ЭУ по физике

Слайд 1

Слайд 2

Главное меню

Слайд 3

Справочный материал

Слайд 4

Электрический ток в газах Электрический ток в газах называется газовым разрядом . Газы являются диэлектриками. Для появления свободных зарядов в газе должна произойти ионизация, то есть отрыв электронов от атомов. При этом образуются как свободные электроны, так и положительно заряженные ионы. Освобожденные электроны являются основными носителями тока в газе. Известны три механизма ионизации газа : тепловая ионизация происходит за счет соударения атомов газа при интенсивном хаотическом тепловом движении; в этих атомных столкновениях могут выбиваться электроны из атомов; ионизация облучением : при облучении газа светом кванты света (фотоны) могут выбивать электроны из атома газа; ионизация электронным ударом : при большом напряжении между катодом и анодом, помещенным в газ, электроны между ударами об атомы могут приобрести столь большую скорость, что при ударе они выбивают новые электроны из атома. Тепловая ионизация и ионизация излучением называются несамостоятельным разрядом , поскольку они происходят за счет внешней энергии нагрева газа или облучения светом. Как только эти внешние источники энергии выключаются, свободные электроны быстро захватываются ионами газа или нейтрализуются на аноде. Этот процесс, обратный ионизации, называется рекомбинацией . Ионизация электронным ударом называется самостоятельным разрядом . Для начала самостоятельного разряда нужен несамостоятельный разряд. Но как только началась ионизация электронным ударом, внешние источники ионизации можно выключить, а разряд будет лавинно нарастать за счет все большего числа свободных электронов.

Слайд 5

Условие начала самостоятельного разряда : энергия, приобретенная свободным электроном за время между ударами (на длине свободного пробега), должна быть больше энергии ионизации атома газа. Условие поддержания самостоятельного разряда : из катода должно вырываться достаточное количество электронов. При ударе ионов о катод их кинетическая энергия переходит во внутреннюю энергию катода. Катод нагревается, и из него начинают вырываться электроны. Это явление называется термоэлектронной эмиссией (электронным испарением). При большой энергии ионов сам удар ионов о катод способен выбивать электроны из металла катода. Известны следующие виды самостоятельного газового разряда : тлеющий разряд, электрическая дуга, коронный разряд, искровой разряд. Плазмой называется частично или полностью ионизированный газ. Плазму называют четвертым агрегатным состоянием вещества, поскольку нагрев газа любого вещества приводит к его ионизации и к образованию плазмы. Плазма обладает рядом интересных особенностей, связанных с электромагнитным взаимодействием всего коллектива заряженных частиц. Это взаимодействие приводит к плазменным колебаниям и волнам. Примеры плазмы: вещество Солнца и звезд; межзвездная среда; ионосфера; - газовый разряд; - высокотемпературная плазма при термоядерном синтезе.

Слайд 6

Электрический ток в полупроводниках Полупроводниками называют вещества, в которых число свободных зарядов сильно зависит от температуры. При низкой температуре свободных зарядов в полупроводнике практически нет, и он является диэлектриком. Но уже при комнатной температуре полупроводник проводит ток, хотя концентрация свободных зарядов в нем существенно ниже концентрации свободных зарядов в металлах. Эти свойства полупроводников объясняются тем, что энергия, необходимая для разрыва связи и образования свободного заряда, соизмерима с энергией теплового движения при комнатной температуре: Различают три типа полупроводников и три типа их проводимости: чистые полупроводники, обладающие собственной проводимостью; примесные полупроводники n-типа с электронной проводимостью; примесные полупроводники p-типа с дырочной проводимостью. В чистых полупроводниках уже при комнатной температуре происходит разрыв связи электронов с атомами вещества. В результате образуются свободные электроны. Эти электроны обеспечивают электрический ток, а проводимость, связанная с электронами называется электронной проводимостью. На месте вырванного электрона образуется его нехватка, которая называется дыркой . Под действием электрического поля электрон соседнего атома может заполнить эту дырку, а в результате дырка образуется на месте перескочившего электрона у соседнего атома, отдавшего свой электрон. Поскольку все связи эквивалентны, то перескок электрона от дырки к дырке не требует затраты энергии. Таким образом, дырки можно рассматривать как свободные положительные заряды.

