Электролизді техникада пайдалану 2 страница

Негiзгi емес заряд тасымалдаушылардың санынан негiзгi заряд тасымалдаушылардың саны өте көп болады.

Суреттi қарастырайық. Түйiсу өрiсi негiзгi емес заряд тасымалдаушылардың қозғалысын тудырады (суретте негiзгi емес заряд тасымалдаушылар потенциалдық дөңестен «төмен түседiң). Сондықтан барлық түйiсу облысының айналасындае пайда болатын негiзгi емес заряд тасымалдаушылар n-p-ауысу арқылы қозғалады және n-облыстан p-облысқа бағытталған І_H токты тудырады. Бұл токтың күшi n және p-жартылай өткiзгiштерге түсiрiлген потенциалдар айырмасына тәуелсiз, тек түйiсу облысында бiрлiк уақытта пайда болатын негiзгi емес заряд тасымалдаушылардың санына ғана тәуелдi. Негiзгi заряд тасымалдаушылар (оңнан солға қарай қозғалатын кемтiктер және солдан оңға қарай қозғалатын электрондар) І₀ тогын тудырады және бұл токтың бағыты p-облыстан n-облысқа қарай бағытталады. Суретте көрсетiлгендей түйiсу өрiсi потенциалдық барьердан өтуге тиiс негiзгi заряд тасымалдаушылардың қозғалысына кедергi келтiредi.

Тепе-теңдiк күйiнде толық ток І=І₀-І_н=0 болатындай потенциалдық барьердiң биiктiгi тұрақтанады.

Ендi түйiсу арқылы ток жүрген жағдайды қарастырайық.

n-облысқа терiс потенциал және p-облысқа оң потенциал берiлсе (сурет), онда n-облыстағы электрондар энергиясы артады, сондықтан потенциалдық барьердiң биiктiгi азаяды. Бұл жағдайда жоғарыда айтылғандай І_н негiзгi емес заряд тасымалдаушылардың тогы өзгермейдi. І₀ негiзгi заряд тасымалдаушылардың тогы ендi электрондар потенциалдық барьердан өте алатын болғандықтан, солдан оңға қарай және кемтiктер қарама-қарсы бағытта жүредi. Нәтижесiнде түйiсу арқылы p-облыстан n-облысқа бағытталған І=І₀- І_н тогы өтедi және ток күшi түсiрiлген кернеуге байланысты күрт артады.

Егер n-облысты ток көзiнiң оң полюсiне, p-облысты ток көзiнiң терiс полюсiне қосқанда потенциалдық барьердiң биiктiгi артады да негiзгi заряд тасымалдаушылардың І₀ тогы кемидi

(сурет). Кернеу 1 Вольт шамасында болған кезде түйiсуден тек шамасы өте аз негiзгi емес заряд тасымалдаушылардың І_н тогы өтедi деп есептеуге болады.

Жоғарыда келтiрiлгендерге байланысты p- n-ауысудың вольт-амперлiк сипаттамасы суретте көрсетiлгендей түрде болады.

Ток p-облыстан n-облысқа қарай жүргенде, ток күшiнiң мәнi үлкен болады және түсiрiлген кернеуге байланысты тез артады. Сондықтан осы бағыттағы ток үшiн (токтың өту бағыты) түйiсу кернеуi өте аз болады. Егер ток n-облыстан p-облысқа қарай бағытталса, ток күшi өте аз болады және түсiрiлген кернеуден тәуелсiз болады (қанығу тогы). Токтың осы бағытына түйiсу кедергiсi өте үлкен болады. Соныменен p-n ауысуы бiр бағыттың өткiзгiштiкке немесе вентилдiк қасиетке ие болады және вольт-амперлiк сипаттамасы сызықтық түрде болмайды.

Айнымалы ток тiзбегiне p-n ауысуын қосқанда ол түзеткiш түрiнде жұмыс атқарады. Бiр p-n ауысуынан тұратын электрлiк қондырғыны диод деп атайды.

