В чем различие в движении свободных электронов в металлическом проводнике: В чем различие в движении свободных электронов в металлическом проводнике, когда он присоединен к полюсам источника тока и когда он отсоединен от него?

Глава 19. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

В школьном курсе физики есть раздел, посвященный электрическим свойствам проводников и диэлектриков и их поведению во внешнем электрическом поле. В необходимый минимум знаний по этому вопросу входит понимание явления электростатической индукции и его механизмов в проводниках и диэлектриках, а также умение находить в простейших ситуациях индуцированные в проводниках и диэлектриках заряды. Кратко рассмотрим эти вопросы.

В состав атомов входят заряженные частицы (электроны и протоны). Поэтому любое тело содержит огромное количество зарядов. Число протонов и число электронов в составе незаряженного тела одинаково, заряженное тело содержит разные количества протонов и электронов.

В зависимости от того, являются ли заряды внутри тела свободными или связанными, все вещества делятся на проводники, диэлектрики (или изоляторы) и полупроводники. В проводниках электрические заряды могут свободно перемещаться, и потому такие тела проводят электрический ток. К проводникам относятся все металлы, в которых носителями заряда являются «оторвавшиеся» от атомов валентные электроны (свободные электроны), а также растворы электролитов (кислот, щелочей и солей), в которых перемещаются положительные и отрицательные ионы.

В диэлектриках все заряды «привязаны» к покоящимся атомам и не могут перемещаться. Поэтому диэлектрики не проводят электрический ток. К диэлектрикам, например, относятся: газы, пластмассы, эбонит, резина, дистиллированная вода.

Вещества, занимающие по своей проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, называются полупроводниками. Типичными полупроводниками являются кристаллические германий и кремний. В полупроводниках свободные носители заряда есть, но их мало. Не следует, однако, думать, что полупроводники являются просто «плохими» проводниками или «плохими» изоляторами. Промежуточная проводимость полупроводников приводит ко многим необычным их свойствам, которые отличают полупроводники как от проводников, так и от диэлектриков. С этими свойствами связаны многие применения полупроводников в технике.

При помещении проводника в электрическое поле свободные носители заряда внутри проводника перемещаются и на его поверхности образуются области положительного и отрицательного заряда. Такое явление разделения зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией или поляризацией проводника. В результате поляризации электрическое поле в пространстве изменяется и становится равным сумме внешнего поля и поля индуцированных зарядов. Можно доказать, что перемещение зарядов в проводнике будет происходить до тех пор, пока суммарное поле внутри проводника не станет равным нулю, а на его поверхности — перпендикулярным поверхности.

Такое свойство проводника позволяет находить индуцированные на его поверхности заряды. Для этого нужно ввести эти заряды как некоторые неизвестные величины, затем найти поле, создаваемое этими зарядами и суммарное поле, равное векторной сумме внешнего поля и поля индуцированных зарядов, приравнять суммарное поле внутри проводника к нулю. Решение полученного уравнения и позволит найти индуцированные заряды.

В диэлектрике поляризация также происходит, однако механизмы этого явления — другие. Как правило, молекулы диэлектрика являются полярными, т.е. какая-то область молекулы заряжена положительно, какая-то — отрицательно. При помещении диэлектрика во внешнее поле молекулы поворачиваются, и на определенные участки поверхности диэлектрика «выходят» своими положительными областями, на другие — отрицательными. В результате на поверхности диэлектрика образуются области положительного и отрицательного заряда, но при разрезании диэлектрика (в отличие от разрезания проводника) получившиеся части будут незаряженными. Благодаря поляризации диэлектрика поле в нем ослабляется, но не становится равным нулю. Характеристика диэлектрика , которая показывает, во сколько раз ослабляется поле в нем, называется диэлектрической проницаемостью.

Рассмотрим в рамках данного фактического материала задачи первой части.

В задаче 19. 1.1 из нижеперечисленного списка веществ проводником электрического тока является металл — свинец (ответ 3).

В задаче 19.1.2 диэлектриком является мел (ответ 1; алюминий и железо — металлы, т.е. проводники тока, в водопроводной воде растворены различные соли в таком количестве, что она является прекрасным проводником электрического тока).

