Електричний струм у металах

                  Електричний струм у металах

Метали. Носіями струму в металах є вільні електрони. Електрони, розміщені на зовнішній оболонці, слабко зв’язані з ядром атома. Їх називають зовнішніми або валентними електронами, оскільки вони визначають властивість даного елемента – здатність його атомів входити в хімічний зв’язок з певним числом інших атомів.

Валентні електрони кожного атома металу мають здатність вільно рухатись в межах даного кристалічного тіла. Сукупність вільних електронів можна розглядати як електронний газ, що має властивості деякого ідеального газу. Якщо ж електричне поле відсутнє, вільні електрони рухаються хаотично. У зовнішньому електричному полі напруженістю на кожний електрон діє сила еВ, яка примушує електрони рухатися в одному напрямі, тобто виникає електричний струм. Опір металів обумовлений дефектами решітки і тепловими коливаннями решітки. Під час охолодження деяких металів і сплавів нижче певної критичної температури їх опір наближується до нуля. Це явище називають надпровідністю. Явище надпровідності відкрив у 1911 р. голландський фізик Г. Камерлінг – Оннес, вивчаючи електропровідність ртуті при низьких температурах ( 4,1 К ).

Гази. Гази за нормальних умов погано проводять електричний струм,

тобто є ізоляторами. Газ складається з нейтральних атомів і молекул. Внаслідок зовнішніх дій (опромінювання ультрафіолетовим, рентгенівським, радіоактивним випромінюванням, нагрівання і т.д.) газ іонізується, тобто від атомів і молекул відриваються електрони. Внаслідок іонізації утворюються позитивні іони і електрони. Коефіцієнт іонізації ? називають відношення числа іонів N, що виникли, до числа молекул газу N₀ в даному об’ємі.

                                      

Поряд з іонізацією відбувається зворотній процес – рекомбінація, тобто об’єднання іона і електрона в нейтральну молекулу або атом.

Енергію, яку потрібно затратити для іонізації газу, називають енергією іонізації. Для різних газів енергія іонізації має різне значення і залежить від будови атома чи молекули. Необхідна умова іонізації – надання електронам значної швидкості: , де А_і - робота іонізації, m i V – відповідні швидкість і маса електронів.

Процес проходження струму через газ називають газовим розрядом. Газовий розряд, який відбувається під дією іонізатора, називається несамостійним (ділянка 0 – 2).

             Електричний струм у напівпровідниках

Напівпровідники – це речовини, в яких електропровідність займає проміжне місце між провідниками і діелектриками. До напівпровідників належать кремній, селен, хімічні з’єднання елементів ІІІ групи з елементами V групи. Питомий опір напівпровідників знаходиться в межах від 10⁴ до 10^-5 Ом ·м. В результаті відриву електронів від атома виникають вільні електрони. Вакантне місце (позитивно заряджений іон) для електрона утворює так звану дірку. Дірці відповідає надлишковий позитивний заряд порівняно з сусідніми неіонізованими атомами, тому рух дірки рівнозначний рухові позитивного заряду. Якщо внести провідник в зовнішнє електричне поле, то хаотичний рух дірок і електронів переходить в напрямлений. Струм в таких провідниках зумовлений як рухом електронів і дірок (власна провідність). Концентрація дірок і електронів однакова. Власна провідність напівпровідників мала. Незначна кількість домішок у провідниках значно підвищує провідність їх. Домішки зумовлюють додаткову (домішкову) провідність. Домішкова провідність буває донорною і акцепторною. Домішки, які віддають електрони називаються донорами, а напівпровідники з електронною провідністю – електронними напівпровідниками (n – типу). Електронну провідність отримують, коли валентність елемента, що додається, більша за валентність основного напівпровідника. Наприклад, до германію (IV- валентний) додати миш’як (V - валентний). У таких напівпровідниках рух дірок майже відсутній. Якщо домішки мають валентність меншу, ніж основний напівпровідник, їх називають акцепторами, а напівпровідник – дірковим напівпровідником (р – типу). В перекладі n – тип (негативний), р – тип (позитивний). При контакті двох напівпровідників n – типу і р – типу на їх межі внаслідок дифузії і рекомбінації електронів і дірок виникає тонкий шар, збіднений носіями струму, який має підвищений опір (р – n – перехід). Якщо ввімкнути напівпровідник з р – n – переходом в електричне коло так, щоб потенціал частини з р – провідністю був позитивним, а частини з n – провідністю – негативним, то через нього буде проходити струм. Такий перехід називають прямим.Якщо знаки потенціалів на кінцях напівпровідника поміняти, то зворотній струм буде досить малим, а опір провідника досить великий. Такий перехід називають зворотнім.