Егер керi кернеудiң шамасы белгiлi бiр үлкен шамаға жеткенде, түйiсудiң қызуымен және өтпелi қабатта күштi электр өрiсiнiң әсерiне байланысты қосымша құбылыстар байқалады. Бұл құбылыстар түзетушi ауысуды iстен шығаратын керi токтардың күрт артуын тудырады (диодтың «тесiлуi»).

19.10.Металдардағы токтың табиғаты

Металдардағы электр тогы дегеніміз – еркін электрондардың реттелген қозғалысы, яғни кристалл торындағы иондармен байланыспаған электрондардың қозғалысы.

Металдағы ток тасымалдаушылар – электрондар. Классикалық жуықтауларда бұл электрондарды электрондық газ деп қарастырады. 1 см³ көлемдегі бір валентті металдағы өткізгіштік электрондар саны

,

мұндағы: - Авогадро саны, - металдың атомдық салмағы, - оның тығыздығы. Шамамен болады.

Электрондардың еркін жолының орташа ұзындығы металдың кристалл торының периоды шамасындай болады. Металдағы еркін электрондардың реттелген қозғалысы сыртқы электр өрісінің әсерінен болады. Бұл жағдайда пайда болатын ток тығыздығы

,

мұндағы: - бірлік көлемдегі өткізгіштік электрондар саны, - электрондар заряды, - олардың реттелген қозғалысының орташа жылдамдығы.

Әрбір электронға -ге күш әсет етіп, ол -ге үдеу алады. Сондықтан еркін қозғалысының соңындағы электронның жылдамдығы:

Электрон кристалл торға соқтығысуларының арасында бірқалыпты үдемелі қозғалатын болғандықтан, оның қозғалысының орташа жылдамдығы ең үлкен жылдамдығының жартысына тең болады, яғни:

Электронның бағытталған қозғалысының орташа жылдамдығы электр өрісінің кернеулігіне тура пропорционал болады:

мұндағы: - электрондардың қозғалғыштығы деп аталады, өлшем бірлігі .

Орташа жылдамдықты ток тығыздығы өрнегіне қойсақ, алатынымыз:

Осы өрнекті дифференциал түріндегі Ом заңымен салыстыра отырып, металл өткізгіштің меншікті кедергісінің формуласын аламыз:

19.11.Тармақталған тізбек үшін Кирхгоф ережелері

Күрделі тізбектегі токты анықтау үшін жалпыланған заңдар болуы қажет. Бұл заңдылықтар түріне зарядтың және энергияның сақталу заңының салдары ретінде неміс физигі Кирхгоф ашқан заңдар немесе ережелер жатады.

Кирхгофтың 1-ережесі түйіндерге қатысты оған келетін ток пен одан шыққан ток арасындағы байланысты қарастырады. Тармақталған тізбек деп аталатын тізбекте түйіндерден үштен кем емес өткізгіштер тоғысатын кез-келген нүктені айтады. Тұрақты токты қарастырғанда түйінге қанша заряд ағып келсе, сонша заряд ағып кету керек. Түйінге кіретін токтарды оң, түйіннен шығатын токтарды теріс деп есептеледі.

Кирхгофтың 1-ережесі:

Түйінде тоғысатын токтардың алгебралық қосындысы нольге тең.

Кирхгофтың ІІ-ережесі:

Кез-келген тұйық контур үшін электр қозғаушы күштерінің алгебралық қосындысы ток күшінің кедергіге көбейтіндісінің алгебралық қосындысына тең болады.

19.12.Газдардағы электр тогы

Газдардан электр тогының өтуін газ разряды деп атайды. Қалыпты жағдайда газ молекулалары электрлік бейтарап болады. Газдардан электр тогы өту үшін газ молекулаларын иондарға және электрондарға ыдырату қажет. Газдар сыртқы ионизаторлардың әсерінен оң иондарға және электрондарға ыдырайды. Бұндай ионизаторларға от, рентген, ультракүлгін сәулелері және т.б. әсерлер жатады.

