струм І_н називають струмом насичення. З підвищенням напруги U > U₂ спостерігається значне зростання сили струму, яке супроводжується тепловими і світловими ефектами. Струм у газах при несамостійному розряді створюється напрямленим рухом іонів і електронів під дією елек­тричного поля.

■

Рис..1 Рис.2

Самостійний розряд у газах

З підвищенням напруги до значень U > U₂ сила струму в газовому розряді різко зростає в сотні і тисячі разів. Дослід показує, що за певних умов припинення дії іонізатора не впливає на протікання розряду. Електричний струм у газі, який проходить без дії зовнішнього іонізатора, називають самостійним розрядом. Самостійний розряд підтримується за досить високої на­пруги на електродах, при якій той розряд, що почався, самостійно створює потрібні для його подальшого протікання електрони та іони. Поповнення носіїв заряду при самостійному розряді може відбува­тись із різних причин, зокрема завдяки механізмові ударної іонізації атомів (молекул) газу. Це процес вибивання електронів з нейтраль­них атомів під час зіткнення їх з потоком швидких електронів. Отже, несамостійний розряд переходить у самостійний тоді, коли нові іони утворюються внаслідок внутрішніх процесів, що відбуваються у са­мому газі.

Тліючий розряд

Форма і взаємне розміщення електродів, режим їхньої роботи (підведена потужність, характер охолодження та інші параметри) визначають тип розряду. Кожному типові відповідає певний стан іонізованого газу, який характеризується температурою, електропро­відністю, спектрами випромінювання і поглинання тощо. Більше то­го, виявляється, що стан деякого елемента іонізованого газу для кон­кретного типу розряду істотно залежить від того, в якій області роз­рядного проміжку міститься цей елемент, та від його відстані до електрода. У зв'язку з цим розрізняють не тільки типи розрядів, а й об­ласті розрядного проміжку, що належать до того самого типу розряду.

Найпростішим і найбільш вивченим типом розряду, в якому газ перебуває в дуже нерівноважному стані, є тліючий розряд. Він спо­стерігається в газах при низьких тисках (близько 10³ Па і менше). Тліючим розрядом називають самостійний розряд, в якому звільнен­ня електронів з катода відбувається внаслідок бомбардування його позитивними іонами і фотонами, що утворюються в газі.

39. Електричний струм у вакуумі.

1. Термоелектронна емісія. Залежність струму насичення від температури

Явище виходу електронів з металів називають емісією. Емісія електронів може відбуватись при бомбардуванні поверхні металу електронами або іонами (вторинна електронна емісія) під дією світла, що падає на метал (фотоелектронна емісія) і внаслідок тепло­вого руху електронів провідності. Емісію, зумовлену тепловим рухом електронів, називають термоелектронною.

Електрони в металах, перебуваючи в тепловому русі, розподілені за швидкостями так, що при довільній температурі завжди є електро­ни з енергією, достатньою для переборення потенціального бар'єра (виконання роботи виходу). Такі електрони вириваються (емітують) з металу, утворюючи навколо нього електронну хмару. Якщо у ваку­умі, де розміщується нагрітий метал, існує електричне поле, напру­женість якого напрямлена до поверхні металу, то виникає електрич­ний струм. Його називають термоелектронним. Явище термоелек­тронної емісії відкрив у 1883 р, американський винахідник у галузі електротехніки Т. Едісон (1847—1931), Це явище зручно спостерігати за допомогою вакуумної лампи з двома електродами, яку називають вакуумним діодом. Один з електродів (катод) являє собою дріт із ту­гоплавкого металу (вольфрам, молібден тощо), який розжарюється електричним струмом. Другий електрод — анод. Здебільшого анод має форму циліндра, уздовж осі якого розміщено катод.

Якщо катод холодний, то з увімкненням діода в електричне коло

(рис. 1) струму в колі не буде. Це пояснюється тим, що досить розріджений газ усередині діода (вакуум) не містить заряджених час­тинок. Тому електропровідність вакуумного діода дорівнює нулеві.

У разі нагрівання катода за допомогою додаткового джерела струму до високої температури міліамперметр виявляє виникнення струму за умови, що позитивний полюс батареї G_a з'єднаний з анодом, а не­гативний — з катодом. При зміні полярності батареї G_a струму в колі не буде. Це свідчить про те, що носіями заряду у вакуумі є негативно заряджені частинки. Цими частинками є електрони, оскільки ніяких хімічних перетворень біля електродів за наявності термоелектронно­го струму не відбувається.