Как отмечалось ранее, при внесении металлического тела в электрической поле (задача 19.1.3) на поверхности тела индуцируются электрические заряды, сумма которых равна нулю. Все остальные предложенные ответы неверны: для приобретения электрического заряда телу нужно сообщить или забрать у него электроны, заряды не могут индуцироваться в объеме проводника — их невозможно там удержать.

Взаимодействие между зарядом и незаряженным диэлектрическим телом возникает (задача 19.1.4), причем это взаимодействие –— притяжение (ответ 2). Это взаимодействие возникает благодаря поляризации: из-за ориентации молекул диэлектрика часть поверхности тела, обращенная к заряду, приобретает заряд противоположного знака, дальняя от заряда часть поверхности тела — заряд того же знака (см. рисунок).

Поэтому возникнет две силы — притяжение близких участков и отталкивание дальних. Но поскольку индуцированные заряды — одинаковы по величине, а кулоновское взаимодействие убывает с ростом расстояния, притяжение сильнее отталкивания, и тело будет притягиваться к заряду.

Как указывалось во введении к настоящей главе, части металлического тела, внесенного в электрическое поле и разрезанного там (задача 19.1.5) будут заряжены. Поскольку направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, часть будет заряжена положительно, часть — отрицательно (ответ 2). Если тело является диэлектриком, то его части будут незаряженными (задача 19.1.6 — ответ 1).

При внесении проводящего тела в электрическое поле (задача 19.1.7) будут иметь место все три явления, перечисленных в качестве возможных ответов к задаче. О пунктах (1) и (3) («поле внутри проводника равно нулю» и «поле на поверхности перпендикулярно поверхности») говорилось во введении к настоящей главе. Докажем, что потенциал одинаков во всех точках тела. Для этого возьмем точечный пробный заряд и мысленно перенесем его из одной точки тела в другую (см. рисунок; траектория движения заряда показана пунктиром). С одной стороны, при таком движении поле совершит работу , где и — потенциалы начальной и конечной точек траектории тела. С другой стороны, поскольку напряженность поля внутри проводящего тела равна нулю, эта работа — нулевая. Поэтому (правильный ответ в задаче — 4). Аналогично в задаче 19.1.8 (ответ ,3).

После соединения проводником (задача 19.1.9) два металлических тела и соединяющий проводник будут представлять собой единое проводящее тело. Поэтому потенциалы любых точек этого тела должны быть одинаковы. Следовательно, выровняются потенциалы сфер (ответ 1).

В задачах с заземлением (задача 19.1.10) рассматривается следующая модель Земли: это проводящий шар с размерами, много большими размеров любых тел, имеющихся в задаче. Поэтому для потенциала Земли можно использовать формулу (18.8), которая для любых зарядов, с которыми мы имеем дело, дает нулевой результат. Поэтому при заземлении тела его потенциал становится равным нулю (ответ 2).

Сила взаимодействия противоположных электрических зарядов при внесении между ними диэлектрической пластинки (задача 19.2.1) увеличится (ответ 2). Действительно, в поле зарядов на поверхности пластинки будут индуцироваться заряды: ближе к положительному — минусы, ближе к отрицательному — плюсы (см. рисунок). В результате на каждый точечный наряду с той же самой силой притяжения к другому заряду (а она, конечно, не меняется, ведь принцип суперпозиции говорит о том, что все заряды взаимодействуют независимо) будут действовать две дополнительные силы. Это будет сила притяжения к зарядам того же знака и отталкивания от зарядов противоположного. А поскольку заряды противоположного знака ближе, сила притяжения будет больше. Возникновение дополнительной силы, направленной к пластинке, будет восприниматься как увеличение силы притяжения.

Как отмечалось выше (задача 19.1.7) потенциал электрического поля во всех точках проводящего тела одинаков. Поэтому можно ввести понятие потенциала проводящего тела, который определяется как потенциал электрического поля в любой точке этого тела. Поэтому для потенциала металлического шара из задачи 19.2.2 имеем , где , — заряд шара, — его радиус. Потенциал поля шара на расстоянии двух радиусов от его поверхности и, следовательно, трех радиусов от центра шара равен , т.е. одной трети от потенциала шара. Отсюда находим В (ответ 2).