Слайд 7

В результате в полупроводнике под действием внешнего поля образуется поток не только свободных электронов, но и встречный поток дырок. Поскольку заряд электрона равен элементарному заряду, взятому со знаком минус, то дырка имеет элементарный заряд, взятый со знаком плюс. Поэтому свободные электроны движутся против внешнего поля от отрицательного полюса к положительному, а дырки - в обратном направление по силовым линиям электрического поля от положительного полюса к отрицательному. Проводимость, связанная с направленным движением дырок, называется дырочной проводимостью В чистом полупроводнике концентрации свободных электронов и дырок одинаковы. В технике самое широкое применение в качестве чистых полупроводников нашли германий и кремний. Примесные полупроводники n-типа с электронной проводимостью получаются при добавлении небольшого количества примеси, обладающей большей валентностью, чем атомы полупроводника. Большая валентность означает, что атомы примеси имеют на один электрон больше, чем атомы чистого полупроводника. Когда атомы примеси замещают в кристаллической решетке атомы чистого полупроводника, этот "лишний" электрон оказывается слабо связанным с атомом примеси. Уже при комнатной температуре "лишний" электрон легко отрывается от кристаллической решетки и становится свободным зарядом. Облако свободных зарядов обеспечивает электронную проводимость полупроводника с такой примесью. Примесь, обладающая "лишним" электроном называется донорской примесью , а полупроводник с такой примесью называется полупроводником n -типа (то есть с избытком отрицательных зарядов - электронов). Примером донорской примеси является примесь мышьяка в кремнии. У кремния число электронов на внешней орбите равно 4, а у мышьяка число электронов на внешней орбите равно 5. Из сказанного ясно, что электронная проводимость полупроводников с донорской примесью намного выше дырочной проводимости чистого полупроводника.

Слайд 8

Примесные полупроводники p-типа с дырочной проводимостью получаются при добавлении небольшого количества примеси, обладающей меньшей валентностью, чем атомы полупроводника. Меньшая валентность означает, что атомы примеси имеют на один электрон меньше, чем атомы чистого полупроводника. Когда атомы примеси замещают в кристаллической решетке атомы чистого полупроводника, в ковалентной связи образуется нехватка электрона, то есть дырка. Уже при комнатной температуре "лишняя" дырка становится свободным зарядом. Облако свободных зарядов обеспечивает дырочную проводимость полупроводника с такой примесью. Примесь, обладающая "лишней" дыркой называется акцепторной примесью, а полупроводник с такой примесью называется полупроводником p-типа (то есть с избытком положительных зарядов - дырок). Примером акцепторной примеси является примесь индия в кремнии. У кремния число электронов на внешней орбите равно 4, а у индия число электронов на внешней орбите равно 3. Из сказанного ясно, что дырочная проводимость полупроводников с акцепторной примесью намного выше электронной проводимости чистого полупроводника. Полупроводниковый диод представляет собой соединение в виде контакта двух полупроводников n- и p-типов. За счет взаимной диффузии основных носителей в "чужой" полупроводник в области контакта образуется двойной поверхностный слой зарядов: дырок в полупроводнике n-типа и электронов в полупроводнике p-типа. Этот двойной слой зарядов подобно плоскому конденсатору образует электрическое поле, силовые линии которого направлены от слоя электронов к слою дырок. Это электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии неосновных носителей. Для кремниевых диодов запирающее напряжение этого поля равно 0,6 В. Если положительный полюс внешнего источника присоединить к полупроводнику n-типа (в котором находится поверхностный слой дырок), а отрицательный полюс этого источника присоединить к полупроводнику p-типа (в котором находится поверхностный слой электронов), то внешнее электрическое поле будет складываться с полем двойного слоя зарядов, еще больше препятствуя перемещению основных зарядов (дырок в полупроводнике p-типа и электронов в полупроводнике n-типа). Таким образом, при такой полярности внешнего источника ток через полупроводниковый диод практически не идет.