Якщо збільшувати напругу між катодом і анодом при постійній температурі розжарювання катода, то сила термоелектронного струму спочатку також буде збільшуватись (рис. 2). Проте залежність сили струму від напруги (вольт-амперна характеристика діода)

має нелінійний характер, тобто закон Ома для вакуумного діода не виконується. При наступному збільшенні анод­ної напруги сила термоелектронного струму досягає деякого макси­мального значення, яке називають струмом насичення.

На рис. 2 лінії LP, MQ і NF зображають струми насичення того самого вакуум­ного діода для різних температур розжарювання катода (Т₁ <Т₂< Т₃). При струмі насичення всі електрони, які вилітають за одиницю часу з катода, досягають анода.

Нелінійну залежність термоелектронного струму від анодної на­пруги можна пояснити впливом просторового заряду між катодом і анодом на розподіл потенціалу в діоді.

Якщо припустити, що катод і анод є плоскими

паралельними пластинками (рис. 3), то у разі

відсутності термоелектронного струму (катод холодний) розподіл потенціалу між

катодом і анодом зображується прямою лінією 1

За наявності термоелектронного струму між катодом і анодом вини­кає просторовий заряд, який змінює розподіл потенціалу в діоді (крива 2). При такому розподілі потенціалу його значення в будь-якій площині ab буде меншим, ніж за відсутності просторово­го заряду. Внаслідок цього швидкості руху електронів за наявності просторового заряду зменшуються. Зі збільшенням анодної напруги концентрація електронів просторового заряду між катодом і анодом зменшується. Це зменшує гальмівну дію просторового заряду. Внас­лідок цього термоелектронний струм зростає.\

40. Електричний струм в напівпровідниках.

Напівпровідники — широкий клас речовин, електро­провідність яких за значенням менша від електропровідності металів і більша від електропровідності діелектриків. Характерною особливістю напівпровідників є зростання електропровідності з підвищенням температури (елек­тропровідність металів зменшується з підвищенням температури). До напівпровідників належать деякі хімічні елементи (германій, силіцій, селен, телур) і багато хімічних сполук. Усі речовини, що ма­ють властивості напівпровідників, поділяють на три групи: атомні, або елементарні, напівпровідники, які мають атомну кристалічну гратку; напівпровідники з іонною кристалічною граткою, наприклад, сульфід кадмію CdS, сульфід свинцю PbS; напівпровідникові сполуки з валентними зв'язками, в яких атоми утворюють кристали типу однієї гігантської молекули, такі, наприклад, як карбід силіцію SiC, арсенід галію GaAs, антимоніт індію InSb.

До групи атомних напівпровідників належать 12 хімічних еле­ментів, компактно розміщених посередині періодичної таблиці еле­ментів (рис. 1).. На відміну від атомів металу в атомах

напівпровідників зовнішні електрони досить міцно зв'язані з ядром, тому при утворенні з таких атомів кристала зовнішні електрони зали­шаються у складі своїх атомів.

Розрізняють власні й домішкові напівпровідники. Хімічно чисті напівпровідники називають власними напівпровідниками (наприклад, Si, Ge, Se, SiC, GaAs, InSb), а їхню електропровідність — власною провідністю.

Власна провідність.

Типовими напівпровідниками є елементи IV гру­пи періодичної системи елементів Менделєєва — германій і силіцій. Вони утворюють кристалічну гратку, кожний атом в якій зв'язаний ковалентними зв'язками з чотирма рівновіддаленими від нього сусідніми атомами. Ковалентний зв'язок між атомами здійснюється електронними парами — двома електронами. Спрощена плоска схема розміщення атомів у кристалі Ge зобра­жена на рис. 2 (справжнім розміщенням атомів є просторове), де подвійними лініями позначено ковалентні зв'язки, а чорними круж­ками — валентні електрони. В ідеальному кристалі всі валентні електрони беруть участь в утворенні зв'язків і тому при абсолютному нулі температури власний напівпровідник, як і діелектрик, має нульо­ву електропровідність.