Потенциал каждой капли ртути (задача 19.2.3) равен , где , — заряд капли, — ее радиус. После слияния заряд большой капли равен , а радиус , где — число капель (последнее следует из того, что объем большой капли равен сумме объемов капель). Отсюда находим потенциал большой капли

(ответ 2).

Поскольку после соединения шары будут представлять собой единое металлическое тело (задача 19.2.4), то заряд разделится между ними так, что потенциалы шаров будут одинаковы. Поэтому для зарядов шаров и выполнено условие

Отсюда находим (ответ 4).

Согласно принципу суперпозиции потенциал каждой точки складывается из потенциала, создаваемого в этой точке всеми зарядами. Поэтому потенциалы и внутренней и внешней сферы (задача 19.2.5) создаются зарядами внутренней и внешней сфер. А поскольку потенциал в любой точке внутри сферы определяется ее радиусом сферы (см. (18.8)), получаем

Аналогично находим потенциал внешней сферы

Отсюда находим

(ответ 3).

Чтобы найти разность потенциалов между двумя проводниками нужно мысленно перенести пробный заряд с одного из них на другой, найти работу, совершаемую электрическим полем при этом, разделить работу на величину пробного заряда. В задаче 19.2.6 между пластинками будет однородное поле с напряженностью . Поэтому работа поля над пробным зарядом при его перемещении с одной пластинки на другую есть . С другой стороны, работа поля следующим образом связана с разностью потенциалов . Отсюда находим разность потенциалов пластин

(ответ 3).

Поскольку напряженность поля между двумя параллельными пластинками, заряженными одинаковым зарядом равна нулю (см. задачу 18.2.8), то при перенесении пробного заряда с одной пластины на другую поле не совершает работу. Следовательно, разность потенциалов между такими пластинками в задаче 19.2.7 равна нулю (ответ 4).

В задаче 19.2. 8 заряды распределятся только по внешней поверхности полого шара (если бы весь заряд или какая-то его часть находилась на внутренней поверхности, то в объеме проводника было бы электрическое поле, чего быть не должно). А поскольку заряд, расположенный на поверхности сферы, создает поле только снаружи этой сферы, то напряженность будет отлична от нуля только в области 3. Поэтому правильный ответ в задаче — 4.

В задаче 19.2.9 заряды индуцируются и на внешней и на внутренней поверхностях полого шара, причем их сумма равна нулю. Результирующее поле будет создаваться центральным зарядом и индуцированными зарядами, которые, фактически, представляют собой равномерно заряженные сферы. А поскольку поле сферы равно нулю внутри этой сферы, то суммарное поле в полости (в области 1) равно полю точечного заряда, т.е. не равно нулю. Внутри металлического тела (в области 2) поле равно нулю, как и внутри любого проводника. Снаружи шара поля индуцированных зарядов компенсируют друг друга, поэтому суммарное поле равно полю точечного заряда, т. е. не равно нулю. Поэтому правильный ответ в этой задаче — 2.

В задаче 19.2.10 на внешней и внутренней поверхности сферической оболочки будут индуцироваться такие заряды, что суммарное поле (внешнее плюс поле индуцированных зарядов) внутри оболочки будет равняться нулю. Пусть на внутренней поверхности будет индуцирован заряд — , тогда на внешней поверхности будет индуцирован заряд . Поле внутри оболочки (в области 2) будет создаваться только точечным зарядом и зарядами внутренней поверхности (заряд внешней поверхности благодаря ее сферичности в этой области электрического поля не создает). С другой стороны это поле равно нулю. Отсюда заключаем, что заряд внутренней поверхности оболочки противоположен по знаку центральному точечному заряду и равен ему по величине . Следовательно, заряд внешней поверхности оболочки центральному заряду (ответ 1).