Газдың атомы (молекуласы) иондалған кезде иондалу жұмысы атқарылады. Иондалу жұмысы деп электронды атомнан жұлып шығаруға жұмсалатын энергияны айтады. Біратомды газды соққымен иондау, иондаушы бөлшектін келесі кинетикалық энергиясында жүреді:

мұндағы: - иондалу жұмысы, М – атом массасы.

Газ разряды тәуелді және тәуелсіз болып екіге бөлінеді. Тәуелді газ разряды дегеніміз – сыртқы әсер тоқтағанда, газдардан электр тогы өту құбылысы тоқтайтын разряд, осыған қарама-қарсы құбылыс, яғни сыртқы әсер тоқтағанмен, электр тогы өту құбылыс байқалатын болса, бұл тәуелсіз разряд деп аталады.

Тәуелсіз разрядтың 4 түрі бар:

1. Солғын разряд - салқын катоды бар разрядты түтікшелерде төменгі қысымда(бірнеше килопаскаль немесе одан төмен қысымдарда) жүреді;

2. Ұшқындық разряд - газдардағы қалыпты атмосфералық қысымда, өте үлкен потенциалдар айырмасында жүреді (мысалы найзағай);

3. Тәжді разряд - қалыпты атмосфералық қысымда, біртекті емес электр өрісінде жүреді;

4. Доғалық разряд – орыс ғалымы В.В.Петров ашқан. Бұл газдық разряд электродтар арасында аз потенциалдар айырмасында, бірақ үлкен ток тығыздығында жүреді.

19.13.Плазма және оның қасиеттері

Плазма дегеніміз – оң және теріс зарядтарының тығыздықтары бірдей аса ионданған күйдегі газды айтады. Плазма – заттың ерекше күйі.

Аса жоғары температура салдарынан пайда болатын плазма жоғарғы температуралық плазма деп аталады.

Плазманың иондану дәрежесі ионданған бөлшектер санының плазманың бірлік көлемдегі бөлшектер санына қатынасымен сипатталады. Осы шаманың мәніне қарап плазманың әлсіздеу ионданған, жеткілікті түрде ионданған және толығымен ионданған деп бөледі.

Плазмада ток тасушылардың концентрациясы өте жоғары. Сондықтан плазманың электр өткізгіштігі өте жоғары болады. Электронның қозғалғыштығы оң иондардың қозғалғыштығына қарағанда үлкен болғандықтан, плазмада токты негізінен электрондар тасиды.

Плазманың қасиеттері:

1. Толық иондану кезінде плазманың иондану дәрежесі өте жоғары болады.

2. Иондану кезінде плазмада оң және теріс зарядтар өзара тең болады.

3. Плазманың электр өткізгіштігі өте жоғары болады.

4. Электр және магнит өрістерімен күштірек әсерлесе алады.

§20.Вакуумдегі магнит өрісі

Кез-келген электр тогының немесе қозғалыстағы зарядталған бөлшектердің айналасында магнит өрісі болады. Магнит өрісін сандық сипаттау үшін физикалық векторлық шама магнит өрісінің индукция векторы енгізілген. Магнит өрісінің индукция векторы магнит өрісінің күштік сипаттамасы болып табылады. Өлшем бірлігі

Бағыты мен шамасы өзгермейтін магнит өрісін біртекті магнит өрісі деп атайды.