Слайд 9

Электрический ток в жидкостях Вода является хорошим диэлектриком и практически не имеет свободных зарядов. Но если в воде растворить вещества, называемые электролитами, то их молекулы распадаются на ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией и объясняется большим значением диэлектрической проницаемости воды (равной 81). В результате этого силы взаимодействия ионов электролитов в воде ослабляются в 81 раз, и молекулы электролитов при столкновениях легко распадаются на ионы. В результате электролитической диссоциации в растворе появляются подвижные носители заряда - положительные и отрицательные ионы. Если в раствор электролита опустить два электрода - катод, соединенный с отрицательным полюсом внешнего источника тока, и анод, соединенный с положительным полюсом, то под действием образовавшегося между этими электродами электрического поля ионы электролита начнут двигаться. При этом положительные ионы будут двигаться по силовым линиям электрического поля к катоду (поэтому положительные ионы называются катионами ), а отрицательные ионы будут двигаться против силовых линий поля к аноду (поэтому отрицательные ионы называются анионами ). Достигнув катода, катионы получают недостающие электроны из металла катода, нейтрализуются и оседают на катоде. Недостаток электронов на катоде компенсируется притоком электронов от источника тока к катоду. Аналогично, анионы, достигнув анода, отдают ему избыток электронов, нейтрализуются и в виде газа покидают объем электролита. Полученные анодом электроны за счет работы сторонних сил в источнике тока перетекают к катоду.

Слайд 10

Химическим эквивалентом вещества называется отношение молярной массы вещества к валентности его ионов M / n. Законы электролиза экспериментально открыл в 1833 г. Майкл Фарадей. Первый закон Фарадея Выделившаяся при электролизе масса вещества пропорциональна прошедшему по цепи заряду: Второй закон Фарадея Электрохимический эквивалент вещества пропорционален его химическому эквиваленту: Электролиз широко используется в технике. Для защиты металлов от коррозии с помощью электролиза покрывают поверхность стальных деталей тонким слоем другого металла (хромирование, омеднение, никелирование). Этот процесс называется гальваностегией .

Слайд 11

Если перед электролизом на поверхность электрода нанести графит, то после электролиза толстое покрытие хорошо отделяется от электрода. Это позволяет получить точную копию поверхности. При этом способе копии (стереотипы) получают с оттиска набора, изготовленного из пластика. Это позволяет печатать любой тираж, не стирая оригинала (матрицы). Процесс получения отслаиваемых покрытий (гальванопластику) изобрел Якоби. Таким способом он изготовил полые фигуры для Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге. При помощи электролиза осуществляют очистку металлов от примесей. Например, неочищенную медь отливают в виде толстых листов, которые затем помещают в электролитическую ванну в качестве анодов. При электролизе медь анодов растворяется, примеси, содержащие редкие металлы, выпадают на дно ванны, а чистая медь оседает на катоде. Этот процесс называется рафинированием меди. При помощи электролиза из расплава глинозема (оксида алюминия ) получают алюминий. Этот способ сделал алюминий дешевым и самым распространенным (после железа) металлом в технике.

Слайд 12

Электрический ток в вакууме Для протекания тока в вакууме подвижные заряды должны поступать извне. Источником свободных электронов в электровакуумных приборах (электронных лампах, кинескопах) служит термоэлектронная эмиссия разогретого электрическим током катода. Явление термоэлектронной эмиссии в 1883 г. открыл Эдисон. Другой способ получения свободных электронов используется в вакуумных фотодиодах: эмиссия электронов из катода происходит за счет явления фотоэффекта. В обоих случаях в вакууме существуют лишь свободные электроны, поэтому ток может протекать только в направлении от анода к катоду, поскольку отрицательно заряженные электроны движутся от катода к аноду. Изобрел вакуумный диод английский физик Д. Флеминг в 1904 г. Теорию работы вакуумного диода разработал Ленгмюр в 1913 г. Зависимость тока через двухэлектродный электровакуумный прибор (диод) от напряжения между его анодом и катодом выражается кривой, которая называется вольтамперной характеристикой . При отрицательном напряжении (минус на аноде и плюс на катоде) ток через диод не проходит, поскольку электроны вылетают из положительного катода и не могут достичь отрицательного анода. Это свойство диода используется для выпрямления переменного тока: если диод включить в цепь переменного тока, то он будет пропускать ток только в одном направлении. При малом положительном напряжении ток диода маленький, поскольку большинство электронов отталкивается облаком электронов, окружающим катод, и возвращается обратно в металл катода. При возрастании напряжения ток возрастает, и электронное облако вокруг катода постепенно рассасывается. При некотором напряжении возникает равновесие: все электроны, вылетевшие из катода, движутся к аноду, и наступает режим насыщения: с увеличением напряжения ток диода уже не может возрасти.