электрический ток в различных средах

на главную    Официальный сайт АНО ДО Центра «Логос», г. Глазов http://logos-glz.ucoz.net/     ГОТОВИМСЯ К УРОКУ Кинематика Динамика МКТ Термодинамика  Электростатика Электрический ток Электрический ток в средах Магнитное поле Электромагнитная индукция Оптика Методы познания Электрический ток в различных средах                                                      немного о физике:    Электрическим током называют всякое  упорядоченное движение электрических зарядов. Электрический ток может проходить через различные вещества при определенных условиях. Одним из условий возникновения электрического тока является наличие свободных зарядов, способных двигаться под действием электрического поля. Поэтому в этом разделе мы попытаемся  установить, какие частицы, переносят  электрический заряд в различных средах.   Электрический ток в металлах. Металлы состоят из положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки и совокупности свободных электронов. Вне электрического поля свободные электроны движутся хаотически, подобно молекулам идеального газа, а потому рассматриваются в классической электронной теории как электронный газ. Под действием внешнего электрического поля меняется характер движения свободных электронов внутри металла. Электроны, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля. Следовательно, электрический ток в металлах — это упорядоченное движение электронов.   Сила тока в металлическом проводнике определяется по формуле: где I — сила тока в проводнике, e — модуль заряда электрона,  n0 — концентрация электронов проводимости,  — средняя скорость упорядоченного движения электронов,  S — площадь поперечного сечения проводника.   Плотность тока проводимости численно равна заряду, проходящему за 1с через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению тока. где j — плотность тока. У большинства металлов практически каждый атом ионизирован. А так как концентрация электронов проводимости  одновалентного металла равна где Na — постоянная Авогадро,  A — атомная масса металла, ρ — плотность металла, то получаем что концентрация определяется в пределах 1028 — 1029 м-3.   Закон Ома для однородного участка цепи: где U — напряжение на участке,  R — сопротивление участка.   Для однородного участка цепи: где  ρУ— удельное сопротивление проводника, l — длина проводника,  S — площадь поперечного сечения проводника. Удельное сопротивление проводника зависит от температуры и  эта зависимость выражается соотношением: ρу = ρоу ( 1 + α ∆Т ) где ρоу  — удельное сопротивление металлического проводника при температуре Т =273К, α — термический коэффициент сопротивления, ∆Т = Т — То  — изменение температуры.       Вольт-амперная характеристика металлов. Сила тока в  проводниках по закону Ома прямо пропорциональна напряжению. Такая зависимость имеет место для проводников со строго заданным сопротивлением ( для резисторов). Тангенс угла наклона графика равен проводимости проводника. Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению где  G — проводимость.   Но так как сопротивление металлов зависит от температуры, то вольт-амперная характеристика металлов не является линейной.       Электрический ток в растворах и расплавах электролитов. Явление распада молекул солей, щелочей и кислот в воде на ионы противоположных знаков называют электролитической диссоциацией. Полученные в следствие распада ионы служат носителями заряда в жидкости, а сама жидкость становятся проводником.   Вне электрического поля ионы движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля ионы, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля: катионы к катоду, анионы — к аноду. Следовательно, электрический ток в растворах (расплавах) электролитов — это направленное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Прохождение электрического тока через раствор электролита всегда сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в его состав. Это явление называют электролизом. При движении внутри электролитов ионы взаимодействуют с молекулами воды и другими ионами, т.е. электролиты оказывают некоторое противодействие движению, а, следовательно, обладают сопротивлением. Электрическое сопротивление электролитов зависит от концентрации ионов, величины заряда иона, от скорости движения ионов обоих знаков. Сопротивление электролитов так же определяется по формуле: где  ρУ— удельное сопротивление электролита, l — длина жидкого проводника,  S — площадь поперечного сечения жидкого проводника. При увеличении температуры электролита уменьшается его вязкость, что ведет к увеличению скорости движения ионов. Т.е. при повышении температуры сопротивление электролита уменьшается.   Законы Фарадея. 1. Масса вещества, выделяемого на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит. где m — масса вещества, выделяющегося на электроде,  k — электрохимический эквивалент, q — заряд, прошедший через электролит.   2. Электрохимический эквивалент вещества прямо пропорционален его химическому эквиваленту.            