З підвищенням температури теплові коливання ґратки можуть розірвати окремі ковалентні зв'язки, внаслідок чого в кристалі з'яв­ляється деяка кількість вільних електронів. У покинутому електро­ном місці виникає надлишковий позитивний заряд +е — ство­рюється позитивна квазічастинка, яку називають діркою (на рис. 2 дірка зображена світлим кружком). Дірка поводить себе як позитив­ний заряд, що дорівнює за значенням зарядові електрона. Місце дірки може заповнити електрон однієї із сусідніх пар, на місці елект­рона знову утворюється дірка і т. д. Через це електрон і дірка хаотич­но блукають у кристалі. Якщо вільний електрон зіткнеться з діркою, то вони рекомбінують, тобто електрон нейтралізує надлишковий по­зитивний заряд і втрачає спроможність вільного переміщення. У мо­мент рекомбінації вільний електрон і дірка зникають одночасно.

Провідність власних напівпровідників, зумовлену електронами, називають електронною провідністю або провідністю п-типу. У зов­нішньому полі електрон валентної зони може переміститись на місце дірки на вищому сусідньому рівні, а дірка з'явиться на тому місці, звідки вийшов електрон. Такий процес заповнення дірок електрона­ми рівнозначний переміщенню дірки в напрямі поля. Провідність власних напівпровідників, зумовлену квазічастинками — дірками, називають дірковою провідністю або провідністю р-типу.

Отже, у власних напівпровідниках спостерігаються два механізми провідності — електронний і дірковий.

Домішкова провідність.

Введення домішок у напівпровідниковий кристал істотно впливає на електричні властивості напівпровідника. Під домішками розуміють як атоми або іони сторонніх елементів у вузлах основного кристала, так і порожні вузли та механічні дефек­ти (тріщини, зсуви, що виникають при деформації кристала, і под.). У більшості випадків домішки вводять спеціально для надання напівпровідникові потрібних властивостей. Наприклад, домішка

у кристалі силіцію одного атома бору на 10⁵ атомів силіцію збільшує провідність кристала в 1000 разів при кімнатній температурі.

Розглянемо домішкову провідність на прикладах кристалів гер­манію і силіцію, якщо деякі атоми у вузлах цих кристалів замінити атомами, валентність яких відрізняється на одиницю від валентності основних атомів. Припустимо, що в кристалі германію невелику час­тину атомів чотиривалентного германію заступають атоми п'ятивалентного фосфору. Для утворення ковалентних зв'язків із сусідніми атомами германію атомові фосфору достатньо чотирьох електронів. П'ятий електрон не бере участі в утворенні хімічного зв'язку і при малій енергії зв'язку зі своїм атомом може відірватись від нього зав­дяки енергії теплових коливань ґратки. Внаслідок цього утворюється вільний електрон, який хаотично рухається в кристалічній гратці і може брати участь в електропровідності, а в околі атома фосфору виникає зв'язаний із цим атомом надлишковий позитивний заряд (рис. 3, а). Утворення вільного електрона не супроводиться розри­вом ковалентного зв'язку, тобто на його місці не виникає дірка. Над­лишковий позитивний заряд поблизу атома фосфору не може пе­реміщатись по гратці і в електропровідності участі не бере. Завдяки цьому зарядові атом п'ятивалентної домішки може захопити елек­трон провідності, який наблизиться до нього. Атоми домішки, які постачають електрони провідності в кристалах, називають донорами.

Отже, у напівпровідниках з домішкою, валентність якої на одини­цю більша від валентності основних атомів, є тільки один вид носіїв заряду — електрони. Напівпровідники з такою провідністю назива­ють електронними або напівпровідниками п-типу.

Припустимо тепер, що у кристалічну гратку чотиривалентного силіцію введена домішка тривалентних атомів бору (рис. а). Трьох валентних електронів атома бору не вистачає для утворення ковалентних зв'язків із чотирма найближчими атомами силіцію. Не-укомплектований зв'язок є тим місцем в околі атома бору, яке може захопити електрон від пари ковалентного зв'язку одного із сусідніх атомів силіцію. На місці розірваного зв'язку утворюється дірка, а по­близу атома бору виникає надлишковий негативний заряд. Цей заряд зв'язаний з атомом домішки і не може створювати струм. Зате дірка може бути заповнена електроном, відірваним від іншої пари зв'язку; тобто дірка не локалізується в кристалі, а внаслідок послідовного за­повнення електронами хаотично переміщується по гратці як вільний позитивний заряд. Крім утворення дірок, у кристалі відбувається та­кож зворотний процес. Розрив одного із чотирьох зв'язків атома домішки супроводжується звільненням електрона. Утворені таким чином електрон і дірка рекомбінують при зіткненні.

