Презентация, доклад по физике:Электрический ток в различных средах

в газах
Электрический ток в вакууме

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 диэлектриками
Si, Ge, Se, In, As

Разные вещества имеют различные электрические свойства, однако по электрической проводимости их можно разделить на 3 основные группы:

Вещества

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).

опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные результаты принадлежат русским физикам Л. И. Мандельштаму и Н. Д. Папалекси (1913 г.).
В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.

Электрический ток в металлах

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

узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы, совершающие тепловые колебания вблизи положения равновесия, а в пространстве между ними хаотично движутся свободные электроны.

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

сопротивления равен относительному изменению сопротивления проводника при нагревании на 1К.

Электрический ток в металлах

вещества.

В то время, как в обычных проводниках под влиянием магнитного поля ток в металле смещается, в сверхпроводниках это явление отсутствует. Ток в сверхпроводнике как бы закреплен на своем месте.
Сверхпроводимость исчезает под действием следующих факторов:
повышение температуры;
действие достаточно сильного магнитного поля;
достаточно большая плотность тока в образце;

Переход от сверхпроводящего состояния в нормальное можно осуществить путем повышения магнитного поля при температуре ниже критической Tс.

Сверхпроводимость

Электрический ток в металлах

в жидком гелии её сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4,2 К очень резко падает до нуля. Это явление было названо сверхпроводимостью.
Температура Тк, при которой происходит переход в сверхпроводящее состояние , называется критической температурой перехода. Для таллия, олова и свинца она равна соответственно 2,35 К, 3,73 К и 7,19 К. Впоследствии было открыто много других сверхпроводников.

КАМЕРЛИНГ-ОННЕС
21.09.1853 – 21.02.1926
Нобелевская премия по физике,
1913 г.

Сверхпроводимость

Электрический ток в металлах

частица,которая образуется из двух и более электронов в силовом поле
атома.
Сила притяжения между электронами аналогична силе,
связывающей протоны и нейтроны в ядре атома (сила Юкавы).
Эта сила уравновешивает отталкивание между отрицательно
заряженными электронами и приводит к взаимному вращению
электронов вокруг общей оси.

Электрический ток в металлах

проводнике

Электроны сталкиваются с кристаллической решеткой
и теряют свою кинетическую энергию, которая идет
на нагрев решетки. Поэтому возникает электрическое
сопротивление.

Электрический ток в металлах

во вращательную энергию частицы. Поэтому мультиэлектрон
не сталкивается с кристаллической решеткой и не испытывает
сопротивления. Так возникает сверхпроводимость.

Электрический ток в металлах

и его свойства

повышением температуры уменьшается

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

Электрический ток в полупроводниках

внешнем электронном слое по 4 электрона, которые используются для образования парноэлектронных (ковалентных) связей с 4 соседними атомами

При обычных условиях (невысоких температурах) в полупроводниках отсутствуют свободные заряженные частицы, поэтому полупроводник не проводит электрический ток

Si

Si

Si

Si

Si

-

-

-

-

-

-

-

-

Электрический ток в полупроводниках

Рассмотрим проводимость полупроводников на основе кремния Si

Собственная проводимость полупроводников

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

Si

Si

Si

Si

Si

-

-

-

-

-

-

+

свободный электрон

дырка

+

+

-

-

Электрический ток в полупроводниках

– электронно-дырочная

Электрический ток в полупроводниках

свободных электронов и положительных виртуальных частиц - дырок

Зависимость сопротивления от температуры

R (Ом)

t (0C)

металл

R0

полупроводник

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

Электрический ток в полупроводниках

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

Si

Si

-

-

-

As

-

-

-

Si

-

Si

-

-

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.

Электрический ток в полупроводниках

Донорные примеси

кремнием у индия не хватает одного электрона, т.е. образуется дырка

Основа дает электроны и дырки в равном количестве. Примесь – только дырки.

Si

-

Si

-

In

-

-

-

+

Si

Si

-

-

Акцепторные примеси

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

Электрический ток в полупроводниках

типа

+

Основные носители заряда –
дырки

-

n - типа

Основные носители заряда –
электроны

Помимо основных носителей в полупроводнике существует очень малое число неосновных носителей заряда ( в полупроводнике p – типа это электроны, а в полупроводнике n – типа это дырки), количество которых растет при увеличении температуры

Электрический ток в полупроводниках

p – n переходом

+

+

+

+

-

-

-

-

р

n

+

+

+

+

-

-

-

-

О

А

В

Начинается бурный процесс диффузии. e из n-типа переходят в p-тип, дырки из p-типа переходят в n-тип. Образовались заряженный области: ОА и ОВ. Образуется контактная разность потенциалов
Область АОВ – запирающая область, обладает огромным R. Причина – обеднена основными носителями тока.

Электрический ток в полупроводниках

сузится до А'ОВ‘. Сопротивление перехода уменьшается, ток резко увеличивается. Такое включение называется прямым, электрический ток обусловлен основными носителями заряда.

Электрический ток в полупроводниках

А'ОВ' . Сопротивление перехода увеличивается, ток резко уменьшается. Такое включение называется обратным, электрический ток обусловлен неосновными носителями заряда.

Электрический ток в полупроводниках

односторонней проводимости.Полупроводниковый диод – это p – n переход, заключенный в корпус. Основное свойство диода – его односторонняя электрическая проводимость.

Обозначение полупроводникового диода на схемах

I (A)

U (В)

идеальный
диод

U (В)

Электрический ток в полупроводниках

Вольт – амперная характеристика полупроводникового диода (ВАХ)

I (A)

I (мA)

и твердые тел, могут быть диэлектриками, проводниками и полупроводниками.

Электрический ток в жидкостях

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

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

движение ионов приводит к тому, что ионы с поверхности кристалла отрываются. В растворе появляются свободные носители тока – ионы натрия и ионы хлора.
Такое явление называется электролитической диссоциацией.

Электролитическая диссоциация

Электрический ток в жидкостях

носителями зарядов в растворах являются только ионы.

Жидкий проводник, в котором подвижными носителями зарядов являются только ионы, называют электролитом.

Электрический ток в жидкостях

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

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

электрического тока через раствор электролита, сопровождающееся химическими превращениями вещества и выделением его на электродах, называется электролизом.

Электролиз

Электрический ток в жидкостях

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.

Закон электролиза

Электрический ток в жидкостях

для синтеза органических соединений различных классов и многих окислителей (персульфатов, перманганатов, перхлоратов, перфторорганических соединений и др.).

Электрический ток в жидкостях

металлических покрытий на поверхность как металлических, так и неметаллических изделий при прохождении постоянного электрического тока через растворы их солей. Гальванотехника подразделяется на гальваностегию и гальванопластику.

Электрический ток в жидкостях

Гальванопластика

копий относительно значительной толщины с различных как неметаллических, так и металлических предметов, называемых матрицами. Гальванопластику используют для нанесения сравнительно толстых металлических покрытий на другие металлы (например, образование «накладного слоя никеля, серебра, золота и т.д.). Гальванопластика была разработана русским ученым Б.С.Якоби, который в 1836 году применил этот способ для изготовления полых фигур для Исаакиевского собора.

Гальванопластика

Электрический ток в жидкостях

прочно связывается(сцепляется) с покрываемым металлом(предметом), служащим катодом электролизера.

Электрический ток в жидкостях

расплавов их оксидов, гидроксидов, солей

Электрический ток в жидкостях

Электрометаллургия

и их очистки. Электролизом расплавленных сред получают алюминий, магний, титан, цирконий, уран, бериллий и др.
Роберт Вильгельм Бунзен и Анри Этьенн Сент-Клер Девилль в 1855 г. получили алюминий электролизом расплава смеси хлорида алюминия и хлорида натрия.
В 1886 г. Чарльз Мартин Холл и Поль Эру разработали способ получения алюминия электролизом оксида алюминия в расплаве криолитом при 950 °С.

Электрический ток в жидкостях

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 какого-нибудь 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

Электрический ток в газах

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:

Электрический ток в газах

столкновении электрона с атомом только в том случае, когда электрон на длине свободного пробега ( λ ) приобретает кинетическую энергию, достаточную для совершения работы отрыва электрона от атома.

ионизация

электронным ударом

Электрический ток в газах

свободных электронов и положительных ионов в результате столкновений при высокой температуре.
Вследствие нагревания часть атомов ионизируется – распадается на положительно заряженные ионы и электроны
Конденсатор разряжается при нагревании воздуха между дисками конденсатора

Электрический ток в газах

под действием света называется фотоионизацией.

различных давлениях газа и напряжениях, приложенных к электродам, различают несколько типов самостоятельных разрядов:

тлеющий
искровой
коронный
дуговой

Типы самостоятельных разрядов

Электрический ток в газах

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

газоразрядных трубках
Для катодного распыления металлов
Для изготовления высококачественных металлических зеркал
В газовых лазерах

Электрический ток в газах

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

разряд в атмосфере. Уже в середине 18-го века высказалось предположение, что грозовые облака несут в себе большие электрические заряды и что молния есть гигантская искра. Это было доказано на опыте 1752-53 г.г. Ломоносовым и американским ученым Бенджамином Франклином (1706-90), работавшими одновременно и независимо друг от друга.

Электрический ток в газах

сфероид, обладающий большой удельной энергией, образующийся нередко вслед за ударом линейной молнии. Длительность существования шаровой молнии от секунд до минут, а исчезновение молнии может сопровождаться взрывом, вызывающим разрушения. Природа шаровой молнии ещё не выяснена. Молнии, как линейная, так и шаровая, могут быть причиной тяжёлых поражений и гибели людей.

Электрический ток в газах

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

регистрировать не только быстрые электроны, но и вообще любые заряженные, быстро движущиеся частицы, способные производить ионизацию путем соударений. Современные счетчики легко обнаруживают попадание в них даже одной частицы и позволяют поэтому с полной достоверностью и очень большой наглядностью убедиться, что в природе действительно существуют элементарные заряженные частицы.