где М— молярная масса вещества, F- постоянная Фарадея, z — валентность иона. постоянная Фарадея численно равна заряду, который должен пройти через электролит, чтобы выделить из него массу вещества, численно равную химическому эквиваленту.   Объединенный закон Фарадея.                              Электрический ток в газах. При нормальных условиях   газы  состоят  из  нейтральных молекул, а поэтому являются диэлектриками. Так как для  получения электрического тока необходимо наличие заряженных частиц, то молекулы газа следует ионизировать (оторвать электроны от молекул). Для ионизации молекул необходимо затратить энергию — энергию ионизации, количество которой зависит от рода вещества. Так, энергия ионизации минимальна для атомов щелочных металлов, максимальна — для инертных газов. Ионизировать молекулы можно при нагревании газа, при облучении его различного рода лучами. Благодаря дополнительной  энергии  возрастает скорость  движения  молекул, нарастает интенсивность их теплового движения  и  при соударении отдельные молекулы теряют электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы. Электроны, оторвавшись от молекулы могут присоединятся к нейтральным молекулам, образуя при этом отрицательно заряженные ионы. Следовательно, при ионизации появляются три типа носителей зарядов: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны. Под действием внешнего электрического поля ионы обоих знаков и электроны движутся  в направлении действия сил электрического поля: положительные ионы  к катоду, отрицательные ионы и электроны — к аноду. Т.е. электрический ток в газах — это упорядоченное движение ионов и электронов под действием электрического поля. Вольт- амперная характеристика газов. Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой ОАВС. На  участке графика  ОА сила тока подчиняется закону Ома. При малом напряжении сила тока мала, т.к.  ионы двигаясь с малыми скоростями рекомбинируют, не достигая электродов. При увеличении напряжения  между электродами скорость направленного движения электронов  и ионов возрастает, поэтому  большая часть заряженных частиц достигает  электродов, а, следовательно возрастает сила тока. При определенном значении напряжения U1 все ионы имеют достаточные скорости и, не рекомбинируя, достигают электродов. Ток становится максимально возможным и не зависит от дальнейшего увеличения напряжения до значения U2. Такой ток называют током насыщения, и ему соответствует участок графика АВ. При напряжении U2 в несколько тысяч вольт скорость электронов, возникающих при ионизации молекул, а следовательно, их кинетическая энергия значительно увеличиваются. И когда  кинетическая энергия  достигает значения энергии ионизации, электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами, ионизируют их. Дополнительная ионизация  приводит к лавинообразному увеличению количества заряженных частиц, а следовательно и к значительному увеличению силы тока без воздействия внешнего ионизатора. Прохождение электрического тока без воздействия внешнего ионизатора называют самостоятельным разрядом. Такая зависимость выражена участком графика АС.       Электрический ток в вакууме. В вакууме отсутствуют заряженные частиц, а следовательно, он является диэлектриком. Т.е.  необходимо создать определенные  условия, которые помогут  получить заряженные частицы. Свободные электроны есть в металлах. При комнатной температуре  они не могут покинуть металл, т. к. удерживаются в нем силами кулоновского притяжения со стороны положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону необходимо затратить определенную энергию, которая называется работой выхода. Энергию, большую или  равную работе выхода, электроны могут получить при разогреве металла до высоких температур.   При нагревании металла  количество электронов с кинетической энергией, большей работы выхода, увеличивается, поэтому из металла вылетает большее количество электронов. Испускание электронов из металлов  при его нагревании называют термоэлектронной эмиссией. Для осуществления термоэлектронной эмиссии в качестве оного из электродов используют тонкую проволочную нить из тугоплавкого металла (нить накала). Подключенная  к источнику тока нить раскаляется и с ее поверхности  вылетают электроны. Вылетевшие электроны попадают в электрическое поле между двумя электродами и начинают двигаться направленно, создавая электрический ток. Явление термоэлектронной эмиссии лежит  в основе принципа действия электронных ламп:  вакуумного диода, вакуумного триода.                     Вакуумный диод                                            Вакуумный триод                                                         Вольт-амперная характеристика вакуумного диода. Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой ОАВСD. При испускании электронов катод приобретает положительный заряд и поэтому удерживает возле себя электроны.  При отсутствии электрического поля между катодом и анодом, вылетевшие электроны образуют у  катода электронное облако. По мере увеличения напряжения между анодом и катодом большее количество электронов устремляется к аноду, а следовательно сила тока увеличивается. Эта зависимость выражена участком графика ОАВ. Участок АВ является характеризует прямую зависимость  силы тока от напряжения, т.