"Ток в средах". Презентация к уроку физики в 10 классе

Содержание: •Вещества •Электрический ток в металлах •Электрический ток в полупроводниках •Электрический ток в жидкостях •Электрический ток в газах •Электрический ток в вакууме

Вещества Разные вещества имеют различные электрические свойства, однако по  электрической проводимости их можно разделить на 3 основные  группы: Электрические  свойства веществ Проводники Полупроводники Диэлектрики  Хорошо проводят  электрический ток  К ним относятся металлы,  электролиты, плазма … Наиболее используемые  проводники – Au, Ag, Cu,  Al, Fe …   Занимают по  проводимости  промежуточное  положение между  проводниками и  диэлектриками Si, Ge, Se, In, As    Практически не  проводят электрический  ток  К ним относятся  пластмассы, резина,  стекло, фарфор, сухое  дерево, бумага …  Хорошо проводят электрический ток К ним относятся металлы, электролиты, плазма …Наиболее используемые проводники – Au, Ag, Cu, Al, Fe … Практически не проводят электрический ток К ним относятся пластмассы, резина, стекло, фарфор, сухое дерево, бумага …Занимают по проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектрикамиSi, Ge, Se, In, As

Электрический ток в металлах Природа электрического тока  в металлах Электрический ток в металлических проводниках никаких  изменений в этих проводниках, кроме их нагревания не  вызывает.  Концентрация электронов проводимости в металле очень  велика: по порядку величины она равна числу атомов в  единице объёма металла. Электроны в металлах находятся в  непрерывном движении. Их беспорядочное движение  напоминает движение молекул идеального газа. Это дало  основание считать, что электроны в металлах образуют  своеобразный электронный газ. Но скорость  беспорядочного движения электронов металле значительно  больше скорости молекул в газе (она составляет примерно  105 м/с).

Электрический ток в металлах Опыт Папалекси­Мандельштама • Описание опыта : • Цель: выяснить какова  проводимость металлов. • Установка: катушка на  стержне со скользящими  контактами, присоединены к  гальванометру. • Ход эксперимента: катушка  раскручивалась с большой  скоростью, затем резко  останавливалась, при этом  наблюдался отброс стрелки  гальванометра. • Вывод: проводимость  металлов ­ электронная.

Электрический ток в металлах          Металлы имеют кристаллическое строение . В узлах  кристаллической решетки расположены положительные ионы,  совершающие тепловые колебания вблизи положения равновесия,  а в пространстве между ними хаотично движутся свободные  электроны.    Е Электрическое поле сообщает им ускорение в направлении,  противоположном направлению вектора напряженности поля.  Поэтому в электрическом поле беспорядочно движущиеся электроны  смещаются в одном направлении, т.е. движутся упорядоченно.

Электрический ток в металлах Зависимость сопротивления  проводника от температуры • При повышении температуры  удельное сопротивление  проводника возрастает. • Коэффициент сопротивления  равен относительному  изменению сопротивления  проводника при нагревании на  1К. ) o  t  1( 

• Собственная проводимость полупроводников • Примесная проводимость полупроводников • p – n  переход и его свойства

Электрический ток в полупроводниках Полупроводники       Полупроводники – вещества у которых  удельное сопротивление с повышением  температуры уменьшается • Собственная проводимость  полупроводников • Примесная проводимость  полупроводников • p – n  переход и его свойства

Электрический ток в полупроводниках Собственная проводимость полупроводников • Рассмотрим проводимость полупроводников на основе   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 кремния Si ­ ­ Si Si ­ ­ Si ­ Si ­ ­ Si ­  При обычных условиях (невысоких температурах)  в  полупроводниках отсутствуют свободные заряженные частицы,  поэтому полупроводник не проводит электрический ток      При обычных условиях (невысоких температурах)  в полупроводниках отсутствуют свободные заряженные частицы, поэтому полупроводник не проводит электрический ток

Электрический ток в полупроводниках  Рассмотрим изменения в полупроводнике при увеличении  температуры ­ Si + ­ ­ Si ­ ­ Si свободный   электрон Si + ­ дырка ­ Si + ­  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.    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.

Электрический ток в полупроводниках  Таким образом, электрический ток в полупроводниках  представляет собой упорядоченное движение свободных  электронов и положительных виртуальных частиц ­ дырок   Зависимость сопротивления от температуры R (Ом) металл R0 полупроводник t (0C)   При увеличении температуры растет число свободных  носителей заряда, проводимость полупроводников растет,  сопротивление уменьшается.

