Cтраница 1

Носители электрического тока не связаны с атомами и одинаковы во всех металлах. В металлический проводник, по которому идет постоянный ток, с одного конца входит такое же количество этих носителей тока, какое выходит с другого его конца, и заряд проводника при этом не изменяется.  

Носителями электрического тока в растворах электролитов являются катионы и анионы. Причем разряд катионов на катоде и анионов на аноде осуществляется одновременно и в эквивалентных количествах.  

Носителями электрического тока в полупроводнике с донорной примесью являются электроны, которые переходят с примесных уровней в зону проводимости. Следовательно, проводимость имеет электронный характер, а вещество с такой проводимостью называется полупроводником п-типа.  

Носителями электрического тока в жидкостях являются ионы, которые образуются при распаде (диссоциации) молекул.  

Носителями электрического тока в проводниках первого рода являются электроны, в проводниках второго рода - ионы. При этом отрицательные ионы и электроны движутся к положительному полюсу источника тока, а положительно заряженные ионы - к отрицательному полюсу. Электрический ток может быть постоянным и переменным.  

Концентрацию носителей электрического тока (электронов и дырок) можно изменять, воздействуя па полупроводник светом, частота которого достаточна для того, чтобы переводить электроны из валентной зоны в зону проводимости. При включении источника света концентрация носителей начинает увеличиваться, приближаясь к новому - большему - значению. При выключении света она уменьшается до прежней величины. Время установления нового значения (или возврата к старому) сильно меняется от образца к образцу. Это происходит потому, что указанное время зависит не только от количества донорных и акцепторных примесей в полупроводнике, но и от количества и вида имеющихся в кристалле дефектов. Дефекты играют для электронов и дырок роль ловушек и существенно убыстряют рекомбинацию: от - 10 - 2 с в очень чистых и тщательно изготовленных: образцах до 10-в с в образцах худшего качества.  

В случае неионных кристаллов носители электрического тока имеют несколько иную природу. Тепловое движение ионизует отдельные нейтральные атомы или молекулы и вырывает из них электроны. Последние движутся вдоль решетки.  

Согласно зонной теории проводимости носителями электрического тока в твердых телах являются электроны зоны проводимости.  

Эффект Томсона заключается в передаче теплоты носителями электрического тока при неравномерном нагреве проводника.  

Эффект Томсона заключается в переносе тепла носителями электрического тока. Он может быть положительным или отрицательным и приводит к смещению максимума температуры в контакте от середины: при положительном эффекте максимум смещается в направлении переноса тока, при отрицательном - в противоположном направлении.  

Темы кодификатора ЕГЭ : носители свободных электрических зарядов в газах.

При обычных условиях газы состоят из электрически нейтральных атомов или молекул; свободных зарядов в газах почти нет. Поэтому газы являются диэлектриками - электрический ток через них не проходит.

Мы сказали «почти нет», потому что на самом деле газах и, в частности, в воздухе всегда присутствует некоторое количество свободных заряженных частиц. Они появляются в результате ионизирующего воздействия излучений радиоактивных веществ, входящих в состав земной коры, ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца, а также космических лучей - потоков частиц высокой энергии, проникающих в атмосферу Земли из космического пространства. Впоследствии мы вернёмся к этому факту и обсудим его важность, а сейчас заметим лишь, что в обычных условиях проводимость газов, вызванная «естественным» количеством свободных зарядов, пренебрежимо мала, и её можно не принимать во внимание.

На изолирующих свойствах воздушного промежутка основано действие переключателей в электрических цепях (рис. 1 ). Например, небольшого воздушного зазора в выключателе света оказывается достаточно, чтобы разомкнуть электрическую цепь в вашей комнате.

Рис. 1. Ключ

Можно, однако, создать такие условия, при которых электрический ток в газовом промежутке появится. Давайте рассмотрим следующий опыт.

Зарядим пластины воздушного конденсатора и подсоединим их к чувствительному гальванометру (рис. 2 , слева). При комнатной температуре и не слишком влажном воздухе гальванометр не покажет заметного тока: наш воздушный промежуток, как мы и говорили, не является проводником электричества.

Рис. 2. Возникновение тока в воздухе

Теперь внесём в зазор между пластинами конденсатора пламя горелки или свечи (рис. 2 , справа). Ток появляется! Почему?

Свободные заряды в газе

Возникновение электрического тока между пластинами кондесатора означает, что в воздухе под воздействием пламени появились свободные заряды . Какие именно?