е. в  интервале напряжений U1 — U2 выполняется закон Ома.     Нелинейная зависимость на участке ВСD объясняется тем, что число электронов, устремляющихся к аноду, стает больше числа электронов, вылетающих с катода. При достаточно большом  значении напряжения U3 все электроны, вылетающие с катода, достигают анода, и электрический  ток достигает насыщения.   Так же в качестве источника заряженных частиц можно использовать радиоактивный препарат, испускающий α-частицы. Под действием сил электрического поля α-частицы будут двигаться, т.е. возникнет электрический ток. Таким образом, электрический ток в вакууме может быть создан упорядоченным  движением любых заряженных частиц (электронов, ионов).       Электрический ток в полупроводниках.   Полупроводники — вещества, удельное сопротивление которых убывает с увеличением температуры и зависит от наличия примесей и  изменения освещенности. Удельное сопротивление проводников при комнатной температуре находится в интервале от 10-3 до 107 Ом ·м.  Типичными представителями полупроводников являются кристаллы германия и кремния. В этих кристаллах атомы соединены между собой ковалентной связью. При нагревании ковалентная связь нарушается, атомы ионизируются. Это обуславливает  возникновение свободных электронов и «дырок»- вакантных положительных мест с недостающим электроном.     При этом электроны соседних атомов могут занимать вакантные места, образуя «дырку»  в соседнем атоме. Таким образом не только  электроны, но и «дырки» могут перемещаться по кристаллу. При помещении такого кристалла в электрическое поле электроны и дырки придут в упорядоченное движение — возникнет электрический ток.   Собственная проводимость. В чистом кристалле электрический  ток создается равным количеством электронов и «дырок». Проводимость, обусловленную движением свободных электронов и равного им количества «дырок» в полупроводниковом кристалле  без примесей, называют собственной проводимостью полупроводника. При повышении  температуры собственная проводимость полупроводника увеличивается, т.к. увеличивается число свободных электронов и «дырок».     Примесная  проводимость. Проводимость проводников зависит от наличия примесей. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь — примесь с большей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния донорной примесью является пятивалентный мышьяк. Четыре валентных электрона атома мышьяка участвуют в создании ковалентной связи, а пятый  станет электроном проводимости.     При нагревании  нарушается ковалентная связь,  возникают  дополнительные   электроны проводимости  и «дырки». Поэтому в кристалле количество свободных электронов преобладает над количеством «дырок». Проводимость такого проводника является электронной, полупроводник является полупроводником n-типа.  Электроны являются основными носителями заряда, «дырки» — неосновными.   Акцепторная  примесь — примесь с меньшей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния акцепторной примесью является трехвалентный индий. Три валентных электрона атома индия участвуют в создании ковалентной связи с тремя атомами кремния, а на месте четвертой  незавершенной ковалентной связи образуется «дырка».      При нагревании  нарушается ковалентная связь,  возникают  дополнительные   электроны проводимости  и «дырки». Поэтому в кристалле количество «дырок» преобладает над количеством свободных электронов. Проводимость такого проводника является дырочной, полупроводник является полупроводником p-типа.  «Дырки» являются основными носителями заряда, электроны — неосновными.   p-n переход.  При контакте полупроводников p-типа и  n-типа через границу происходит диффузия электронов из n-области в p-область и «дырок» из p-области в n-область. Это приводит к возникновению запирающего слоя, препятствующего дальнейшей диффузии.  p-n переход обладает односторонней проводимостью. При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p-область была соединена с положительным полюсом , а  n-область — с отрицательным полюсом, появляется  движение основных носителей зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в прямом направлении.   При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p-область была соединена с отрицательным  полюсом , а  n-область — с положительным полюсом, толщина запирающего слоя увеличивается, и движение основных носителей зарядов через контактный слой прекращается, но может иметь место движение неосновных зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в обратном направлении.     Принцип действия полупроводникового диода  основан на свойстве односторонней проводимости  p-n перехода. Основное применение полупроводникового диода — выпрямитель тока.       Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода. Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой АОВ.   Ветвь ОВ соответствует пропускному направлению тока, когда ток создается основными носителями зарядов, и  при увеличении напряжения сила тока возрастает. Ветвь АО соответствует току, созданному неосновными носителями зарядов, и значения силы тока невелики.