Властивості р – n – переходу ( малий опір у прямому напрямі і великий у зворотному) використовують для випрямлення змінного струму (напівпровідникові діоди).

 

 

              Електричний струм у вакуумі

                  Електровакуумні прилади

 

Найважливішими приладами в електроніці першої половини ХХ в. були електронні лампи, в яких використовувався електричний струм у вакуумі. Проте їм на зміну прийшли напівпровідникові прилади. Але і сьогодні струм у вакуумі використовується в електронно-променевих трубках, при вакуумному плавленні і зварці, у тому числі в космосі, і в багатьох інших установках. Це і визначає важливість вивчення електричного струму у вакуумі.

Вакуум (від лат. vacuum - пустка) - стан газу при тиску, меншому атмосферного. Це поняття застосовується до газу в замкнутій судині або в судині, з якої відкачують газ, а часто і до газу у вільному просторі, наприклад до космосу. Фізичною характеристикою вакууму є співвідношення між довжиною вільного пробігу молекул і розміром судини, між електродами приладу і т.д.

 

Рис. 1. Відкачування повітря з судини

Коли йдеться про вакуум, то чомусь вважають, що цей зовсім порожній простір. На самій же справі це не так. Якщо з якої-небудь судини відкачувати повітря (рис.1), то кількість молекул в ньому з часом зменшуватиметься, хоча всі молекули з судини видалити неможливо. Так коли ж можна вважати, що в судині створений вакуум?

Молекули повітря, рухаючись хаотично, часто стикаються між собою і із стінками судини. Між такими зіткненнями молекули пролітають певні відстані, які називаються завдовжки вільного пробігу молекул. Зрозуміло, що при відкачуванні повітря концентрація молекул (їх кількість в одиниці об'єму) зменшується, а довжина вільного пробігу - збільшується. І ось наступає момент, коли довжина вільного пробігу стає рівною розмірам судини: молекула рухається від стінки до стінки судини, практично не зустрічаючись з іншими молекулами. Ось тоді-то і вважають, що в судині створений вакуум, хоча в ньому ще може бути багато молекул. Зрозуміло, що в менших за розмірами судинах вакуум створюється при великому тиску газу в них, ніж у великих судинах.

Якщо продовжувати відкачування повітря з судини, то говорять, що в ньому створюється більш глибокий вакуум. При глибокому вакуумі молекула може багато раз пролетіти від стінки до стінки, перш ніж зустрінеться з іншою молекулою.

Відкачати всі молекули з судини практично неможливо.

Де беруться вільні носії зарядів у вакуумі?

Якщо в судині створений вакуум, то в ньому все ж таки є немало молекул, деякі з них можуть бути і іонізовані. Але заряджених частинок в такій судині для виявлення помітного струму мало.

 

Мал. 2. Випромінювання електронів розжареним провідником

Як же отримати у вакуумі достатню кількість вільних носіїв заряду? Якщо нагрівати провідник, пропускаючи по ньому електричний струм або іншим способом, то частина вільних електронів в металі матиме достатню енергію, щоб вийти з металу (виконати роботу виходу). Явище випромінювання електронів розжареними тілами називається термоелектронній емісії.