Опыт показывает, что электрический ток в газах является упорядоченным движением заряженных частиц трёх видов . Это электроны , положительные ионы и отрицательные ионы .

Давайте разберёмся, каким образом эти заряды могут появляться в газе.

При увеличении температуры газа тепловые колебания его частиц - молекул или атомов - становятся всё интенсивнее. Удары частиц друг о друга достигают такой силы, что начинается ионизация - распад нейтральных частиц на электроны и положительные ионы (рис. 3 ).

Рис. 3. Ионизация

Степенью ионизации называется отношение числа распавшихся частиц газа к общему исходному числу частиц. Например, если степень ионизации равна , то это означает, что исходных частиц газа распалось на положительные ионы и электроны.

Степень ионизации газа зависит от температуры и резко возрастает с её увеличением. У водорода, например, при температуре ниже степень ионизации не превосходит , а при температуре выше степень ионизации близка к (то есть водород почти полностью ионизирован (частично или полностью ионизированный газ называется плазмой )).

Помимо высокой температуры имеются и другие факторы, вызывающие ионизацию газа.

Мы их уже вскользь упоминали: это радиоактивные излучения, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, космические частицы. Всякий такой фактор, являющийся причиной ионизации газа, называется ионизатором .

Таким образом, ионизация происходит не сама по себе, а под воздействием ионизатора.

Одновременно идёт и обратный процесс - рекомбинация , то есть воссоединение электрона и положительного иона в нейтральную частицу (рис. 4 ).

Рис. 4. Рекомбинация

Причина рекомбинации проста: это кулоновское притяжение противоположно заряженных электронов и ионов. Устремляясь навстречу друг другу под действием электрических сил, они встречаются и получают возможность образовать нейтральный атом (или молекулу - в зависимости от сорта газа).

При неизменной интенсивности действия ионизатора устанавливается динамическое равновесие: среднее количество частиц, распадающихся в единицу времени, равно среднему количеству рекомбинирующих частиц (иными словами, скорость ионизации равна скорости рекомбинации).Если действие ионизатора усилить (например, повысить температуру), то динамическое равновесие сместится в сторону ионизации, и концентрация заряженных частиц в газе возрастёт. Наоборот, если выключить ионизатор, то рекомбинация начнёт преобладать, и свободные заряды постепенно исчезнут полностью.

Итак, положительные ионы и электроны появляются в газе в результате ионизации. Откуда же берётся третий сорт зарядов - отрицательные ионы? Очень просто: электрон может налететь на нейтральный атом и присоединиться к нему! Этот процесс показан на рис. 5 .

Рис. 5. Появление отрицательного иона

Образованные таким образом отрицательные ионы будут участвовать в создании тока наряду с положительными ионами и электронами.

Несамостоятельный разряд

Если внешнего электрического поля нет, то свободные заряды совершают хаотическое тепловое движение наряду с нейтральными частицами газа. Но при наложении электрического поля начинается упорядоченное движение заряженных частиц - электрический ток в газе .

Рис. 6. Несамостоятельный разряд

На рис. 6 мы видим три сорта заряженных частиц, возникающих в газовом промежутке под действием ионизатора: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны. Электрический ток в газе образуется в результате встречного движения заряженных частиц: положительных ионов - к отрицательному электроду (катоду), электронов и отрицательных ионов - к положительному электроду (аноду) .

Электроны, попадая на положительный анод, направляются по цепи к «плюсу» источника тока. Отрицательные ионы отдают аноду лишний электрон и, став нейтральными частицами, возвращаются в обратно газ; отданный же аноду электрон также устремляется к «плюсу» источника. Положительные ионы, приходя на катод, забирают оттуда электроны; возникший дефицит электронов на катоде немедленно компенсируется их доставкой туда с «минуса» источника. В результате этих процессов возникает упорядоченное движение электронов во внешней цепи. Это и есть электрический ток, регистрируемый гальванометром.

Описанный процесс, изображённый на рис. 6 , называется несамостоятельным разрядом в газе. Почему несамостоятельным? Потому для его поддержания необходимо постоянное действие ионизатора. Уберём ионизатор - и ток прекратится, поскольку исчезнет механизм, обеспечивающий появление свободных зарядов в газовом промежутке. Пространство между анодом и катодом снова станет изолятором.