Механизм протекания тока в металлических проводниках класса 12 |PW

Поток тока в металлах обусловлен потоком свободных электронов. В отсутствие какой-либо внешней ЭДС (с помощью батареи) свободные электроны беспорядочно перемещаются по металлу из одной точки в другую, давая нулевой чистый ток.

При подключении к батарее свободные электроны ускоряются благодаря электрическому полю (созданному батареей) и приобретают скорость и энергию. Однако этот переход не является гладким, и электроны сталкиваются с ионами решетки, в которых конечным источником выигрыша (энергии) является ион. Поскольку мы знаем, что температура тела связана с энергией колебаний этих ионов, эти столкновения приводят к повышению температуры металла. Потеря энергии электронами при столкновении и ускорение их электрическим полем, в конечном счете, приводит к дрейфу электронов в определенном направлении. (Хотя фактическое движение электронов неустойчиво, общий эффект заключается в дрейфе электронов)

Скорость дрейфа

Когда через проводник не течет ток, его электроны проводимости движутся случайным образом, без чистого движения в каком-либо направлении. Когда в проводнике есть ток, эти электроны по-прежнему движутся беспорядочно, но теперь они имеют тенденцию дрейфовать со скоростью дрейфа vd в направлении, противоположном направлению приложенного электрического поля, вызывающего ток. Скорость дрейфа мала по сравнению со скоростью хаотического движения электронов.

Предположим, что носители положительного заряда движутся с одинаковой скоростью дрейфа vd по площади поперечного сечения провода A, как показано на рисунке.

Количество носителей заряда на длине провода L равно nAL, где n — количество носителей заряда в единице объема. Суммарный заряд носителей, каждый с зарядом e, на длине L равен

д = (нАЛ)е

Так как все носители заряда движутся по проводу со скоростью vd, то суммарный заряд проходит через любое поперечное сечение провода за интервал времени

т = л/вд

∴ Ток (i) = кв/т

или,i = nAevd

или ,vd = i/nAe

или, .

Упражнение 2: Лампа соединена парой длинных прямых проводников с эффективным сопротивлением R с источником ЭДС. е. Через какое время после включения выключателя лампочка накаляется и через какое время электроны от источника достигают лампочки? Ответь качественно.

Рисунок 4. Какова дрейфовая скорость электронов в медном проводнике площадью поперечного сечения 5 × 10–6 м2 при силе тока 10 А? Предположим, что имеется 8 × 1028 электронов/м3.

Решение: Учитывая это,

A = 5 × 10–6 м2, I = 10 А и n = 8 × 1028 электронов/м3

Теперь vd = м/с

или vd = 1,5625 × 10–4 м/с.

Рисунок 5. По медному проводу сечением 2 мм2 течет ток силой 30 А. Рассчитайте среднеквадратичную скорость (тепловую скорость) свободных электронов при 27°С. Также докажите, что vd очень мало по сравнению с ним.

Приведены данные: ρCu = 8,9 г/см3, постоянная Больцмана k = 1,38 × 10–23 Дж/К

me = 9,1 × 10–31 кг, NA = 6,023 × 1023, атомный вес Cu = 63,

Решение:

63 г меди = 6,023 × 1023 атомов меди.

= 1 см3 атомов Cu.

Теперь каждый атом Cu вносит один электрон

Понятно, что vd намного меньше, чем v _{термическая} .

Мобильность

Подвижность носителя заряда определяется как дрейфовая скорость носителя заряда на единицу электрического поля. Обычно обозначается μ. Если vd — дрейфовая скорость, достигаемая свободными электронами при приложении электрического поля E, то подвижность электронов определяется выражением .

μ = vd/E

Единицей СИ для μ является м2 В-1с-1.

Подставив vd = µE в I = neAvd. Получаем I = neAµE. Это уравнение дает связь между подвижностью электронов и током через проводник.

Похожие темы

• Закон Кирхгофа
• Потенциометр

Поток электрических зарядов в металлическом проводнике

Введение:

Во-первых, нам нужно понять, что такое электрический заряд. Итак, физическое свойство вещи, которое заставляет ее испытывать электрическую силу, называется электрическим зарядом. Обозначается буквой «q». Единицей электрического заряда является «кулон». Электрические заряды бывают двух типов: положительный заряд и отрицательный заряд.