Отже, у напівпровідниках із домішкою, валентність якої на оди­ницю менша від валентності основних атомів, виникають носії заря­ду тільки одного виду — дірки. Провідність у цьому разі називають дірковою, а напівпровідник з дірковою провідністю — напівпровідни­ком р-типу.

На відміну від власної провідності, яка здійснюється одночасно електронами і дірками, домішкова провідність напівпровідників зу­мовлена в основному носіями заряду одного знака: електронами — у разі донорної домішки і дірками — у разі акцепторної. Ці носії за­ряду називають основними. Крім основних носіїв, у напівпровідниках з домішковою провідністю є також неосновні носії заряду.

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ

Напівпровідникові діоди

Напівпровідниковий діод.— це прилад, що складається з двох на­півпровідникових кристалів, які мають різну провідність, і утворю­ваного між ними електронно-діркового переходу (товщина близько 10 -⁷ м).

Діод Транзистори

41. Магнітне поле як особливий вид матерії.

1. Магнітні явища тисячоліття тому були виявлені на природних ма­теріалах. Досвід засвідчував, що деякі залізні руди мають властивість притягувати до себе на близьких відстанях невеликі предмети (залізні ошурки, рудний порох тощо). Цю властивість руд було назва­но магнетизмом, а самі матеріали — природними магнітами. Пізніше було помічено, що є матеріали, які під впливом природних магнітів також намагнічуються і в окремих випадках зберігають досить довгий час набуті магнітні властивості. Таким способом почали одержувати постійні штучні магніти. З часом було встановлено наявність у магнітів двох полюсів (південного та північного залежно від орієнтації в полі земного магнетизму) і нейтральної смуги між полю­сами, де магнітні властивості практично не проявляються. Досвід та­кож засвідчував, що розділити полюси магніту, тобто одержати магніт з одним полюсом, неможливо.

Орієнтація в напрямі північ — південь намагніченого тіла, ви­готовленого у вигляді магнітної стрілки, закріпленої в точці рівноваги на нейтральній полосі, стала основою для побудови приладів (компасів), які широко застосовувались у мореплавстві, в походах і под. Це спонукало до подальшого вивчення властивос­тей магнітів.

2. У 1819 р. X. Ерстед експериментально виявив дію постійного електричного струму в провіднику на магнітну стрілку. У дослідах Ерстеда магнітна стрілка розміщувалась під або над про­відником паралельно в напрямі північ — південь уздовж меридіана. Під час пропускання струму крізь провідник магнітна стрілка повер­талася і намагалась установитися перпендикулярно до провідника. Зі зміною напряму струму в провіднику на протилежний змінювався і на­прям дії сили на магнітну стрілку (стрілка поверталася на 180°). При віддаленні магнітної стрілки від провідника орієнтуюча дія зменшу­валася. Якщо струм вимикався, то стрілка поверталася у вихідне поло­ження.

3. Дослідами Ерстеда вста­новлено декілька фундамен­тальних відкриттів.

- По-пер­ше, було з'ясовано, що в про­сторі навколо провідника зі струмом діють сили, подібні до тих, які діють поблизу при­родних і штучних магнітів. Електричні струми, тобто ру­хомі електричні заряди, взаємодіють з магнітною стрілкою за допомогою ма­теріального посередника — магнітного поля.

- По-друге, встановлено, що значення магнітного поля в різних точ­ках простору навколо провідника зі струмом є різним.

- По-третє, по­казано, що магнітне поле має напрям у просторі, тобто є полем век­торним.

4. Після відкриття Ерстеда почалися інтенсивні дослідження магнітних полів струмів. У 1820 р. А. Ампер встановив закон ме­ханічної взаємодії двох елементів струмів, які містяться на певній відстані один від одного. Два паралельних про­відники, по яких проходять струми однакового напряму, притягу­ються один до одного. Зміна напряму одного із струмів зумовлює протилежну дію — відштовхування провідників зі струмом. Ця «дія на відстані» не має нічого спільного з електро­статичною взаємодією. Отже, в цих дослідах спостережувана поведінка провідників зі стру­мом визначається силами іншої природи. Сили, зумовлені рухомими електричними зарядами, називають магнітними.