Электрический ток в газах

что в атмосфере всего земного шара происходит одновременно около 1800 гроз, которые дают в среднем около 100 молний в секунду. Около половины всех аварий в крупных линиях электропередачи вызывается молниями. Поэтому, защита от молнии представляет собой важную задачу.
Ломоносов и Франклин не только объяснили электрическую природу молнии, но и указали, как можно построить громоотвод, защищающий от удара молнии. Громоотвод представляет собой длинную проволоку, верхний конец которой заостряется и укрепляется выше самой высокой точки защищаемого здания. Нижний конец проволоки соединяют с металлическим листом, а лист закапывают в Землю на уровне почвенных вод. Во время грозы на Земле появляются большие индуцированные заряды и у поверхности Земли появляется большое электрическое поле. Напряженность его очень велика около острых проводников, и поэтому на конце громоотвода зажигается коронный разряд. Вследствие этого индуцированные заряды не могут накапливаться на здании и молнии не происходит. В тех же случаях, когда молния все же возникает (а такие случаи очень редки), она ударяет в громоотвод и заряды уходят в Землю, не причиняя вреда зданию.

Электрический ток в газах

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

расстояние между электродами, то разряд из прерывистого становится непрерывным возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом.
Рат
U=50-100 В
I = 100 А

Электрический ток в газах

испускают ослепительный свет (свечение столба дуги слабее, так как излучающая способность газа мала), и поэтому электрическая дуга является одним из лучших источников света. Она потребляет всего около 3 Вт на канделу и является значительно более экономичной, нежели наилучшие лампы накаливания. Электрическая дуга впервые была использована для освещения в 1875 году русским инженером-изобретателем П.Н. Яблочкиным (1847-1894) и получила название «русского света» или «северного света».

Электрический ток в газах

металлических деталей. Свариваемые детали служат положительным электродом; касаясь их углем, соединенным с отрицательным полюсом источника тока, получают между телами и углем дугу, плавящую металл.
Ртутная дуга. Большой интерес представляет ртутная дуга, горящая в кварцевой трубке, так называемая кварцевая лампа. В этой лампе дуговой разряд происходит не в воздухе, а в атмосфере ртутного пара, для чего в лампу вводят небольшое количество ртути, а воздух откачивают. Свет ртутной дуги чрезвычайно богат ультрафиолетовыми лучами, обладающими сильным химическим и физиологическим действием. Чтобы можно было использовать это излучение, лампу делают не из стекла, которое сильно поглощает УФО, а из плавленого кварца. Ртутные лампы широко используют при лечении разнообразных болезней, а также при научных исследованиях как сильный источник ультрафиолетового излучения.

Электрический ток в газах

положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.
низкотемпературная, T < 105 К;
высокотемпературная, T > 105 К.
При T = 20 ∙ 103 ¸ 30 ∙ 103 К любое вещество - плазма.

Электрический ток в газах

во Вселенной. Солнце и другие звезды состоят из полностью ионизованной высокотемпературной плазмы. Основной источник энергии излучения звезд – термоядерные реакции синтеза, протекающие в недрах звезд при огромных температурах.

находятся в плазменном состоянии.

поясах и ионосфере Земли. С процессами, происходящими в этой плазме, связаны такие явления, как магнитные бури, нарушения дальней радиосвязи и полярные сияния.

Электрический ток в газах

связанное с ее высокой электропроводностью;
б) специфическое коллективное взаимодействие частиц плазмы, осуществляющееся через усредненные электрические и магнитные поля, которые создают сами эти частицы
д) удельная электрическая проводимость полностью ионизованной плазмы столь велика, что плазму можно приближенно считать идеальным проводником.

Электрический ток в газах

управляемого термоядерного синтеза – процесс слияния легких атомных ядер при высоких температурах в управляемых условиях. Энергетический выход реактора составляет 105 кВт/м3.

Схема токамака

Осуществление управляемой термоядерной реакции в высокотемпературной плазме позволит человечеству в будущем получить практически неисчерпаемый источник энергии.

Электрический ток в газах

в методе прямого преобразования внутренней энергии ионизованного газа в электрическую. Этот метод осуществлен в магнитогазодинамическом генераторе.

Электрический ток в газах

с плоским плазменным экраном.
Ионизация плазмы в плоском экране происходит в газовом разряде. Разряд возникает при бомбардировке молекул газа электронами, ускоренными электрическим полем − самостоятельный разряд.
Плоский телевизор с экраном из газоразрядных элементов содержит около миллиона маленьких плазменных ячеек, собранных в триады RGB – пиксели (pixel – picture element).

Электрический ток в газах

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

удалить из сосуда воздух, то электрический ток в вакууме не возникает - нет носителей электрического тока. Американский ученый Т. А. Эдисон (1847-1931) 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

Термоэлектронная эмиссия

Ба , ток в анодной цепи не регистрируется.

Вакуумный диод

Электрический ток в вакууме