Электрический ток в различных средах

Цели урока:
Образовательные: формировать такие качества знаний учащихся как системность, глубина, осознанность, гибкость межпредметных связей; формировать способность понимания химических понятий, связей между ними и общими естественнонаучными понятиями; учить узнавать физические и химические явления, применять знания из разных тем по физике и химии для решения задач, решать комбинированные задачи.
Развивающие: развивать системное и творческое мышление учащихся, формировать их познавательную активность, самостоятельность и интерес к познанию природы; преодолевать предметную инертность мышления и расширять кругозор учащихся.
Воспитательные: реализовывать комплексный подход к воспитанию; повышать уровень политехнической направленности обучения.

При прохождении тока металлы нагреваются. В результате чего ионы кристаллической решетки начинают колебаться с большей амплитудой вблизи положений равновесия. В результате этого поток электронов чаще соударяется с кристаллической решеткой, а следовательно возрастает сопротивление их движению. При увеличении температуры растет сопротивление проводника.

Электрический ток в металлах — это упорядоченное (направленное) движение электронов под действием электрического поля.

Модель электрического тока в металле

Механизм образования тока:

В объёме кристалла всегда присутствует большое количество свободных электронов, которые вырвались с орбит атомов в результате механических соударений или воздействия излучений. 

До тех пор, пока к металлу не будет приложено электрическое поле, электроны движутся беспорядочно. 

Электрическое поле, созданное внешним источником (батареей, аккумулятором), действует на заряд с силой. 

Под действием этой силы электроны приобретают ускорение в одном направлении и появляется электрический ток в цепи. 

Каждое вещество характеризуется собственным температурным коэффициентом сопротивления - табличная величина. Существуют специальные сплавы, сопротивление которых практически не изменяется при нагревании, например манганин и константан.

Явление сверхпроводимости. При температурах близких к абсолютному нулю (-2730C) удельное сопротивление проводника скачком падает до нуля. Сверхпроводимость - микроскопический квантовый эффект.

Области применения сверхпроводимости:

Электрический ток в газах — это направленное движение ионов и электронов. Электрический ток в газах называется газовым разрядом.

Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к катоду, и потока, направленного к аноду. В газах сочетается электронная проводимость, подобная проводимости металлов, с ионной проводимостью, подобной проводимости водных растворов или расплавов электролитов.

Газы в естественном состоянии не проводят электричества являются диэлектриками, так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул.

Проводником может стать ионизированный газ, содержащий:

отрицательные ионы.

высоких температур

различных излучений

космических лучей

столкновения частиц между собой

ультрафиолетового

рентгеновского

радиоактивного

Виды ионизации

Виды газового разряда

Виды самостоятельного разряда

Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов из металла при его нагревании.

Термоэлектронная эмиссия используется в современных вакуумных и газонаполненных электронных приборах, в промышленных и исследовательских установках с применением электронных пучков.

Они позволяют осуществлять хирургическое вмешательство путём воздействия на биологическую ткань потоком плазмы, генерируемой миниатюрными плазмотронами. Плазма легко рассекает мягкие ткани, одновременно «заваривая» стенки сосудов и дезинфицируя операционное поле. 

В медицине плазма используется для создания плазменных хирургических установок.

Электрический ток в вакууме возможен при наличии в нём достаточного количества свободных заряженных частиц, например электронов. Сам по себе вакуум — диэлектрик, и ток не может возникнуть в нём сам по себе.

Вакуум - это такая степень разрежения газа, при которой соударений молекул практически нет (длина свободного пробега частиц от столкновения до столкновения больше размеров сосуда)
(p<Электрический ток невозможен, т.к. возможное количество ионизированных молекул не может обеспечить электропроводность.
Создать электрический ток в вакууме можно, если использовать источник заряженных частиц.
Действие источника заряженных частиц может быть основано на явлении термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия - это испускание электронов твердыми или жидкими телами при их нагревании до температур, соответствующих видимому свечению раскаленного металла.
Условие вылета электронов: Ек≥Авых Ек~f(Т), Авых ~f (свойства вещества)
Нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны, образуя вокруг себя электронное облако.
В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод, равно числу электронов, возвратившихся на него (т.к. электрод при потере электронов заряжается положительно).
Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака.

Электрический ток в вакууме возможен в электронных лампах.
Электронная лампа - это устройство, в котором применяется явление термоэлектронной эмиссии.

Вакуумный диод - это двухэлектродная электронная лампа.
Внутри стеклянного баллона создается очень низкое давление.
В баллон впаяны два электрода - анод и катод.
Если сам катод подогревается – это катод прямого накала
Если катод подогревает проводник – это катод косвенного накала

А – анод
К – катод
Н – нить накала

Поверхность нагретого катода испускает электроны, поэтому проводимость в вакууме электронная
Если анод соединен с + источника тока, а катод с -, то в цепи протекает постоянный термоэлектронный ток.

А – анод
К – катод
Н – нить накала

Т.е. ток в аноде возможен, если потенциал анода выше потенциала катода.
В этом случае электроны из электронного облака притягиваются к аноду, создавая электрический ток в вакууме.
Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью.

-

-

-

-

-

-

-

+

-

Электроны, вылетевшие из разогретого катода, устремляются к аноду, замыкая цепь
Вакуумный диод хорошо проводит ток в прямом направлении
При увеличении напряжения на аноде происходит насыщение – все электроны достигают анода

-

-

-

-

-

-

-

-

Электроны, вылетевшие из разогретого катода, тормозятся электрическим полем и возвращаются к катоду
Вакуумный диод не проводит ток в обратном направлении

+

При малых напряжениях на аноде не все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, и ток небольшой.
При больших напряжениях ток достигает насыщения, т.е. максимального значения.
Вакуумный диод используется для выпрямления переменного тока (кенотрон)

ток до выпрямления

ток после выпрямления

Электролизом называется процесс разложения расплавов или растворов электролитов под действием постоянного электрического тока.

Электролиз - превращение электрической энергии в химическую, процесс протекает в электролизере.

Первый закон Фарадея: массы веществ, выделившиеся на электродах при электролизе, прямо пропорциональны количеству электричества прошедшего через электролит

Второй закон Фарадея (закон эквивалентов для электрохимических реакций): одинаковые количества электричества выделяют на электродах при электролизе эквивалентные массы различных веществ:

Проводники

Полупроводники

Диэлектрики

Хорошо проводят электрический ток

Практически не проводят электрический ток

Занимают по проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками

металлы, электролиты, плазма

пластмассы, резина, стекло, фарфор, сухое дерево, бумага

Рассмотрим проводимость полупроводников на основе кремния Si

Кремний – 4 валентный химический элемент. Каждый атом имеет во внешнем электронном слое по 4 электрона, которые используются для образования парноэлектронных (ковалентных) связей с 4 соседними атомами

Рассмотрим изменения в полупроводнике при увеличении температуры

При увеличении температуры энергия электронов увеличивается и некоторые из них покидают связи, становясь свободными электронами. На их месте остаются некомпенсированные электрические заряды (виртуальные заряженные частицы), называемые дырками

Под воздействием электрического поля электроны и дырки начинают упорядоченное (встречное) движение, образуя электрический ток

Таким образом, электрический ток в полупроводниках представляет собой упорядоченное движение свободных электронов и положительных виртуальных частиц - дырок

При увеличении температуры растет число свободных носителей заряда, проводимость полупроводников растет, сопротивление уменьшается

Собственная проводимость полупроводников недостаточна для технического применения полупроводников

Поэтому для увеличение проводимости в чистые полупроводники внедряют примеси (легируют) , которые бывают донорные и акцепторные

Донорные примеси

При легировании 4 – валентного кремния Si 5 – валентным мышьяком As, один из 5 электронов мышьяка становится свободным
Таким образом изменяя концентрацию мышьяка, можно в широких пределах изменять проводимость кремния

Такой полупроводник называется полупроводником n – типа, основными носителями заряда являются электроны, а примесь мышьяка, дающая свободные электроны, называется донорной

Если кремний легировать трехвалентным индием, то для образования связей с кремнием у индия не хватает одного электрона, т.е. образуется дырка

Изменяя концентрацию индия, можно в широких пределах изменять проводимость кремния, создавая полупроводник с заданными электрическими свойствами

Такой полупроводник называется полупроводником p – типа, основными носителями заряда являются дырки, а примесь индия, дающая дырки, называется акцепторной

р - типа

n - типа

Основные носители заряда - дырки

Основные носители заряда - электроны

Ток через p – n переход осуществляется основными носителями заряда

В прямом направлении p – n переход хорошо проводит электрический ток

дырки

электроны

Основные носители заряда не проходят через p – n переход

В обратном направлении p – n переход практически не проводит электрический ток

Полупроводниковый диод — это прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, обладающий односторонней проводимостью тока.

Вольт – амперная характеристика полупроводникового диода (ВАХ)