Електроніка і радіо майже ровесники. Правда, спочатку радіо обходилося без своєї однолітки, але пізніше електронні прилади сталі матеріальною основою радіо, або, як то кажуть, його елементарною базою.

Початок електроніки можна віднести до 1883 року, коли знаменитий Томас Альфа Едісон, намагаючись продовжити термін служби освітлювальної лампи з вугільною ниткою розжарення, ввів в балон лампи, з якої відкачано повітря, металевий електрод.

Саме цей досвід привів Едісона до його єдиного фундаментально-наукового відкриття, яке лягло в основу всіх електронних ламп і всієї електроніки до транзисторного періоду. Відкрите ним явище згодом отримало назву термоелектронної емісії.

Зовні досвід Едісона виглядав досить просто. До висновку електроду і одному з висновків розжареної електричним струмом нитки він під'єднав батарею і гальванометр.

Стрілка гальванометра відхилялася всякий раз, коли до електроду під'єднувався плюс батареї, а до нитки - мінус. Якщо полярність мінялася, то струм в ланцюзі припинявся.

Едісон обнародував цей ефект і отримав патент на відкриття. Правда, роботу свою він, як мовиться, до пуття не довів і фізичну картину явища не пояснив. В цей час електрон ще не був відкритий, а поняття "термоелектронна емісія", природно, могло з'явитися лише після відкриття електрона.

Ось в чому її суть. В розжареній металевій нитці швидкість руху і енергія електронів підвищуються настільки, що вони відриваються від поверхні нитки і вільним потоком спрямовуються в оточуюче її простір. Що вириваються з нитки електрони можна уподібнити ракетам, що подолали силу земного тяжіння. Якщо до електроду буде приєднаний плюс батареї, то електричне поле усередині балона між ниткою розжарення і електродом спрямує до нього електрони. Тобто усередині лампи потече електричний струм.

Потік електронів у вакуумі є різновидом електричного струму. Такий електричний струм у вакуумі можна отримати, якщо в судину, звідки ретельно відкачується повітря, помістити нагрівається катод, що є джерелом електронів, що "випаровуються", і анод. Між катодом і анодом створюється електричне поле, що повідомляє електрони швидкості в певному напрямі.

В трубках телевізорів, радіолампах, установках для плавлення металів електронним променем, багатьох інших установках електрони рухаються у вакуумі. Яким чином одержують потоки електронів у вакуумі? Як управляють цими потоками?

 Рис.3

         Ми знаємо, що в металах є електрони провідності. Середня швидкість руху цих електронів залежить від температури металу: вона тим більше, чим вище температура. Розташуємо у вакуумі на деякій відстані один від одного два металеві електроди (рис.3) і створимо між ними певну різницю потенціалів. Струму в ланцюзі не буде, що свідчить про відсутність в просторі між електродами вільних носіїв електричного заряду. Отже, в металах є вільні електрони, але вони утримуються усередині металу і при звичайних температурах практично не можуть виходити з нього. Для того, щоб електрони змогли вийти за межі металу (аналогічно вильоту молекул за межі рідини при її випаровуванні), вони повинні подолати сили електричного тяжіння з боку надлишку позитивного заряду, що виник в металі унаслідок вильоту електронів, а також сил відштовхування з боку електронів, які вилетіли раніше і утворили поблизу поверхні металу електронну "хмарку". Інакше кажучи, щоб вилетіти з металу у вакуум, електрон повинен виконати певну роботу А проти цих сил, природно, різну для різних металів. Цю роботу називають роботою виходу електронів з металу. Робота виходу виконується електронами за рахунок їх кінетичної енергії. Тому ясно, що повільні електрони вирватися з металу не можуть, а вириваються тільки ті, кінетична енергія яких Теньк перевищує роботу виходу, тобто Теньк? А. Вихід вільних електронів з металу називають емісією електронів.