Электрический ток в полупроводниках  Собственная проводимость полупроводников явно недостаточна  для технического применения полупроводников.  Поэтому для  увеличение проводимости в чистые полупроводники внедряют  примеси (легируют) , которые бывают донорные и акцепторные ­ Si ­ ­ Si ­ ­ Si ­ As ­ ­ ­ Si • Донорные примеси        При легировании                      4–валентного кремния Si         5–валентным мышьяком As,  один из 5 электронов  мышьяка становится  свободным.                                                                                                                                                                    As – положительный  ион. Дырки нет!   Такой полупроводник называется полупроводником n – типа,  основными носителями заряда являются электроны, а примесь  мышьяка, дающая свободные электроны, называется донорной.       Такой полупроводник называется полупроводником n – типа, основными носителями заряда являются электроны, а примесь мышьяка, дающая свободные электроны, называется донорной.

Электрический ток в полупроводниках Акцепторные примеси  Если кремний легировать трехвалентным индием, то для  образования связей с кремнием у индия не хватает одного  электрона, т.е. образуется дырка  Основа дает электроны и  дырки в равном количестве.  Примесь – только дырки.     Такой полупроводник         называется полупроводником p –  типа, основными носителями  заряда являются дырки, а  примесь индия, дающая дырки,  называется акцепторной ­ Si ­ ­ Si ­ ­ Si In ­ ­ + Si

Электрический ток в жидкостях Дистиллированная  вода не проводит  электрического  тока. Опустим  кристалл  поваренной соли в  дистиллированную  воду и, слегка  перемешав воду,  замкнем цепь. Мы  обнаружим, что  лампочка  загорается.  При растворении соли в воде появляются  свободные носители электрических  зарядов.

Электрический ток в жидкостях Как возникают свободные носители электрических  зарядов? При погружении  кристалла в воду к  положительным ионам  натрия, находящимся на  поверхности кристалла,  молекулы воды  притягиваются своими  отрицательными  полюсами. К  отрицательным ионам  хлора молекулы воды  поворачиваются  положительными  полюсами.

Электрический ток в жидкостях Электролитическая  диссоциация –  это распад молекул  на ионы под  действием  растворителя. Подвижными  носителями зарядов в  растворах являются  только ионы. Жидкий проводник, в  котором подвижными  носителями зарядов  являются только  ионы, называют  электролитом.

Электрический ток в жидкостях Как проходит ток через электролит?  Опустим в сосуд  пластины и  соединим их с  источником тока.  Эти пластины  называются  электродами.  Катод ­пластина,  соединенная с  отрицательным  полюсом  источника. Анод ­ пластина,  соединенная с  положительным  полюсом  источника.

Электрический ток в жидкостях Под действием сил  электрического  поля положительно  заряженные ионы  движутся к катоду,  а отрицательные  ионы к аноду.   На аноде  отрицательные  ионы отдают свои  лишние электроны,  а на катоде  положительные  ионы  получают  недостающие  электроны.

Электрический ток в жидкостях На катоде и аноде  выделяются  вещества, входящие  в состав раствора  электролита. Прохождение  электрического тока  через раствор  электролита,  сопровождающееся  химическими  превращениями  вещества и  выделением его на  электродах,  называется  электролизом.   Электролиз

Электрический ток в жидкостях Закон электролиза Масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо  пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:                                          m = kQ = kIt.  Это закон электролиза. Величину k называют электрохимическим эквивалентом.  Опыты Фарадея показали, что масса выделившегося при  электролизе вещества зависит не только от величины заряда, но  и от рода вещества.

Электрический ток в газах Электрический ток в газах          Газы в нормальном состоянии являются диэлектриками, так как  состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и поэтому  не проводят электричества. Изолирующие свойства газов    объясняются   тем,   что   атомы   и  молекулы  газов  в  естественном   состоянии   являются   нейтральными  незаряженными частицами. Отсюда ясно, что для того, чтобы  сделать газ проводящим, нужно тем или иным способом внести в   него  или  создать  в  нем  свободные  носители  заряда  –  заряженные частицы. При этом возможны два случая: либо эти  заряженные  частицы  создаются  действием  какого­нибудь  внешнего   фактора   или   вводятся   в   газ   извне  –  несамостоятельная проводимость, либо они создаются в газе  действием самого электрического поля, существующего между  электродами – самостоятельная проводимость.

Электрический ток в газах • Проводниками могут быть только ионизированные газы, в  которых содержатся электроны, положительные и  отрицательные ионы.  • Ионизацией называется процесс отделения электронов от  атомов и молекул. Ионизация возникает под действием  высоких температур и различных излучений  (рентгеновских, радиоактивных, ультрафиолетовых,  космических лучей), вследствие столкновения быстрых  частиц или атомов с атомами и молекулами газов.  Образовавшиеся электроны и ионы делают газ  проводником электричества. • Процессы ионизации: • электронный удар • • фотоионизация термическая ионизация

Электрический ток в газах Типы самостоятельных  разрядов      В зависимости от процессов образования ионов в  разряде при различных давлениях газа и  напряжениях, приложенных к электродам,  различают несколько типов самостоятельных  разрядов: • тлеющий • искровой • коронный • дуговой

Электрический ток в газах Тлеющий разряд • Тлеющий  разряд  возникает  при  низких  давлениях  (в  вакуумных  трубках).  Для  разряда  характерна  большая  напряженность электрического поля и соответствующее ей  большое падение потенциала вблизи катода.  • Его  можно  наблюдать  в  стеклянной  трубке  с  впаянными  у  концов плоскими металлическими электродами. • Вблизи  катода  располагается  тонкий  светящийся  слой,  называемый  катодной светящейся пленкой

Электрический ток в газах Искровой разряд • Искровой разряд – соединяющий электроды и имеющий вид  тонкого изогнутого светящегося канала (стримера) с  множеством разветвлений. Искровой разряд возникает в газе  обычно при давлениях порядка атмосферного  Рат.  • По  внешнему  виду  искровой  разряд  представляет  собой  пучок  ярких  зигзагообразных  разветвляющихся  тонких  полос,  мгновенно  пронизывающих  разрядный  промежуток,  быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга.  • Эти полоски называют искровыми каналами.

Электрический ток в газах Коронный разряд • Коронный разряд наблюдается при давлении близком к  атмосферному в сильно неоднородном электрическом поле.  Такое поле можно получить между двумя электродами,  поверхность одного из которых обладает большой кривизной  (тонкая проволочка, острие). • Газ светится, образуя «корону», окружающую электрод. • Коронные разряды являются источниками радиопомех и  вредных токов утечки около высоковольтных линий передач  (основной источник потерь).

Электрический ток в газах В некоторых случаях коронный разряд с громоотвода бывает настолько сильным,  что у острия возникает явно видимое свечение. Такое свечение иногда появляется  и возле других заостренных предметов, например, на концах корабельных мачт,  острых верхушек деревьев, и т.д. Это явление было замечено еще несколько веков  тому назад и вызывало суеверный ужас мореплавателей, не понимавших истинной  его сущности ( «Огни святого Эльма»)

Электрический ток в газах Дуговой разряд • Если  после  получения  искрового  разряда  от  мощного  источника  постепенно  уменьшать  расстояние  между  электродами,  то  разряд  из  прерывистого  становится  непрерывным  возникает  новая  форма  газового  разряда,  называемая дуговым разрядом. • Рат • U=50­100 В • I = 100 А

Электрический ток в вакууме Вакуум      Вакуум ­ сильно разреженный газ, в котором средняя  длина свободного пробега частицы больше размера  сосуда. В результате в вакууме нет свободных носителей  заряда, и самостоятельный разряд не возникает. Для  создания носителей заряда в вакууме используют явление  термоэлектронной эмиссии.

Электрический ток в вакууме Термоэлектронная эмиссия      Если два электрода поместить в герметичный сосуд и  удалить из сосуда воздух, то электрический ток в вакууме  не возникает ­ нет носителей электрического тока.  Американский ученый Т. А. Эдисон (1847­1931) в 1879 г.  обнаружил, что в вакуумной стеклянной колбе может  возникнуть электрический ток, если один из находящихся  в ней электродов нагреть до высокой температуры.  Явление испускания свободных электронов с поверхности  нагретых тел называется термоэлектронной эмиссией.       На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа  различных электронных ламп.

Электрический ток в вакууме Вакуумный диод     Вакуумный диод  обладает  односторонней  проводимостью.  При изменении  полярности  включения Ба , ток  в анодной цепи не  регистрируется.