Вольт-амперная характеристика газового разряда

Зависимость силы тока через газовый промежуток от напряжения между анодом и катодом (так называемая вольт-амперная характеристика газового разряда ) показана на рис. 7 .

Рис. 7. Вольт-амперная характеристика газового разряда

При нулевом напряжении сила тока, естественно, равна нулю: заряженные частицы совершают лишь тепловое движение, упорядоченного их движения между электродами нет.

При небольшом напряжении сила тока также мала. Дело в том, что не всем заряженным частицам суждено добраться до электродов: часть положительных ионов и электронов в процессе своего движения находят друг друга и рекомбинируют.

С повышением напряжения свободные заряды развивают всё большую скорость, и тем меньше шансов у положительного иона и электрона встретиться и рекомбинировать. Поэтому всё большая часть заряженных частиц достигает электродов, и сила тока возрастает (участок ).

При определённой величине напряжения (точка ) скорость движения зарядов становится настолько большой, что рекомбинация вообще не успевает происходить. С этого момента все заряженные частицы, образованные под действием ионизатора, достигают электродов, и ток достигает насыщения - а именно, сила тока перестаёт меняться с увеличением напряжения. Так будет происходить вплоть до некоторой точки .

Самостоятельный разряд

После прохождения точки сила тока при увеличении напряжения резко возрастает - начинается самостоятельный разряд . Сейчас мы разберёмся, что это такое.

Заряженные частицы газа движутся от столкновения к столкновению; в промежутках между столкновениями они разгоняются электрическим полем, увеличивая свою кинетическую энергию. И вот, когда напряжение становится достаточно большим (та самая точка ), электроны за время свободного пробега достигают таких энергий, что при соударении с нейтральными атомами ионизируют их! (С помощью законов сохранения импульса и энергии можно показать, что именно электроны (а не ионы), ускоряемые электрическим полем, обладают максимальной способностью ионизировать атомы.)

Начинается так называемая ионизация электронным ударом . Электроны, выбитые из ионизированных атомов, также разгоняются электрическим полем и налетают на новые атомы, ионизируя теперь уже их и порождая новые электроны. В результате возникающей электронной лавины число ионизированных атомов стремительно возрастает, вследствие чего быстро возрастает и сила тока.

Количество свободных зарядов становится таким большим, что необходимость во внешнем ионизаторе отпадает. Его можно попросту убрать. Свободные заряженные частицы теперь порождаются в результате внутренних процессов, происходящих в газе - вот почему разряд называется самостоятельным.

Если газовый промежуток находится под высоким напряжением, то для самостоятельного разряда не нужен никакой ионизатор. Достаточно в газе оказаться лишь одному свободному электрону, и начнётся описанная выше электронная лавина. А хотя бы один свободный электрон всегда найдётся!

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Упорядоченное (направленное) электрически заряж. ч-ц или заряж. макроскопич. тел. За направление тока принимают направление движения положительно заряж. ч-ц; если создаётся отрицательно заряж. ч-цами (напр., эл-нами), то направление тока считают противоположным направлению движения ч-ц. Различают Э. т. проводимости, связанный с движением заряж. ч-ц относительно той или иной среды (т. е. внутри макроскопич. тел), и - движение макроскопич. заряж. тел как целого (напр., заряж. капель дождя).

О наличии Э. т. в проводниках можно судить по действиям, к-рые он производит: нагреванию проводников, изменению их хим. состава, созданию магн. поля. Магн. тока проявляется у всех без исключения проводников; в сверхпроводниках не происходит выделения теплоты, а хим. действие тока наблюдается преим. в электролитах. Магн. порождается не только током проводимости или конвекц. током, но и перем. электрич. полем в диэлектриках и вакууме. Величину, пропорц. скорости изменения электрич. поля во времени, Дж. Максвелл назвал током смещения. Ток смещения входит в Максвелла уравнения на равных правах с током, обусловленным движением зарядов. Поэтому полный Э. т., равный сумме тока проводимости и тока смещения, определяет создаваемое им магн. поле.

Количественно Э. т. характеризуется скалярной величиной - силой тока I и векторной величиной - плотностью электрического тока у. При равномерном распределении плотности тока по сечению проводника

Для возникновения и существования Э. т. необходимо наличие свободных заряж. ч-ц (т. е. положит. или отрицат. заряж. ч-ц, не связанных в единую электрически нейтр. систему) и силы, создающей и поддерживающей их упорядоч. движение. Обычно такой силой явл. со стороны электрич. поля внутри проводника, к-рое определяется электрич. напряжением на концах проводника. Если не меняется во времени, то в проводнике устанавливается , если меняется - .