Для того, щоб існувала емісія електронів, необхідно повідомити електронам провідності металів кінетичну енергію, достатню для виконання роботи виходу. Залежно від способу повідомлення електронам необхідної кінетичної енергії бувають різні типи електронної емісії. Якщо енергія повідомляються електрони провідності за рахунок бомбардування металу ззовні якимись іншими частинками (електронами, іонами), має місце вторинна електронна емісія. Емісія електронів може відбуватися під впливом опромінювання металу світлом. В цьому випадку спостерігається фотоемісія, або фотоелектричний ефект. Можливо також виривання електронів з металу під дією сильного електричного поля - автоелектронна емісія. Нарешті, електрони можуть придбавати кінетичну енергію за рахунок нагрівання тіла. В цьому випадку говорять про термоелектронну емісію.

Розглянемо докладніше явище термоелектронної емісії і його застосування.

При звичайних температурах мізерне число електронів може володіти кінетичною енергією, порівнянною з роботою виходу електронів з металу. З підвищенням температури число таких електронів росте і при нагріванні металу до температур близько 1000 - 1500 градусів вже значне число електронів матиме енергію, перевищуючу роботу виходу з металу. Саме ці електрони можуть вилетіти з металу, але вони не віддаляються від його поверхні, оскільки метал при цьому заряджає позитивно і притягає електрони. Тому біля нагрітого металу створюється "хмарка" електронів. Частина електронів з цієї "хмарки" повертається назад в метал, і в той же час з металу вилітають нові електрони. При цьому між електронним "газом" і електронною "хмаркою" встановлюється динамічна рівновага, коли число електронів, що вилітають за певний час з металу, порівнюється з числом електронів, які за той же час повертаються з "хмарки" в метал.

                      Електричний струм у газах.
Електричний розряд у газах.
Всі гази в природному стані не проводять електричного струму. У чому можна переконатися з наступного досвіду:
Візьмемо електрометрії з приєднаними до нього дисками плоского конденсатора і зарядимо його. При кімнатній температурі, якщо повітря досить сухий, конденсатор помітно не розряджається - положення стрілки електрометра не змінюється. Щоб помітити зменшення кута відхилення стрілки електрометра, потрібен тривалий час. Це показує, що електричний струм у повітрі між дисками дуже малий. Даний досвід показує, що повітря є поганим провідником електричного струму.
Видозмінимо досвід: нагріємо повітря між дисками полум'ям спиртівки. Тоді кут відхилення стрілки електрометра швидко зменшується, тобто зменшується різниця потенціалів між дисками конденсатора - конденсатор розряджається. Отже, нагріте повітря між дисками став провідником, і в ньому встановлюється електричний струм.
Ізолюючі властивості газів пояснюються тим, що в них немає вільних електричних зарядів: атоми і молекули газів в природному стані є нейтральними.
Іонізація газів.
Вищеописаний досвід показує, що в газах під впливом високої температури з'являються заряджені частинки. Вони виникають внаслідок відщеплення від атомів газу одного або декількох електронів, у результаті чого замість нейтрального атома виникають позитивний іон і електрони. Частина утворилися електронів може бути при цьому захоплена іншими нейтральними атомами, і тоді з'являться ще негативні іони. Розпад молекул газу на електрони і позитивні іони називається іонізацією газів. Нагрівання газу до високої температури не є єдиним способом іонізації молекул або атомів газу. Іонізація газу може відбуватися під впливом різних зовнішніх взаємодій: сильного нагріву газу, рентгенівських променів, a-, b-і g-променів, що виникають при радіоактивному розпаді, космічних променів, бомбардування молекул газу швидко рухомими електронами або іонами. Чинники, що викликають іонізацію газу називаються іонізаторами. Кількісною характеристикою процесу іонізації служить інтенсивність іонізації, яка вимірюється числом пар протилежних за знаком заряджених часток, що виникають в одиниці об'єму газу за одиницю часу.
Іонізація атома вимагає витрати певної енергії - енергії іонізації. Для іонізації атома (або молекули) необхідно зробити роботу проти сил взаємодії між вириті електроном і іншими частками атома (або молекули). Ця робота називається роботою іонізації A _i. Величина роботи іонізації залежить від хімічної природи газу й енергетичного стану вириваємо електрона в атомі або молекулі.
Після припинення дії іонізатора кількість іонів у газі з часом зменшується і врешті-решт іони зникають зовсім. Зникнення іонів пояснюється тим, що іони і електрони беруть участь в тепловому русі і тому соударяются один з одним. При зіткненні позитивного іона і електрона вони можуть возз'єднатися у нейтральний атом. Точно також при зіткненні позитивного і негативного іонів негативний іон може віддати свій надлишковий електрон позитивного іону і обидва іона перетворяться на нейтральні атоми. Цей процес взаємної нейтралізації іонів називається рекомбінацією іонів. При рекомбінації позитивного іона і електрона або двох іонів звільняється певна енергія, що дорівнює енергії, витраченої на іонізацію. Частково вона випромінюється у вигляді світла, і тому рекомбінація іонів супроводжується свіченням (свічення рекомбінації).
У явищах електричного розряду в газах велику роль грає іонізація атомів електронними ударами. Цей процес полягає в тому, що електрон, що рухається, що володіє достатньою кінетичною енергією, при зіткненні з нейтральним атомом вибиває з нього один або кілька атомних електронів, у результаті чого нейтральний атом перетворюється в позитивний іон, а в газі з'являються нові електрони (про це буде розглянуто пізніше).
У таблиці нижче дані значення енергії іонізації деяких атомів.

