Воздействие электрического поля на проводники, полупроводники и диэлектрики.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 4Следующая ⇒

Электрическое поле – вид материи с помощью которого осуществляется взаимодействие между пространственно расположенными заряженными телами.

Взаимодействие между неподвижными электрически заряженными частицами или телами осуществляется посредством электростатического поля.

Электростатическое поле является частным случаем электромагнитного поля, посредствам которого осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.

Заряды существуют двух видов: положительные и отрицательные.

В СИ электрический заряд измеряют в кулонах – Кл.

Вещество состоит из заряженных частиц.

Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его.

• В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю.

• При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле.

В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Проводник – тела, в которых заряды могут перемещаться по всему объему (свободные заряды), поэтому они проводят электрический ток.

В металлах – это электроны (проводники первого рода). Химических изменений не происходит.

В растворах и расплавах солей (кислот и щелочей) - это положительные и отрицательные ионы –катионы, анионы (проводники второго рода). Происходят химические превращения.

Диэлектрик – тела, в которых заряды смещаются на расстояния, не превышающее размеров атома (связанные заряды), поэтому они не проводят электрический ток.

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Проводят электрический ток при определенных условиях.

проводники в эл.поле:

В проводнике под влиянием сил электрического поля свободные электроны проводника приходят в движение:

§ на одной стороне проводника возникает избыточный отрицательный заряд,

§ на другой стороне проводника - избыточный положительный заряд.

Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

Индуцированные заряды проводника создают добавочное электрическое поле, направление которого противоположно внешнему полю.

Движение зарядов в проводнике прекратится, когда напряженность поля, вызванного индуцированными зарядами проводника, станет равной напряженности внешнего поля, а результирующая напряженность поля внутри проводника будет равна нулю.

Электрическая ёмкость — характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд. Единица измерения - фарад.

Для одиночного проводника ёмкость равна отношению заряда проводника к его потенциалу в предположении, что все другие проводники бесконечно удалены и что потенциал бесконечно удалённой точки принят равным нулю.

11. Типы диэлектриков.

1. Неполярные диэлектрики ( диэлектрики с неполярными молекулами) Молекулы имеют симметричное строение (С₆Н₆, N₂, O₂, CO₂, CH₄) и не имеют дипольный момент. В электрическом поле происходит деформация электронных орбит, молекулы приобретают дипольный момент и располагаются вдоль силовых линий - торцы диэлектрика приобретают разноименные заряды - диэлектрик поляризуется.

2. Полярные диэлектрики (диэлектрики с полярными молекулами) Молекулы имеют несимметричное строение (H₂O, NH₃, SO₂, CO) и обладают дипольным моментом: без электрического поля из-за теплового движения ориентированы хаотично – результирующий дипольный момент равен нулю; в электрическом поле молекулы располагаются вдоль силовых линий – диэлектрик поляризуется.

3. Кристаллические диэлектрики (ионные диэлектрики) Вещество имеет ионное строение (хлористый натрий, хлористый калий и др.).В электрическом поле ионные решетки деформируются: удлиняются, если их оси направлены по полю, и укорачиваются, если оси направлены против поля. В результате возникаю дипольные моменты и диэлектрик поляризуется.

12. Трёхфазный переменный ток. Характеристика. Источники.

Работающие в настоящее время электростанции производят трёхфазный ток.

Трёхфазный ток легко производить и экономично передавать.

Трёхфазной системой переменного тока называется совокупность трёх однофазных токов одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутых друг относительно друга по фазе на 1/3 периода (или 120 градусов).

Источник - генератор В современных генераторах обычно:

фазные обмотки размещены в неподвижной части генератора – статоре, а магнитное поле создаётся вращающимся с одной скоростью ротором, который представляет собой электромагнит.

13. Электропроводность проводников, диэлектриков и полупроводников.

В зависимости от величины запрещенной зоны¹ резко изменяются многие параметры веществ и прежде всего электропроводность.

Проводники. Запрещенная зона равна или близка к нулю. Электроны за счет собственной тепловой энергии могут перейти на свободные уровни и увеличить проводимость вещества. Типичные проводники-металлы.

Диэлектрики. Величина запрещенной зоны превышает несколько электрон-вольт. Для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется затратить значительную энергию, способную разрушить структуру вещества. Диэлектрики имеют высокое удельное сопротивление.

Полупроводники. Промежуточное положение по ширине запрещенной зоны занимают полупроводники. Величина запрещенной зоны 0, 1-3 эВ (кремний, германий и др.). В полупроводниках можно легко перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости за счет внешней энергии (например, повысить температуру).

Деление твёрдых тел на полупроводники и диэлектрики в достаточной мере условно. Например, диэлектрики при очень высоких температурах начинают проводить ток.

Если у твёрдого тела для преодоления запрещенного слоя необходима энергия более 6 эВ, то оно - диэлектрик, а если менее 6 эВ - полупроводник. Наиболее широкий класс полупроводников, как показывают теория и опыт, имеет ширину запрещённой зоны менее 2 эВ.

14. Принцип работы гальванических элементов.

Если погрузить в жидкий электролит два электрода из определённым образом подобранных металлов, то на одном из них в результате химических реакций появится избыток электронов („–“), а на другом – недостаток („+“).

Между электродами будет действовать электродвижущая сила, и, значит, вся система электроды–электролит превратится в химический генератор электрического тока.

Первый химический источник тока – гальванический элемент из медной и цинковой пластин, погружённых в раствор поваренной соли или серной кислоты.

Первичные гальванические элементы не могут быть возвращены в рабочее состояние после того, как их наполнитель (активное вещество) был уже однажды израсходован. У таких элементов нельзя или по меньшей мере неэкономично обращать электродный процесс, пропуская ток в обратном направлении. Этот тип обычно называют просто элементом.

Вторичные гальванические элементы или аккумуляторы можно регенерировать после истощения, если пропустить через них ток в обратном направлении (зарядить), потому что процессы генерации тока, происходящие на их электродах, с хорошим приближением электрохимически обращаемы.

Наиболее распространены два вида аккумуляторов: кислотный (свинцовый) и щелочные.

Принципиального же различия между первичными и вторичными элементами нет.

15. Кислотные и щелочные аккумуляторы.

Кислотные. Анод заряженного свинцового аккумулятора состоит из свинца, катод – из диоксида свинца. Металлический тип проводимости PbO₂ делает его пригодным для работы в качестве электрода. Электролитом служит раствор H₂SO₄ (32–39 %), в котором PbSO₄ и PbO₂ малорастворимы.

При зарядке протекает обратная реакция и электроды меняют свои функции: катод становится анодом, а анод – катодом. ЭДС свинцового аккумулятора зависит от отношения активности кислоты и воды:

В процессе работы аккумулятора концентрация кислоты падает, а следовательно, падает и ЭДС. Когда ЭДС достигает 1, 85 В, аккумулятор считается разрядившимся. При более низкой ЭДС пластины покрываются тонким слоем PbSO₄ и и аккумулятор разряжается необратимо. Во избежание этого аккумулятор периодически подзаряжают.

Щелочные. В заряженном щелочном железо-никелевом аккумуляторе анодом служит железо, катодом – гидроксид никеля (III), электролит – 20%-й раствор KOH. При работе аккумулятора на аноде происходит окисление железа. на катоде – восстановление гидроксида никеля (III). ЭДС щелочного аккумулятора не зависит от концентрации щелочи, поскольку в выражение под знаком логарифма входят постоянные величины. Аналогично работают щелочные кадмий-никелевый и серебряно-цинковый аккумуляторы

16. Способы ионизации газов. Виды газовых разрядов.

В обычных условиях газы являются хорошими диэлектриками.

Электрические свойства газов связаны в первую очередь с ионизацией молекул или атомов.

Способы ионизации молекул и атомов:

1. Нагревание. При температурах начиная с нескольких тыс. градусов всякий газ частично ионизуется и превращается в плазму.

Плазма это полностью или частично ионизированный газ.

2. Воздействие электромагнитного излучения:

• ультрафиолетового излучения;

• рентгеновского излучения;

• гамма-излучения.

3. Воздействие заряженных частиц: альфа-, бета-частиц, космического излучения.

4. Электронный удар

При электрическом разряде движущийся электрон соударяется с нейтральным атомами и выбивает из них него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газе появляются новые электроны.

5. Захват электронов. При ионизации часть образовавшихся электронов может быть захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появятся еще и отрицательные ионы.

Газовый разряд – процесс прохождения электрического тока через газ.

Несамостоятельный газовый разряд – разряд при котором электропроводность газа создается внешними ионизаторами. С прекращением действия внешних ионизаторов несамостоятельный разряд прекращается. Несамостоятельный газовый разряд не сопровождается свечением газа.

Самостоятельный газовый разряд – разряд, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора. Создание самостоятельного разряда. Если после достижения насыщения продолжать увеличивать разность потенциалов между электродами, то электроны приобретают энергию достаточную для ионизации нейтральных атомов. Образовавшиеся электроны также приобретают энергию достаточную для ионизации оставшихся нейтральных молекул. Происходит ударная ионизация – образование лавины электронов. Сила тока возрастает в сотни и тысячи раз. Но одна ионизация электронным ударом не может обеспечить поддержания самостоятельного заряда.

1.Тлеющий разряд может быть получен при любых давлениях вплоть до атмосферного, однако большинство исследований проведено при давлениях от сотых долей до нескольких миллиметров ртутного столба.

Отличительная особенность тлеющего разряда - малая плотность тока на катоде и большое (порядка сотен вольт) катодное падение потенциала.

Испускание электронов холодным катодом происходит вследствие ударов положительных ионов и быстрых атомов о катод, а также по некоторым другим причинам (фотоэффект и др.).

2.Коронный разряд возникает при нормальном давлении в газе, находящемся в сильно неоднородном электрическом поле (около остриев или проводов линий высокого напряжения).

Ионизация газа и его свечение происходят лишь вблизи электродов.

Коронный разряд – вредное явление, сопровождающееся утечкой тока и потерей электрической энергии.

Для уменьшения коронирования увеличивают радиус кривизны проводников, а их поверхность делают возможно более гладкой.

При грозе на острых предметах может образываться коронный разряд.

При достаточно высоком напряжении между электродами коронный разряд переходит в искровой

3. Искровой разряд - прерывистая формуаэлектрического разряда в газах, возникающую при атмосферном давлении, когда газ ионизирован по всей длине межэлектродного пространства.

Ионизация газа происходит не по всему объему, а по отдельным ярко светящимся каналам, так называемый искровым каналам.

Внешнее проявление: выделение большого количества теплоты, яркое свечение газа, треск или гром.

Причины этих явлений: электронные и ионные лавины, которые приводят к огромному увеличению давления (до10⁷-10⁸Па), и повышению температуры до 10000 °С.

Пример искрового разряда: молния (диаметр от 10 до 25 см., длина несколько километров, сила тока десятки и сотни тысяч ампер).

4. Причина дугового разряд: Интенсивное испускание термоэлектронов раскаленным катодом. Эти электроны ускоряются электрическим полем и производят ударную ионизацию молекул газа.

Характеристика дугового разряда:

• Температура катода - 3000 °C.

• Электроны, бомбардируя анод, создают в нем углубление (кратер).

• Температура газа в канале дугового разряда достигает 5000-6000 °С.

Дуговой разряд был открыт В. В. Петровым в 1802 году.

В 1876 году П. Н. Яблочков впервые использовал электрическую дугу как источник света.

Применение: 1). дуговые печи для выплавки стали, чугуна, бронзы и т.д.

2). для резки и сварки металла

5. Плазма – это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.

Плазма в целом является электрически нейтральной системой.

Виды плазмы

В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на:

• слабо ионизованную (доли процентов) - верхние слои атмосферы – ионосфера

• частично ионизованную (нескольких процентов)

• полностью ионизованную (a близка к 100%) – солнце, звезды.

Плазма – четвертое состояние вещества.

Свойства

Частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей, т.к. между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленные убывающие с расстоянием.

В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны.

Применение

Газоразрядные лампы

Газовые лазеры – квантовые источники света.

17. Электрический ток в вакууме.

Вакуум – это такая степень разрежения газа, при которой соударений молекул практически нет (давление менее 10^-13мм рт. ст.).

Электрический ток в вакууме невозможен, т.к в нем нет свободных носителей заряда.

Для получения электрического тока в вакууме необходимо наличие свободных носителей заряда.

Получить их можно за счет испускания электронов телами, находящимися в вакууме.

Это явление называется – электронной эмиссии.

18. Типы электронной эмиссии.

· Термоэлектронная эмиссия - это испускание электронов нагретыми телами. В металлах концентрация свободных электронов высока, поэтому даже при средних температурах некоторые электроны преодолевают потенциальный барьер на границе металла. С повышением температуры число таких электронов увеличивается. Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака. В обычных условиях число электронов, покинувших электрод, равно числу электронов, возвратившихся на него ( т.к. электрод при потере электронов заряжается положительно). На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа многих вакуумных электронных приборов.

· Фотоэлектронная эмиссия

Фотоэмиссия – явление при котором из находящихся в вакууме металлов и полупроводников при облучении их светом испускаются электроны. Фотоэлектронная эмиссия – частный случай фотоэффекта.

Виды фотоэффекта:

Внешний фотоэффект – фотоэмиссия.

Внутренним фотоэффектом – перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений.

Вентильный фотоэффект – возникновение ЭДС при освещении двух разных полупроводников или полупроводника и металла (разновидность внутреннего фотоэффекта).

Ядерный фотоэффект – поглощения гамма-кванта (кванта электромагнитного излучения) ядром и распад составного ядра с испусканием нуклонов (чаще нейтронов).

Фотоэффект - испускание электронов веществом под действием любого электромагнитного излучения.

Теоретическое объяснение законов фотоэффекта было дано в 1905 году Эйнштейном.

Энергия падающего фотона (кванта) hν расходуется на совершение электроном работы выхода А и на сообщение фотоэлектрону кинетической энергии.

Из уравнения Эйнштейна следует, что существует минимальная энергия фотона при которой возможен фотоэффект.

· Вторичная электронная эмиссия. Вторичная электронная эмиссия – испускание электронов поверхностью металла, полупроводника или диэлектрика при бомбардировке их пучком электронов.

Вторичный электронный ток состоит из:

электронов, отраженных поверхностью (упруго и неупруго отраженных электронов), и

«истинно» вторичных электронов – электронов выбитых из металла первичным электронами.

Коэффициент вторичной электронной эмиссии δ - отношение числа вторичных электронов к числу первичных.

Коэффициент δ зависит от:

природы материала;

энергии бомбардирующих частиц

угла падения частиц.

Коэффициент δ у полупроводников и диэлектриков в несколько раз выше чем у металлов (высокая концентрация электронов в металлах мешает вторичным электронам выйти за пределы металла).

· Автоэлектронная (электростатическая) эмиссия. - эмиссия электронов с поверхности металлов под действием сильного электрического поля.

Этот тип эмиссии наблюдается в откаченной трубке в которой катод – острие, а анод – внутренняя поверхность трубки.

19. Законы внешнего фотоэффекта.

1-й закон: каждый квант поглощает только один электрон. Поэтому число вырванных фотоэлектронов пропорционально интенсивности света.

2-й закон: максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности (см. уравнение Эйнштейна).

3-й закон: с уменьшение интенсивности света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается, поэтому при некоторой достаточно малой частоте кинетическая энергия фотоэлектронов станет равна нулю и фотоэффект прекратится.

«Красная граница» фотоэффекта зависит лишь от работы выхода электрона, т.е. от химической природы вещества и состояния его поверхности (Na – 500 нм, Zn – 372 нм, Ag – 260 нм, Pt – 196 нм)

20. Магнитная индукция. Закон Ампера

Магнитная индукция — это влияние магнита на объект без механического контакта (основная характеристика магнитного поля).

В любом теле существуют два вида токов:

• макроскопические (свободные электроны в металлах и др.);

• микроскопические (молекулярные токи).

Магнитное поле макротоков описывается вектором напряженности магнитного поля Н.

Свойство микроскопических токов: способны поворачиваться в магнитных полях макроскопических токов, создавая дополнительное магнитное поле.

Закон Ампера. Сила действующая на проводник с током равна:

где l – длина проводника; I – сила тока;

α – угол между направлением тока и вектором магнитной индукции

⇐ Предыдущая 123 4 Следующая ⇒