5. Дія магнітного поля провідника зі струмом на магнітну стрілку нічим не відрізняється від його дії на котушку, по якій проходить струм від батареї, або дії на рухомий пучок електронів в електронно-променевій трубці.

Останні досліди свідчать не тільки про те, що магнітне поле ство­рюється рухомими електричними зарядами, а й про те, що магнітне поле, у свою чергу, діє лише на рухомі електричні заряди і цією дією інтегрально визначається взаємодія провідників зі струмом, провід­ника зі струмом і магнітної стрілки або взагалі магнітна взаємодія.

6. Електричний струм — це напрямлений рух електричних зарядів, тому навколо провідників, по яких рухаються ці заряди, виникає магнітне поле, крізь яке і взаємодіють між собою провідники зі стру­мом. Отже, всередині провідників, по яких проходить постійний струм, і в просторі, що оточує їх, існують як стаціонарне електричне, так і стаціонарне, незмінне в часі, магнітне поле.

7. Магнітне поле – це особлива форма матерії, через яку взаємодіють рухомі заряджені частинки. Розділ магнетизму, що вивчає стаціонарні магнітні поля, називають магнітостатикою.

8. Між електричним і магнітним полями немає повної симетрії. Основні відмінності:

- а). Джерелами електричного поля є електричні заряди, а їх носіями — елементарні частинки (електрони, протони, тощо).

- б). Магнітних зарядів у природі не виявлено, хоча теоретично П. Дірак у 1931 р. обґрунтовував можливість існування магнітних мо­нополів.

- в). Єдиними матеріальними носіями магнітного поля, згідно із сучасними уявленнями, є рухомі електричні заряди.

9. Магнітне поле зображають за допомогою ліній магнітної індукції. Лінії магнітної індукції завжди замкнені та охоплюють провідник із струмом.

Для прямого провідника із струмом лінії магнітної індукції мають вигляд концентричних кіл.

10. Напрямок ліній магнітної індукції визначають за правилом гвинта (свердлика ): якщо поступальний рух гвинта з правою нарізкою збігається з напрямом струму, то напрям магнітного поля збігається з напрямом руху кінця ручки гвинта.

11. Для кількісної характеристики магнітного поля струму вводять фізичну величину, яку називають індукцією магнітного поля. Магнітна індукція – це векторна фізична величина яка є силовою характеристикою магнітного поля. 12. Вектор магнітної індукції напрямлений по дотичній до лінії магнітної індукції за її напрямом. За одиницю магнітної індукції в СІ приймають 1Тл. (Позначається літерою - , одиниця вимірювання – тесла (Тл)).

13. Лінії магнітної індукції для різних конфігурацій провідника достатньо легко побачити за допомогою металевих «обпилок», які знаходяться в магнітному полі даного провідника:

13. Модуль вектора магнітної індукції визначають за законом Біо – Савара – Лапласса:

14. На практиці будемо використовувати наслідки із заданого закону:

- Модуль вектора магнітної індукції прямого провідника із струмом:

- Модуль вектора магнітної індукції в центрі колового провідника

15. Якщо в деякій точці простору існують одночасно декілька магнітних полів з індукціями то результуюча індукція магнітного поля у даній точці визначається за принципом суперпозиції тобто векторною сумою

16.Для спрощення розрахунку індукції магнітного поля вводять нову фізичну величину – напруженість магнітного поля. Величину, яка характеризує магнітне поле в довільній точці простору, що створене макрострумами в провідниках незалежно від навколишнього середовища, називають напруженістю магнітного поля в цій точці. (позначають літерою – H, одиниця вимірювання – ампер поділений на метр (А/м)

17. Магнітна індукція та напруженість магнітного поля пов’язані співвідношенням

18. Будь яка речовина впливає на магнітне поле, тобто величина магнітної індукції залежить від властивостей середовища. Цю залежність характеризує магнітна проникність середовища - , яка показує, у скільки разів магнітна індукція в середовищі більша (або менша) ніж у вакуумі. (магнітна проникність є величиною безрозмірною і табличним значенням) Для повітря і вакууму: .

Дата добавления: 2015-05-24