Магнит өрісін көрнекті түрде бейнелеу үшін магнит өрісінің күш сызықтары немесе индукция сызықтары енгізілген. Әрбір нүктесіне жүргізілген жанама сол нүктедегі индукция векторының бағытымен сәйкес келетіндей магнит өрісінде жүргізілген сызықтарды магнит өрісінің күш сызықтары деп атайды. Күш сызықтарының жиілігі – магнит өрісінің шамасына тура пропорционал. Магнит өрісінің индукция векторының бағыты бұрғы ережесімен анықталады. Магнит өрісінің күш сызықтары –

тұйықталған сызықтар, яғни магнит өрісі – құйынды өріс болып табылады.Тұрақты магнитте екі полюс болады. Оның солтүстік полюсін - N, оңтүстік полюсін - S деп белгілейді. Тұрақты магниттің магнит өрісі оңтүстік полюстен солтүстік полюске қарай бағытталады.

20.1.Био – Савар – Лаплас заңы

Кез-келген пішіндегі тогы бар өткізгіштің магнит өрісі Био-Савар-Лаплас заңымен анықталады.

Суреттегі А нүктесіндегі токтың элементі тудыратын магнит өрісінің индукциясы Био – Савар – Лаплас заңымен анықталады. Био – Савар – Лаплас заңын векторлық немесе скаляр түрлерде жазып көрсетуге болады:

- векторлық түрде жазылған Био – Савар – Лаплас заңы,

-скалярлық түрде жазылған Био – Савар – Лаплас заңы.

мұндағы: - магнит тұрақтысы.

Токтың тудыратын толық магнит өрісінің индукциясы магнит өрісінің суперпозиция приципімен анықталады.

Магнит өрісінің суперпозиция принципі бойынша:

Магнит өрісін сипаттау үшін индукция векторымен қатар магнит өрісінің кернеулік векторы енгізілген. Магнит өрісінің кернеулігі ортаның қасиеттеріне байланыссыз, ол магнит өрісін туғызатын токтың шамасына тікелей байланысты болады.

Кернеулік векторының өлшем бірлігі Магнит өрісінің кернеулік векторы арқылы жазылған Био – Савар – Лаплас заңы: векторлық түрі - скаляр түрі -

Вакуумдегі магнит өрісінің индукция векторы мен кернеулік векторы арасындағы байланыс келесі түрде жазылады:

.

1) Ұзындығы -ға тең тогы бар түзу өткізгіштің магнит өрісінің индукциясы мен кернеулігін анықтайық.

Био – Савар – Лаплас заңы бойынша

мұндағы:

Сонымен ұзындығы -ге тең тогы бар түзу өткізгіштің магнит өрісінің индукциясы мен кернеулігі келесі формулалармен анықталады:

2) Шексіз ұзын түзу өткізгіштің магнит өрісінің индукциясы және кернеулігін анықтайық. Егер өткізгіш шексіз ұзын болса, онда

Бұл жағдайда шексіз ұзын түзу өткізгіштің магнит өрісінің индукциясы және кернеулігі келесі формулалармен анықталады:

3) Тогы бар орамның центріндегі магнит өрісінің индукциясы және кернеулігі келесі формулалармен анықталады:

4) Соленоидтың осіндегі магнит өрісінің индукциясы және кернеулігі келесі формулалармен анықталады:

мұндағы: - соленоидтың бірлік ұзындығындағы орам саны.

5) Қозғалыстағы зарядтың тудыратын магнит өрісірің индукциясы және кернеулігі келесі формулалармен анықталады:

20.2.Лоренц күші

Магнит өрісінде қозғалатын зарядталған бөлшектерге магнит өрісі тарапынан әсер ететін күшті Лоренц күші деп атайды.

- Лоренц күшінің формуласының векторлық түрі.

- Лоренц күшінің формуласының скаляр түрі.

Лоренц күшінің бағыты сол қол ережесімен анықталады.