Елемент	He	Ne	Ar	Hg	Na	K	Rb
Енергія іонізації, еВ	24,5	21,5	13,9	10,4	5,12	4,32	4,68

 

                  Електронна провідність металів.

Електропровідність — здатність речовини проводити електричний струм.

Електропровідність виникає в електричному полі.

Електропровідність властива усім речовинам, але для того, щоб вона була значною, необхідно, щоб в речовині були вільні заряди.

        

       Природа електропровідності

Електропровідність зумовлена переважним рухом заряджених часток, носіїв заряду в напрямку електричного поля. Носіями заряду можуть бути електрони, дірки або Йони. Для забезпечення провідності носії заряду повинні бути вільними.

В електричному полі на носій заряду діє сила , де q - заряд, а - напруженість електричного поля. Під дією цієї сили носій заряду прискорюється й набирає енергію. Проте це прискорення не безмежне. На заваді йому стають зіткнення із іншими носіями заряду, йонами чи нейтральними атомами. Під час таких зіткнень енергія електрона розсіюється й перетворюється в тепло. Проходження струму через речовину завжди супроводжується виділенням тепла. Величина електропровідності залежить, таким чином, не лише від концентрації вільних носіїв заряду та напруженості поля, а й від частоти зіткнень носіїв заряду, яка описується так званою довжиною вільного пробігу.

Із квантово-механічної точки зору визначальними факторами для провідності також є акти розсіяння — зіткнення носіїв заряду із різноманітними дефектами структури. Одним із висновків зонної теорії стверджує те, що вільні квазічастинки - електрони й дірки, рухаються через ідеальний кристал, як крізь вакуум, не відчуваючи присутності йонів у вузлах кристалічної ґратки. Розсіяння носіїв заряду відбувається лише на дефектах кристалічної ґратки: атомах домішки, атомах кристалу, зміщених із свого положення завдяки тепловим коливанням тощо. Важливу роль у визначенні провідності відіграє принцип виключення Паулі, який забороняє носіям заряду переходити у стани, зайняті іншими носіями заряду того ж ґатунку.

Провідність різних середовищ лежить в дуже широких межах — від нескінченно малої до нескінченно великої. Нескінченно малу провідність має вакуум, у якому відсутні заряджені частки, нескінченно велику - надпровідники. В залежності від величини провідності матеріали ділять на провідники й ізолятори. Проміжну позицію між цими двома групами займають напівпровідники.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: