Электролизді техникада пайдалану 1 страница

.

Осы өрнек дифференциал түріндегі Ом заңы деп аталады.

Тізбектегі токтың тығыздығы сол тізбектегі электр өрісінің кернеулігіне тура пропорционал болады.

18.3.Джоуль - Ленц заңы

Джоуль-Ленц заңы өткізгіштен электр тогы өткенде бөлініп шығатын жылу мөлшерін анықтайды. Өткізгіш қозғалмаған және онда химиялық түрленулер болмаған жағдайда токтың жұмысы өткізгіштің ішкі энергиясын арттыруға жұмсалады.

Электр тогының жұмысы келесі өрнекпен анықталады:

-екенін ескерсек, алатынымыз:

Ток күші тұрақты болса Джоуль-Ленц заңы келесі формуламен анықталады:

Кез-келген токтар үшін:

.

18.4.Жылу мөлшерінің көлемдік тығыздығы

Жылу мөлшерінің көлемдік тығыздығы деп өткізгіштің бірлік көлемінен бірлік уақытта бөлініп шығатын жылу мөлшерін айтады.

-екенін ескерсек, алатынымыз:

мұндағы:

.

Осы өрнек дифференциал түріндегі Джоуль-Ленц заңы деп аталады.

Жылу мөлшерінің көлемдік тығыздығы электр өрісі кернеулігінің квадратына тура пропорционал болады.

18.5.Ток көздері. Бөгде күштер

Тізбектегі потенциалдар айырмасын ұстап тұратын, яғни электр тогын демеп тұратын ток көздері (кернеу көздері) болып табылады.

Энергияның кез-келген түрін электр энергиясына айналдыратын қондырғыларды ток көздері деп атайды. Ток көздеріне гальвани элементтері, аккумуляторлар, күн батареялары, термобатареялар және т.б. жатады.

Гальвани элементтерінде химиялық энергия электр энергиясына, күн батареясында сәулелік энергия электр энергиясына түрленеді.

болғанда ток сыртқы тізбекте ток көзінің оң полюсінен теріс полюсіне қарай бағытталады.

Ток көзінің ішінде электр өрісіне қарсы зарядтарды қозғалысқа келтіретін, электр өрісінің күшіне қарсы бағытталған бөгде күштер жұмыс атқарады.

Табиғаты жағынан электрлік емес күштердің барлығын бөгде күштер деп атайды.

Бөгде күштердің бірлік оң зарядты орын ауыстырғанда атқаратын жұмысын электр қозғаушы күш (Э.Қ.К.) деп атайды. Өлшем бірлігі .

Бөгде күштер әсер етпейтін тізбектің бөлігін біртекті, ал бөгде күштер әсер ететін тізбектің бөлігін біртексіз деп атайды.

Ток көздерінің кедергілерін ішкі кедергі деп атайды.

18.6.Толық тізбек үшін Ом заңы

Тізбектегі бөгде күштердің жұмысы сыртқы және ішкі (ток көзінің ішінде) тізбектерде бөлініп шығатын жылу мөлшерлерінің қосындысына тең болады:

-екенін ескерсек, алатынымыз

,

,

мұндағы: - сыртқы тізбектің кедергісі, - ток көзінің ішкі кедергісі.

Осы алынған өрнектітолық тізбек үшін Ом заңы деп атайды.

Тізбектегі ток күші ток көзінің электр қозғаушы күшіне тура пропорционал және тізбектің толық кедергісіне кері пропорционал болады.

Ток көзінің қысқаштарындағы потенциалдар айырмасын анықтайық.

Сыртқы тізбекке түсірілген кернеу , мұндағы ток күшін толық тізбек үшін Ом заңымен өрнектегенде, алатынымыз

Соныменен ток көзінің қысқаштарындағы кернеу келесі формуламен анықталады:

Сыртқы тізбек тұйықталмаған жағдайда ( , ) ток көзінің қысқаштарындағы кернеу ток көзінің ЭҚК-не тең болады.

18.7.Электр ток қуаты. ПӘК-і

Қуат жұмыстың атқарылу шапшаңдығына тең болады.

,

өлшем бірлігі

Тізбектегі толық қуат, яғни ток көзінің өндіретін қуаты келесі формуламен анықталады:

Осы формулаға толық тізбек үшін Ом заңындағы ток күшінің мәнін қойып, толық қуаттың келесі өрнегін аламыз:

Сыртқы тізбекте толық қуаттың бір бөлігі ғана бөлінеді. Сыртқы тізбекте бөлінетін қуат келесі өрнекпен анықталады:

Сыртқы тізбекте бөлінетін қуатты пайдалы қуат деп атайды.

Сыртқы тізбекте бөлінетін қуаттың ең үлкен мәнін анықтайық.

Жоғары математика курсынан функцияның ең үлкен мәнін табу үшін одан айнымалы шама бойынша дифференциал алып, оны нольге теңейтіні белгілі. Сондықтан

Тізбектің сыртқы кедергісі ішкі кедергіге тең болғанда сыртқы тізбекте бөлінетін қуаттың мәні ең үлкен болады.

Пайдалы әсер коэффициенті сыртқы тізбекте бөлінетін қуаттың толық қуатқа қатынасына тең болады.

немесе .

§19.Әртүрлі орталардағы электр тогы

19.1.Сұйықтардағы электр тогы

Тұздардың, сілтілердің және қышқылдардың ертінділерін электролиттер деп атайды. Электролиттер екінші текті өткізгіштерге жатады. Электролиттердегі электр тогын тасымалдаушылар оң және теріс иондар болып табылады. Электролиттердегі электр өрісін электролиттік ваннаға батырылған электродтар - анод пен катод тудырады. Катодқа қарай қозғалатын иондарды катиондар деп атайды, ал анодқа қарай қозғалатын иондарды аниондар деп атайды.

Молекулалардың иондарға ыдырау құбылысы электрлік диссоциация деп аталады. Бұл құбылыс диссоциация көрсеткішімен сипатталады.

Диссоциация көрсеткіші иондарға ыдыраған молекуланың жалпы молекулалар санына қатынасымен сипатталады:

,

мұндағы: n –иондарға ыдыраған молекулалар саны, n₀ –жалпы молекулалар саны.

мұндағы: А-диссоциация тұрақтысы, өлшем бірлігі .

Электролиттерде электролиттік диссоциациямен қатар оған кері құбылыс рекомбинация жүреді. Электролиттердегі оң және теріс иондардың қайта бірігіп, бейтарап молекулаға айналуын рекомбинация деп атайды.

мұндағы: - рекомбинация тұрақтысы, өлшем бірлігі .

Диссоциация және рекомбинация тұрақтылары электролиттің тегіне және температурасына тәуелді.

.

Бұл алынған формула Освальдтің тепе-теңдік заңын өрнектейді.

Электролиттерден электр тогы өткенде электродтарда зат бөліну құбылысы электролиз құбылысы деп аталады.

19.2.Электролиз үшін Фарадейдің І-ші заңы

Электролиз кезінде электродтарда бөлініп шығатын заттың массасы электролиттен өтетін зарядтың шамасына тура пропорционал.

мұндағы: - заттың электрохимиялық эквиваленті, өлшем бірлігі .

Электрохимиялық эквивалент сан жағынан сұйықтан 1 Кулон заряд өткенде электродтарда бөлініп шығатын зат массасына тең болады. Электрохимиялық эквивалент заттың табиғатына тәуелді болады.

Кез келген электр токтары үшін Фарадейдің І-ші заңы келесі түрде қолданылады:

.

19.3.Электролиз үшін Фарадейдің ІІ-ші заңы

Заттың электрохимиялық эквиваленті олардың химиялық эквивалентіне тура пропорционал.

мұндағы: - заттың химиялық эквиваленті, М- мольдік массасы,

Z- валентілігі, - Фарадей тұрақтысы.

Фарадей тұрақтысы электролиттен электр тогы өткенде электродта бір моль зат мөлшері бөлініп шығу үшін ортадан өтетін зарядтың шамасына тең болады.

19.4.Фарадейдің біріккен заңы

Фарадейдің заңдарынан Фарадейдің біріккен заңы алынады.

Электр тогы тұрақты болса ( )

Кез келген электр тогы үшін және

19.5.Электролиттердегі электр тогы үшін Ом заңы

Электролиттердегі электр тогын тудырушылар оң және теріс иондар болғандықтан бұл ортадағы электр тогының тығыздығы оң және теріс иондардың токтарының тығыздықтарының қосындысына тең.

,

мұндағы: .

.

екенін ескергенде, алатынымыз

.

Иондардың реттелген қозғалысының орташа жылдамдығы электр өрісінің кернеулігіне тура пропорционал болады, яғни ,

мұндағы: - оң және теріс иондардың қозғалғыштығы.

Сонымен, электролиттердегі электр тогы үшін Ом заңы келесі түрде жазылады:

Электролиз құбылысы:

1) Металдарды қоспалардан тазарту үшін;

2) Гальванопластикада;

3) Гальваностегияда;

4) Ауыр су ( ) алу үшін;

5) Электролиттік конденсаторлар жасау үшін пайдаланылады.

19.7.Жартылай өткізгіштердегі электр тогы

Жартылай өткiзгiштер деп өткiзгiштiгi жағынан электр тогын жақсы өткiзетiн заттар мен (өткiзгiштер) электр тогын өткiзбейтiн заттар (диэлектриктер) арасында жататын заттарды айтады.

Жартылай өткiзгiштердiң өткiзгiштiгi олардың қасиеттерiне және ондағы қоспаларға өте тәуелдi. Жартылай өткiзгiштердегi қоспалардың мөлшерiн проценттiң он миллионнан бiр бөлiгiнен 0,1-1%-не дейiн өзгерткенде оның өткiзгiштiгiн миллиондаған есе өзгертуге болады. Жартылай өткiзгiштердегi электр тогы тек терiс заряд- электрондармен ғана емес, сонымен қатар оң зарядтар- кемтiктермен тасымалданады. Кемтiк зарядының абсолют шамасы электронның зарядына тең.

Егер ешқандай қоспасы болмайтын идеал жартылай өткiзгiштiң электр тогын өткiзуi оның меншiктi электр өткiзгiштiгiмен анықталады.

Жартылай өткiзгiш кристалындағы атомдар сыртқы электрондық қабықшадағы электрондар арқылы байланысады. Атомдардың жылулық тербелiсi кезiнде жылулық энергия байланысты құрайтын электрондар арасында бiртексiз таралады. Соның нәтижесiнде кейбiр электрондар өз атомының байланысын үзiп, кристалда еркiн орын ауыстыратындай жылулық энергия мөлшерiн алады, яғни электр тогын тасымалдаушыларға айналады (басқаша айтқанда олар өткiзгiштiк зонаға өтедi). Электронның осылай кетуi атомның электрлiк бейтараптығын бұзады және атомда заряды кеткен электрон зарядына тең оң заряд пайда болады. Осы электроны жетiспейтiн бос орын кемтiк деп аталады.

Осы бос орынға көршi байланыстағы электрон көше алатын болғандықтан, кемтiк те кристалл iшiнде орын ауыстырады және электр тогының оң зарядты тасымалдаушысы болып табылады. Осы жағдайда электрондар мен кемтiктердiң мөлшерi бiрдей болады және идеал кристалдың электр өткiзгiштiгi тең мөлшерде оң және терiс зарядтардың қозғалысымен анықталады.

Егер жартылай өткiзгiштiң атомының орнына сыртқы электрондық қабатта бiр электроны артық қоспа атомын орналастырғанда, бұл электрон кристалдағы атомаралық байланысқа қатыспайды және өз атомымен нашар байланысады. Осы электрон аз энергияның өзiнде өз атомынан босап, еркiн электронға айналады. Осындай қоспаларды донорлық қоспалар, яғни электрон «беретiн қоспаларң деп аталады. Қоспа атомы оң зарядталады және бұл жағдайда кемтiк пайда болмайды. Бұл оң заряд өз атомымен байланысқандықтан электр өткiзгiштiк процесiне қатыспайды.

Жартылай өткiзгiш атомын сыртқы электрондық қабықшасындағы электрондар саны негiзгi атомның электрондарынан аз болатын қоспамен ауыстырғанда байланыстарға электрондар жетпей, бос орын қалады, яғни бұл жағдайда кемтiктер пайда болады. Жоғарыда айтылғандай осы бос орынға көршi атомнан электрон келе алады және кемтiк кристалда еркiн орын ауыстырады.

Кемтiктердiң қозғалысы- бұл электрондардың бiр байланыстан көршi екiншi байланысқа көшуi болып табылады. Осындай қоспалар электрон «алатынң акцепторлық қоспалар деп аталады.

Кристалдағы қоспалардың мөлшерi артқанда оның өткiзгiштiгi электрондық немесе кемтiктiк сипат алады. Negativ (терiс) деген латын сөзiнiң бiрiншi әрiпiне сәйкес электрондық өткiзгiштiгi n-типтi өткiзгiштiк, positiv (оң) сөзiнiң бiрiншi әрiпiне сәйкес кемтiктiк өткiзгiштiктi p-типтi өткiзгiштiк деп аталады.

Қоспалары бар жартылай өткiзгiштерде екi түрлі электр тогын тасымалдаушылар болады. Олар қоспа атомдарын енгiзу нәтижесiнде пайда болатын негiзгi электр тогын тасымалдаушылар және жылулық энергия нәтижесiнде пайда болатын негiзгi емес электр тогын тасымалдаушылар.

Техникада қолданылған алғашқы жартылай өткiзгiштiк материал селен болды. Қазiргi уақытта жиi қолданылатын материалдар кремний, германий, селен болып табылады. Бұл заттар элементар жартылай өткiзгiштерге, яғни Менделеев периодтық кестесінің элементiне жататын жартылай өткiзгiштерге жатады.

Германий, кремний және селенмен қатар қазiргi кезде Менделеев таблицасындағы ІІІ және V, ІІ және ІV, ІІ және VІ топтардың элементтерiнен алынатын күрделi жартылай өткiзгiштiк қоспалар қолданылады. Мысалы, галий мен мышьяктың (галий арсенидi), галиймен фосфор, сынап пен теллурдың қоспалары және т.б.. Жартылай өткiзгiшке енгiзетiн қоспа түрiнде бор, фосфор, индий, мышьяк, сурьма және жартылай өткiзгiшке қажеттi қасиеттер беретiн басқа да элементтер қосады.

19.8.Жартылай өткiзгiштердiң зоналық теориясы

Заттардағы электрондар атом ядроларына қатысты тек энергиялары белгiлi мәндердi қабылдайтын және осы энергиялардың ешқандай аралық мәнiн қабылдамайтындай күйлерде болады. Әрбiр электронға басқа электрондардың энергиялық деңгейлерiнен бөлек энергиялық деңгейлердiң тек белгiлi бiр мәндері сәйкес келедi. Бұл энергияның деңгейлерi рұқсат етiлген деңгейлер деп аталады. Рұқсат етiлген деңгейдiң жиынтығы облыстарды немесе зоналарды құрайды және бұл зоналар бiр-бiрiнен электрон қабылдай алмайтын энергия деңгейлерiнен тұратын облыстармен бөлiнген. Бұл облыстар тыйым салынған зоналар деп аталады. Абсолют ноль температурада жартылай өткiзгiштердегi барлық электрондар энергиясы ең төмен зонада орналасады және бұл зонадағы барлық энергиялық деңгейлер электрондармен толтырылады.

Бұл зона валенттiлiк зона деп аталады. Валенттiлiк зонадан жоғары орналасқан зона өткiзгiштiк зона деп аталады. Барлық металл емес заттарда абсолют ноль температурада өткiзгiштiк зонада бiрде-бiр электрон болмайды. Металдарда валенттiлiк зона мен өткiзгiштiк зоналар қабаттасады. Электронның валенттiлiк зонадан өткiзгiштiк зонаға өтуiне қажеттi энергия тыйым салынған зонаның енi ( Е₀) деп аталады.

Жартылай өткiзгiштердiң өткiзгiштiгi негiзгi электрондық (n-типтi) немесе кемтiктiк (p-типтi) болады.

Электронды өткiзгiштiк электрондардың өткiзгiштiк зонада қозғалысынан пайда болады, ал кемтiктiк өткiзгiштiк электронның валенттiлiк зонада электрон жетiспейтiн атомдардың бiрiнен екiншiсiне қозғалысынан пайда болады. Электронның валенттiлiк зонадағы қозғалысынан оң зарядтың (кемтiктiң) электрон қозғалыс бағытына қарсы бағыттағы қозғалысымен ауыстыруға болады. Бұл оң заряд шарты «кемтiкң деп аталады.

19.9.Жартылай өткiзгiштердегi электрондық-кемтiктiк ауысулар

Металл-жартылай өткiзгiш және жартылай өткiзгiш- жартылай өткiзгiш түйiсулерi Ом заңына бағынбайды. Бұл түйiсулердегi кедергi түсiрiлген кернеуге тәуелдi және кернеудiң бiрдей мәнiнде токтың бағытына байланысты өзгередi.

Жоғарыда айтылғандай жартылай өткiзгiштердiң өткiзгiштiгi сипатына байланысты электрондық (n-типтi) және кемтiктiк (p-типтi) болуы мүмкiн. n-типтi жартылай өткiзгiштерде негiзгi заряд тасымалдаушылар электрондар, ал p-типтi жартылай өткiзгiштерде кемтiктер болып табылады. Екi жартылай өткiзгiштiң түйiсуiнде электрондар мен кемтiктер бiр жартылай өткiзгiштен екiншi жартылай өткiзгiшке өте алады. Сондықтан жартылай өткiзгiштердiң арасында түйiсу потенциалдар айырмасы пайда болады да, ал жұқа шекаралық қабатта түйiсу электрлiк өрiсi пайда болады.

Егер бiр типтi (екеуi де электрондық немесе екеуi де кемтiктiк) жартылай өткiзгiштер түйiссе, онда екi жартылай өткiзгiште бiрдей бөлшектермен алмасады (не кемтiктермен не электрондармен). Сондықтан түйiсетiн жартылай өткiзгiштердiң бiреуi n-типтi, екiншiсi p-типтi болған жағдайды қарастырамыз. Бұндай түйiсулер электрондық-кемтiктiк ауысу немесе p-n ауысу деп аталады. Осындай түйiсулерде таза күйiнде алу мүмкiн емес. Себебiекi жартылай өткiзгiштi бiр-бiрiне түйiстiргенде беттерiнiң тегiстiк еместiгiнен түйiсу тек кейбiр нүктелерде жүредi, ал олардың арасында ауа қабаттары болады. Сондықтан p-n ауысуын алу үшiн таза жартылай өткiзгiшке (мысалы, германий, кремний) екi қоспа - бiреуi донорлық (яғни, электрондық өткiзгiштiк бередi), ал екiншiсi акцепторлық (яғни, кемтiктiк өткiзгiштiк бередi), пластинканың бiр шетiнде бiр қоспа, ал екiншi шетiнде екiншi қоспа артық болатындай түрде енгiзiледi. Сонда пластинканың бiр жартысындай электрондық өткiзгiштiк, ал екiншi жартысында кемтiктiк өткiзгiштiк пайда болады және осы екi қоспалар бiрiн- бiрi теңестiредi.

Электр тогы болмаған жағдайдағы p-n ауысуын қарастырайық. Жылулық қозғалыстың нәтижесiнде n-облыстан электрондар p-облысқа өтедi және кемтiктер p-облыстан n-облысқа өтедi. Соның нәтижесiнде n-облыста түйiсу шекарасының айналасында оң көлемдiк заряд, ал p-облыста терiс көлемдiк заряд пайда болады да, n-облыстың потенциалы оң және ондағы электрон энергиясы азаяды (себебi, электрон заряды терiс), ал p-облыстың потенциалы терiс және ондағы электронның энергиясы артады. Электрондардың W_э потенциалдық энергиясының таралу қисығы суретте көрсетiлгендей түрде болады (тұтас қисық). Керiсiнше кемтiктердiң W_д потенциалдық энергиясы n-облыста үлкен және p-облыста кiшi болады (сызықшалы қисық).

Тепе-теңдiк күйiнде түйiсу арқылы өтетiн толық ток нольге тең. Бұл токтың металдағы токтан ерекшелiгi, ол электрондар мен кемтiктердiң реттелген қозғалысынан пайда болады.

Кез келген жартылай өткiзгiште негiзгi заряд тасымалдаушылардан басқа, әрқашанда негiзгi емес заряд тасымалдаушылар болады. Сондықтан электрондық жартылай өткiзгiштердiң электр өткiзгiштiгi электрондармен (негiзгi заряд тасымалдаушылар) қатар электрондармен салыстырғанда саны аз кемтiктердiң (негiзгi емес заряд тасымалдаушылар) қозғалысынан болады. Ал кемтiктiк жартылай өткiзгiштердiң электр өткiзгiштiгi кемтiктермен (негiзгi заряд тасымалдаушылар) қатар электрондар (негiзгi емес заряд тасымалдаушылар) қозғалысынан болады.

Дата добавления: 2015-06-04