Теперь о металлических проводниках. Что такое металлические проводники? Итак, металлический проводник — это металл, который проводит электричество за счет потока электронов. Итак, давайте лучше разберемся с потоком электрических зарядов в металлическом проводнике, проводимостью электричества в жидкостях, проводимостью электричества в веществах, ионными и ковалентными соединениями.

Тело:

Давайте разберемся, что такое положительный и отрицательный заряд.

Положительный заряд:

Протонов больше, чем электронов в любом объекте, когда объект положительно заряжен.

Отрицательный заряд:

Электронов больше, чем протонов в любом объекте, когда объект отрицательно заряжен.

Поток электрического заряда в металлическом проводнике:

Электрический ток течет, когда электроны движутся по проводнику, такому как металлическая проволока. Поток отрицательно заряженных электронов переносит электричество по металлическим проводникам. Электроны могут перемещаться от одного атома к другому, потому что они свободны в движении.

Если приложить электрическое поле, электрический заряд испытает силу. Если он свободен двигаться, он будет способствовать течению. В некоторых материалах электроны все равно будут связаны, т. е. даже если приложить электрическое поле, они не будут ускоряться. В других материалах, особенно в металлах, некоторые электроны практически свободно перемещаются внутри объемного материала. Эти материалы, как правило, называют проводниками.

Теперь посмотрим на кусок проводника, если к нему приложено электрическое поле. Электроны будут двигаться в направлении, противоположном полю. Пока электроны движутся, они образуют электрический ток. В результате в течение очень короткого времени будет ток, а затем в рассматриваемом состоянии ток исчезнет.

Свободные электроны в проводнике всегда находятся в состоянии хаотического движения со скоростью порядка 104 м/с. А поток электрического заряда в проводнике без приложения разности потенциалов равен нулю.

Электропроводность в жидкостях:

Электропроводность присутствует не в каждой жидкости. Потому что некоторые из них являются хорошими проводниками электричества, а некоторые — плохими проводниками электричества. Чистая вода плохо проводит электричество, поэтому она плохой проводник, тогда как вода, содержащая соли и минералы, проводит электричество и, следовательно, является хорошим проводником электричества.

Когда электричество проходит через нечистую воду, оно расщепляется и разделяется на ионы, т.е. они разделяются на различные электрически заряженные частицы. Соль начинает разделяться на положительные ионы Na и отрицательные ионы Cl.

Если установить батарею, она образует замкнутую цепь, так как положительные ионы притягиваются к отрицательному полюсу, а отрицательные ионы притягиваются к положительному полюсу.

Проводимость электричества в веществе:

По электропроводности вещества можно разделить на две категории, т. е. есть два типа проводников электричества: отличные проводники и плохие проводники. Электропроводность относится к способности материала переносить электроны.

Вещества, пропускающие через себя электричество, являются хорошими проводниками электричества, например, растворы кислот и щелочей, медь, алюминий и железо. В электрических проводниках электрические заряды быстро перемещаются от атома к атому. Хороший проводник электричества несет электрический ток в сквозном напряжении, таком как золото, серебро, алюминий и медь. Некоторые проводники неметаллы, например углерод.

Вещества, которые не пропускают через себя электричество, являются плохими проводниками электричества, например, газы, хирургические растворы, дерево, пластик и фосфор.

Изоляторы плохо проводят электричество. Поскольку носители заряда не переносят электрический ток, как резина, стекло имеет высокое удельное сопротивление.

Некоторые материалы не относятся ни к проводникам, ни к изоляторам и известны как полупроводники. Полупроводники проводят электрический ток, но очень плохо. В некоторых условиях полупроводники действуют как хорошие проводники, но в некоторых ситуациях действуют как плохие проводники — например, кремний, германий и оксиды других металлов.

Полупроводники обладают проводимостью в области между проводниками и изоляторами. При повышении температуры полупроводника сопротивление падает, а проводимость увеличивается.

Ионные и ковалентные соединения:

Металл связан с неметаллом в ионных соединениях.