Лоренц күші қозғалыстағы зарядталған бөлшектің тек қана қозғалыс бағытын өзгертеді. Ал оның жылдамдығын және кинетикалық энергиясын өзгертпейді. Электр және магнит өрісінде қозғалатын зарядталған бөлшектерге әсер ететін Лоренц күші келесі өрнекпен анықталады:

20.3.Ампер заңы

Магнит өрісінде орналасқан тогы бар өткізгішке магнит өрісі тарапынан әсер ететін күшті Ампер күші деп атайды.

Магнит өрісі біртекті болған жағдайда тогы бар өткзгішке әсер ететін Ампер күші келесі өрнекпен анықталады:

Ампер күшінің бағыты сол қол ережесімен анықталады. Сол қолдың төрт саусағын өткізгіштегі токтың бағытымен бағыттас етіп бағыттап, индукция векторы алақанды тесіп өтетін болса, 90⁰-қа қайырылған басбармақ Ампер күшінің бағытын көрсетеді.

Ампер түзу токтардың өзара әсерінен келесі заңдылықтар ашты:

1. Бағыттас параллель токтар бір-біріне тартылады;

2. Бағыттары қарама-қарсы токтар бір-бірімен тебіледі;

3. Параллель емес токтар бағыттары бірдей әрі параллель болуға ұмтылады.

Бір бірінен қашықтықта орналасқан екі түзу шексіз ұзын тогы бар өткізгіштердің әрбір бірлік ұзындықтарына келетін өзара әсерлесу күші

1 Ампер ток күші деп вакуумде бір-бірінен 1 метр ара қашықтықта орналасқан шексіз ұзын параллель екі өткізгіштен ток өткенде, олардың арасында әрбір 1 метр ұзындықтарына магнит өрісі тарапынан 2^.10^-7 Ньютонға тең күш әсерін туғызатындай ток күшін айтады.

Магнит өрісіне енгізілген тогы бар контурдың магниттік моменті келесі формуламен анықталады:   .

20.4.Магнит индукция векторының ағыны және циркуляциясы

Біртекті магнит өрісінің индукция векторының күш сызықтары параллель болып келеді. Осы өрісте ауданы S бет орналасса, онда магниттік индукция векторының жазық беттің ауданына көбейтіндісі осы бет арқылы өтетін магнит ағыны деп атайды.

Егер ауданы жазық бетке нормаль мен индукция векторы бұрыш жасай отырып орналасса, онда магнит ағыны келесі өрнекпен анықталады:

.

Магнит ағыны скаляр шама. Магнит ағыны байланысты таңбасы оң немесе теріс бола алады. Кез-келген бет арқылы өтетін магнит ағыны келесі түрде жазылады:

Магнит өрісі үшін Остроградский- Гаусс теоремасы:

.

Кез-келген тұйық бет арқылы өтетін магнит ағыны нольге тең болады.

Магнит ағыны 1 Вебермен (Вб) өлшенеді.

.

Вакуумдегі магнит өрісі үшін толық ток заңы:

Тұйық контур арқылы өтетін магнит индукциясы векторының циркуляциясы магнит тұрақтысын контур арқылы өтетін токтардың алгебралық қосындысына көбейткенге тең.

20.5.Магнит өрісінде тогы бар өткізгішті орын

ауыстырғанда атқарылатын жұмыс

Тогы бар өткізгішке магнит өрісінің тарапынан күш әсер еткендіктен, өткізгішті магнит өрісінде қозғағанда жұмыс атқарылады.

Ұзындығы -ге тең өткізгіш тізбекке суретте көрсетілгендей түрде қосылған және өз-өзіне параллеь орын ауыстырсын.

Магнит индукциясының бағыты мен -ке перпендикуляр бағытталған. Өткізгішке магнит өрісі тарапынан күші әсер етеді. Сондықтан магнит өрісінің атқаратын жұмысы келесі формуламен анықталады: мұндағы: - өткізгіштің магнит өрісінде қиятын ауданы.

екенін ескере отырып, магнит өрісінің атқаратын жұмысын келесі түрде өрнектеуге болады:

Дата добавления: 2015-06-04