Важнейшей хар-кой проводника явл. зависимость силы тока от напряжения -вольтамперная хар-ка. Для металлич. проводников и электролитов она определяется Ома законом.

Способность в-в пропускать Э. т. характеризуется электропроводностью (или электрическим сопротивлением).

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Направленное движение носителей электрич. зарядов (электронов, ионов, дырок и т. п.). Количественно Э. т. характеризуется вектором плотности электрического тока j = qn <u >, где q и п - заряд и носителей, <u > - ср. скорость упорядоченного движения носителей (с учётом ф-ции распределения по скоростям или импульсам). Если ввести объёмную заряда r=qn, то j =r<u >. В системах с разнозарядовыми носителями производится векторное суммирование плотностей Э. т., обусловленных этими носителями. Интегральной характеристикой Э. т. является сила тока I, определяемая как поток вектора j через заданную площадку DS:

Ф-ции j (r , t )и r(r , t ) связаны ур-нием непрерывности:

В интегральной форме это ур-ние восходит к закону сохранения электрич. заряда:

(S- поверхность, охватывающая объём V, Q- заряд объёма V ), к-рый является одним из фундам. законов природы- отклонение от него не обнаружено ни в одном эксперименте или наблюдении. В пространственно-временной записи ур-ние непрерывности сводится к равенству нулю 4-дивергенции 4-тока, т. е. к утверждению, что 4-вектор плотности Э. т. всегда является чисто вихревым.

Помимо разделения Э. т. на переменные токи и постоянные токи, до нек-рой степени условно различают т о к и п р о в о д и м о с т и и конвекционные токи. К первым относят Э. т. в проводящих средах, где (электроны, ионы, дырки в проводниках и полупроводниках, анионы и катионы в электролитах) перемещаются сами или эстафетно передают один другому импульсы внутри неподвижных макросред, испытывая индивидуальные или коллективные соударения с формирующими эти среды частицами (нейтралами, ионными решётками и т. п.). Для компенсации потерь и обеспечения протекания Э. т. (за исключением Э. т. в сверхпроводниках) необходимо прикладывать сторонние силы - обычно электрич. поле Е . При достаточно малых Е почти всегда справедлива линейная связь между j к Е (Ома закон); для линейных однородных изотропных сред j = sE , s= const. В общем случае электропроводность s может зависеть от координат (неоднородные среды), направлений (анизотропные среды), внеш. магн. поля, изменяться со временем (парамет-рич. среды) и т. п. С увеличением напряжённости Е электропроводность любой среды становится нелинейной: s = s(E ). Напр., под действием поля Е даже в исходно нейтральных (непроводящих) газах может возникать ла-винно возрастающая - пробой (см. Лавина электронная )с прохождением иногда весьма значительных Э. т. В естественных земных условиях разряды в грозовых облаках характеризуются Э.

В технике важное значение имеют токовые цепи, состоящие из последовательных и параллельных соединений тонких проводников (называемых линейными по их геом. признакам) со включёнными сосредоточенными элементами: ёмкостями, сопротивлениями, транзисторами, переключателями и т. п. Иногда говорят о сильноточных и слаботочных системах в зависимости от назначения соответствующих устройств-передачи (преобразования) больших энергий или переработки информации. Распределение Э. т. в линейных цепях подчинены Кирхгофа правилам. При отсутствии нелинейных элементов справедливы взаимности принцип и различные его разновидности.

К собственно конвекционным Э. т. относятся в осн. токи в электронных и ионных пучках, транспортируемые или дрейфующие в вакуумных полостях. Для пучков с некомпенсированным пространственным зарядом расталкивающее кулоновское поле ограничивает длину транспортировки (если, конечно, не приняты надлежащие по его фокусировке внешними, а иногда и собственными полями). Однако магн. поле пучка всегда меньше собственного кулоновского электрич. поля и магн. (пинч-эффект )возможна только при наличии компенсации поля пространственного заряда (напр., в квазинейтральной плазме). При этом бывает уже совсем трудно отличить токи проводимости от конвекционных. При нек-рых значениях Э. т. пучка носители зарядов "вмораживаются" в собственное магн. поле Э. т. и транспортировка пучка прекращается. Этот Э. т. наз. предельным током Альвена I А. Для сплошного пучка I А I О gb, где b = u /c, g = (1 -b 2) -1/2 , и - скорость носителей. Для электронов величина 1 0 = тс 3 /е= 17,04 кА и является одним из универсальных характеристических значений Э. е за время t = r e /c, где r е - классический радиус электрона. Ток I 0 фигурирует во всех выражениях, описывающих поведение интенсивных электронных пучков, и в принципе является исходной единицей Э. т. в соответствующей безразмерной системе единиц. Н. Ф. Ковалёв, М. А. Миллер.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК, направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов, ионов и др. Характеризуется направлением и силой тока. Условно за направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов … Современная энциклопедия

Направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов, ионов и др. Условно за направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов … Большой Энциклопедический словарь

Движение электричества от положительного полюса гальваническ. элемента или батареи к отрицательному по сомкнутому проводнику (см. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО). Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Павленков Ф., 1907 … Словарь иностранных слов русского языка

Электрический ток - явление направленного движения носителей электрических зарядов и (или) явление изменения электрического поля во времени, сопровождаемые магнитным полем...

с экспериментом. Экспериментально установлено, что в довольно большом интервале температур удельное сопротивление пропорционально абсолютной температуре: ρ Т , илиρ = ρ 0 (1 + α t ) , гдеρ 0

– удельное сопротивление при температуре t =0° C,α -температур-

ный коэффициент сопротивления, t – температура в ° C. Следова-

тельно, σ =1/ρ 1/Т.

В выражении (5.14) только одна величина существенно зависит от Т: υ CP T . При этом получается, чтоσ 1 T . Для того чтобы теоретические результаты не противоречили опыту, нужно предположить, что произведениеn 0 λ 1 T , однако обосновать

такую зависимость в рамках молекулярно-кинетической теории невозможно.

Таким образом, классическая электронная теория не объяснила температурной зависимости удельного сопротивления металлов.

Возникли также трудности при оценке средней длины свободного пробега электронов в металле. Для того чтобы, пользуясь формулой (5.14), получить такие значения удельной электропроводности металла, которые не расходились бы с опытными данными, приходится принимать среднюю длину свободного пробега электронов λ в сотни раз большей, чем период решетки металла. Иными словами, приходится предположить, что электрон проходит без соударений мимо сотен ионов. Такое предположение не соответствует классической электронной теории.

Еще большие затруднения возникли при подсчете теплоемкости металлов. При ее вычислении нельзя пренебречь теплоемкостью электронного газа, обладающего, согласно классической электронной теории, всеми свойствами идеального газа. Однако из опытов известно, что теплоемкость металлов мало отличается от теплоемкости других твердых тел, например диэлектриков, не имеющих свободных электронов. Объяснить это расхождение с помощью классической электронной теории невозможно.

Электропроводность металлов хорошо объясняется современной квантовой теорией. Сравнительно недавно (около 50 лет тому назад) была создана теория сверхпроводимости . Как было установлено Камерлинг-Онессом в 1911 г., некоторые металлы при очень низких температурах (0,4− 18 К) скачкообразно теряют сопротивление. Ток, возбужденный в сверхпроводнике, без всякого

источника существует сколь угодно долго. В конце 80-х годов прошлого века было открыто явлениевысокотемпературной сверхпроводимости , существующее в керамических системах при температурах 70-120 К.

1. Какое предположение о свойствах электронов в металлах лежит в основе классической электронной теории?

2. Почему на среднюю длину свободного пробега электронов в металле не влияет скорость упорядоченного движения под действием поля?

3. На основе какого закона определяется ускорение электрона

в промежутках между соударениями с ионами решетки?

4. Как зависит удельная электропроводность металлов от температуры и какая зависимость получается в классической электронной теории?

5. Каковы другие недостатки классической электронной тео-

6. Что такое сверхпроводимость?

при всех возможных значениях тока. При очень больших напряженностях поля (106 В/м) в электролите наблюдаются заметные отклонения от закона Ома. Они обусловлены тем, что при больших скоростях движения ионов изменяются условия взаимодействия как между ионами, такиионовс молекуламирастворителя («трение»).

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается электролизом − выделением на электродахсоставных частей растворенного вещества. Электролиз применяется для получения чистых материалов, например для получения рафинированной меди. Медные электроды погружаются в раствор медного купороса, молекулы которого диссоциируют на ионы:CuSO 4 ↔ Cu ++ + SO 4 −− . При

протекании тока медный анод растворяется, чистая медь осаждается на катоде, а примеси и шлаки выпадают на дно. Законы электролиза были установленыФарадеем.

Первый закон − количество вещества, выделившееся на электроде, пропорционально прошедшему через электролит заряду:m = kq = kIt , гдеk - электрохимический эквивалент, численно равный массе вещества, выделившейся при прохождении через электролит заряда в 1 Кл.

Второй закон − электрохимические эквиваленты всех веществ пропорциональны их химическим эквивалентам:k = F 1 χ ,

где χ = M n - химический эквивалент,М - молярная масса вещест-

ва, n - валентность,F - постоянная Фарадея. Оба закона можно объединить:

m = F χ It= F 1 M n It.

Кроме получения чистых металлов, электролиз используют в электрометаллургии расплавов (получение алюминия, натрия, магния и др.), для покрытия поверхности металлов декоративной или защитной пленкой (гальваностегия), для получения металлических слепков с рельефных моделей(гальванопластика), для электрической полировки поверхностей металлов.

1. Какие частицы являются носителями заряда в электролитах?

2. Чем существенным отличается процесс протекания тока через электролит от тока в металлах?

3. Покажите, что электрохимический эквивалент обратно пропорционален валентности и объясните почему. Нужно вспомнить, что такое валентность.

4. Что такое электролиз и где он применяется?

5.3.3. Электрический ток в газах. Понятие о плазме

Газы при обычных условиях не проводят электрического то-

ка. Вследствие нагревания, воздействия излучения и т.п. часть газа ионизуется: часть атомов теряет электроны − возникают положительные ионы, часть нейтральных атомов захватывает электроны− возникают отрицательные ионы. Таким образом, носителями заряда в газах являются электроны и ионы. Одновременно с процессомионизации в газе происходит обратный процесс− рекомбинация − образование нейтральных атомов при столкновении ионов с электронами.

Процесс протекания тока через газ называют газовым разрядом. При малых значениях напряженности электрического поля ток в газе может существовать только при наличии внешнего ионизатора (пламя, излучение и т.п.). Такой

тиц будет достигать электродов, и, наконец, все ионы, ежесекундно создаваемые ионизатором, будут достигать электродов, рост тока сначала замедлится, а затем и вовсе прекратится, несмотря на увеличение напряжения наступит насыщение (участок 2). Закон Ома на этом участке не выполняется.

При дальнейшем значительном увеличении напряженности поля Е ускоряемые на длине свободного пробега λ электроны приобретают энергиюW = eE λ , достаточную для выбивания электрона из нейтрального атома при соударении. Такой процесс называют ионизацией при соударении. Процесс образования поло-

Рис. 5.12. Устройство вакуумного диода (а ) и его обозначение на принципиальных схемах (б )

рячую) плазму(T >106 ) - вещество в недрах звезд, в термоядерных реакторах.

1. При каких условиях возможно протекание тока в газах?

2. Какие частицы являются носителями заряда в газах?

3. При каких условиях в газах выполняется закон Ома?

4. Каковы необходимые условия для возникновения несамостоятельного газового разряда? Какие процессы протекают при этом в газе?

5. Назовите основные типы самостоятельного газового разряда

и поясните, за счет каких процессов в каждом из них происходит образованиеносителейтока.

5.3.4. Ток в вакууме. Электронная эмиссия

Под вакуумом понимают газ такого малого давления, при котором молекулы в сосуде не сталкиваются друг с другом. Такой разреженный газ является изолятором, так как в нем нет носителей заряда. Но в вакуум можно ввести свободные носители заряда путем эмиссии (испускания) электронов с поверхности электродов. Существуют различные виды эмиссии: термоэлектронная - при нагревании металла до высокой температуры;фотоэлектронная - при освещении поверхности металла;вторичная электронная эмиссия - выбивание бы-

стрыми заряженными частицами (электронами, ионами и др.).

Термоэлектронная эмиссия используется в электронных лампах. Простейший

электровакуумный прибор - электронная а б лампа с двумя электродами. Такая лампа называетсявакуумным диодом . Катодом лампы служит нить накала. Анодом обычно служит цилиндр, охватывающий нить (рис. 5.12а ). Условное изображение диодавсхемах показанонарис. 5.12б.

При нагревании нити накала электрическим током, часть электронов материала нити получает энергию, достаточную для совершения работы выхода против сил притяжения положительных ио-

нов металла. Эти электроны покидают поверхность катода и под действием электрического поля движутся к аноду. При повышении температуры число вылетающих из металла электронов растет.

При постоянной температуре катода ток зависит от разности потенциалов между анодом и катодом следующим образом: I (∆ϕ ) 3 2 (при сравнительно небольших значениях∆ϕ ). Когда

разность потенциалов становится настолько большой, что все испущенные катодом электроны будут достигать анода, ток достигает своего максимального значения, наступает состояние насыщения – ток перестает зависеть от разности потенциалов. Ток через диод может протекать только тогда, когда нить накала является катодом. При перемене полюсов источника тока прекращается ток в цепи. Поэтому вакуумный диод, включенный в цепь переменного тока, пропускает ток только в одном направлении и тем самым превращает переменный ток в ток постоянного направления.

В трехэлектродной лампе - триоде - между катодом и анодом имеется третий электрод - сетка. Сетка расположена значительно ближе к катоду, чем анод, и изменение напряжения между сеткой и катодом влияет на величину анодного тока значительно сильнее, чем изменение анодного напряжения. Триоды использовались для усиления и генерирования электрических колебаний, однако к настоящему времени практически полностью вытеснены полупроводниковыми приборами. Единственным преимуществом электровакуумных приборов является их нечувствительность к воздействию радиоактивных излучений.

Широко применяемым и в настоящее время электровакуумным прибором яв-

ляется электронно-лучевая трубка (рис. 5.13). В стеклянном баллоне 1, из которо-Рис. 5.13. Устройство элек- го откачан воздух до глубокого вакуума,

тронно-лучевой трубки в узкой ее части находится «электронная пушка» - устройство, создающее электронный пучок. Она состоит из нити накала 2, соединенной с катодом, анода в виде цилиндра 3 и электрода 4 в виде цилиндра с отверстием в торце, который управляет интенсивностью электронного пучка.

Электроны, испускаемые нагретой нитью, пролетают через анод в виде узкого пучка и попадают на экран 5, покрытый люминофором, который светится при ударе попадающих на него элект-

ронов. Увеличивая или уменьшая потенциал электрода 4, можно изменять скорость электронов, попадающих на экран, и тем самым регулировать яркость светящейся точки.

Две пары пластин 6 и 7, расположенные вдоль оси трубки во взаимно перпендикулярных плоскостях, позволяют изменять направление электронного луча. Если подать напряжение на первую пару пластин 6, то электронный луч, проходя между ними, будет отклоняться в сторону положительно заряженной пластины. При этом светящаяся точка сместится в вертикальном направлении к краю экрана - вверх или вниз и тем значительнее, чем больше напряжение. Точно так же, если подать напряжение на вторую пару пластин 7, электронный луч будет отклоняться ими в горизонтальной плоскости.

Электронно-лучевая трубка используется для наблюдения за быстро протекающими изменениями напряжений. Такой прибор называетсяэлектронным осциллографом . Особенно широкое применение электронно-лучевая трубка получила в телевизорах и компьютерных мониторах.

1. При каких условиях возможно протекание тока в вакууме?

2. Какие частицы являются носителями заряда в вакууме?

3. Выполняется ли закон Ома для тока в вакууме?

4. Как объяснить состояние насыщения, когда ток не меняется при увеличении разности потенциалов?

5. В каких устройствах применяются электронные пучки в вакууме?

6. Как осуществляется формирование узкого пучка электронов

в электронно-лучевой трубке?

7. Каким образом осуществляется отклонение пучка движущихся электронов в электронно-лучевой трубке? Какие поля, кроме электростатического, могут быть использованы для этой цели?

5.3.5. Полупроводники.

Собственная и примесная проводимость

Полупроводниками называют вещества, по проводимости занимающие промежуточное положение между проводниками и изоляторами. Концентрация свободных электронов в них в мил-

лионы раз меньше, чем в металлах. Электропроводность зависит от наличия примесей в материале полупроводника и от внешних условий − температуры и освещения. К полупроводникам относится огромное большинство веществ. Это ряд элементов (германий, кремний, бор и др.), большинство минералов, оксиды и др. химические соединения.

На рис. 5.14а показана схема строения кремния. В кристалле

действие между атомами

называется ковалентной связью.

На рис. 5.14б валентные электроны показаны в виде точек на прямых отрезках, соединяющих соседние атомы. При очень низких температурах все валентные электроны связаны с атомами и полупроводник является изолятором. При нагревании кристалла или его освещении некоторые электроны приобретают энергию, достаточную, чтобы покинуть атом. Такие электроны (один из них на рис. 5.14б показан со знаком (-)) становятся свободными и могут при наличии электрического поля создавать ток. В той паре атомов, которую электрон покинул, остается свободное место – «дырка», имеющая положительный заряд. Это вакантное место может занять электрон из соседнего атома. Таким образом, «дырка» может блуждать по кристаллу, пока не встретит свободный электрон. При этом произойдет рекомбинация− нейтрализация свободных электрона и «дырки». За счет теплового движения или воздействия света в кристалле может образовываться большое число электронно-дырочных пар. При наличии электрического поля ток в полупроводнике будет создаваться электронами проводимости и дырками, движущимися в противоположных направлениях. Такая проводимость, существующая в чистых полупроводниках, называетсясобственной . Собственная проводимость полупроводников, в отличие от металлов (см. раздел 5.3.1), увеличивается с ростом температуры.

Проводимость полупроводников существенно зависит от наличия примесей. Предположим, что в четырехвалентный кремний введена небольшая примесь пятивалентного мышьяка (рис. 5.15а ). При этом четыре электрона мышьяка осуществляют химическую связь с атомами кремния. Пятый же электрон весьма слабо связан с атомом мышьяка и уже при невысокой температуре становится свободным электроном проводимости. В таких полупроводниках, называемыхполупроводниками n-типа , основными носителями являются электроны проводимости, проводимость называетсяпримесной , апримесь -донорной.

При введении в четырехвалентный кремний трехвалентной примеси, например бора (рис. 5.15б ), три его валентных электрона соз-

блуждать по кристаллу. Число дырок в кристалле равно числу атомов примеси. В таких примесных полупроводниках, называемых полупроводниками р-типа , основными носителями являются дырки. Примесь в этом случае называетсяакцепторной . Как в полупроводниках р-типа, так и n-типа существуют также неосновные носители, образующиеся за счет собственной проводимости при разрыве ковалентных связей.

Носители электрического заряда представляют собой физические частицы либо квазичастицы обладающие подвижностью несущие электрический заряд и способные обеспечивать прохождение тока в данной среде. В зависимости от вещества носителями электрического заряда могут выступать различные частицы.

Например, в твердых телах, таких как различные металлы, носителями зарядов служат электроны. Принято считать, что электрон обладает отрицательным зарядом, величина которого составляет -1,602176565(35)·10-19 Кл. Этот заряд неделим, то есть раздробить его на более мелкие заряды нельзя. Так как величина заряда дискретна то общий заряд любого тела в целом будет кратен целому числу элементарных зарядов. В нашем случае заряду электрона.

Рисунок —

Если рассматривать газы как среду, в которой протекает электрический ток, то носителями зарядов в них будут наряду с электронами еще и ионы. В отличие от электронов ионы могут быть как положительными, так и отрицательными. Ион в простейшем случае это атом вещества, потерявший свой либо получивший чужой электрон. Если атом потерял электрон, то он стал положительным ионом.

Рисунок —

Так как изначально заряд атома в целом был равен нулю. То есть положительные заряды внутри атома равны по величине отрицательным. То при потере одного электрона в атоме остается не скомпенсированным один положительный заряд и атом в целом становится положительным ионом.

Отрицательный ион по аналогии атом с лишним электроном. То есть изначально электрически нейтральный атом получает лишний электрон и его суммарный отрицательный заряд становится больше положительного.

Еще один вид носителя зарядов это так называемые дырки. Они существуют в полупроводниках. Это вид носителя зарядов называется квазичастицей. Так как он как бы не существует, как частица, но при этом обладает всеми ее свойствами. Дырка это атом полупроводника, у которого в валентной зоне отсутствует электрон. То есть существует вакансия, которую мажет занять другой электрон.

Рисунок —

Атом с вакансией сам не перемещается внутри полупроводника. Так как он привязан к кристаллической решётке. Но вот вакансия может перемещаться по решётке полупроводника. Происходит это так. Вакансия в данном атоме занимается электронном из валентной зоны соседнего атома. Таки образом дырка перемещается из данного атома в соседний. В целом создается видимость, будто перемещается дырка, то есть атом с вакансией, хотя на самом деле движется только электрон.