Слайд 13

В 1907 г. американский изобретатель Ли де Форест получил патент на вакуумный триод - трехэлектродную лампу, позволяющую усиливать сигналы переменного тока. Если поместить еще один электрод рядом с катодом, то небольшое отрицательное напряжение между этим электродом (сеткой) и катодом будет управлять электронным облаком вокруг катода. В результате будет изменяться ток между анодом и катодом. Если в анодную цепь поместить большое сопротивление, то на нем можно получить напряжение той же формы, что и на сетке, но гораздо большей амплитуды. Такой электровакуумный прибор называется триодом и используется для усиления электрического сигнала. Электронно-лучевая трубка используется в осциллографах, телевизорах и дисплеях для визуализации электрического сигнала. Электроны в этих приборах испускаются нагретым катодом и фокусируются в узкий пучок специальным фокусирующим электродом. В трубках осциллографов направление электронного пучка изменяется электрическим полем двух взаимно-перпендикулярных плоскх конденсаторов. Сфокусированный пучок ударяет в экран трубки, покрытый люминофором. Под действием бомбардировки электронами атомы люминофора испускают кванты света, которые позволяют увидеть точку падения луча на экране. В электронно-лучевых трубках телевизоров и дисплеев (такие трубки называются кинескопами) для отклонения луча используется магнитное поле, создаваемое током в специальных катушках электромагнитов. Сетка, расположенная рядом с катодом, управляет электронным облаком вокруг катода, тем самым, регулируя яркость луча на экране .

Слайд 14

Электрический ток в металлах Атомы металлов имеют на внешней оболочке по одному электрону, слабо связанному с ядром. Поэтому при образовании кристаллической решетки взаимодействие атомов приводит к тому, что эти внешние электроны отрываются от атомов. Оторвавшиеся электроны могут свободно двигаться по всему объему металла в поле ионов кристаллической решетки. Эти свободные электроны являются носителями зарядов в металлах. Теория электронной проводимости металлов базируется на модели электронного газа, согласно которой, во-первых, электроны движутся свободно между столкновениями с ионами кристаллической решетки и, во-вторых, при каждом соударении скорость направленного движения электрона полностью теряется, поскольку все направления отлета электрона после удара равновероятны. Удельное электрическое сопротивление металлов определяется формулой:

Слайд 15

Из полученной формулы следует, что удельное сопротивление металлов зависит от концентрации электронов и среднего времени их свободного пробега. Концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов металла. Из молекулярно-кинетической теории концентрация атомов пропорциональна плотности металла и обратно пропорциональна его молярной массе: Следовательно, концентрация практически не зависит от температуры. Поэтому температурная зависимость удельного сопротивления металла объясняется только линейной зависимостью времени свободного пробега электронов от температуры. Удельное сопротивление металлов мало. Самым лучшим проводником является серебро. Хорошим материалом для проводов являются медь и алюминий. Для изготовления проволочных сопротивлений используют сплавы с большим удельным сопротивлением. Для электронагревателей используют нихром. Для изготовления эталонных сопротивлений используют константан, который к тому же имеет малый температурный коэффициент сопротивления.

Слайд 16

Признаки для сравнения Металлы Полупроводники Электроны Вакуум Газ Носители электрического тока Электролиты Электроны, дырки Ионы Электроны Электроны, ионы Модель среды Электронный газ внутри ионной кристаллической решётки Четырёхвалентные атомы с ковалентной связью Положительные и отрицательные ионы - Нейтральные атомы и молекулы Механизм проводимости Движение носителей тока в электрическом поле ВАХ Справедлив ли закон Ома + - + - - Сопровождается ли ток переносом вещества - - + - + Зависимость удельного сопротивления от температуры Специфические параметры, влияющие на проводимость - Примеси, освещённость Концентрация электронов Давление Применение Нагревательные приборы Диоды, транзисторы Гальванотехника Электронные лампы, трубки Газосветовые трубки v I v I v I v I v I t ρ t ρ t ρ

Слайд 17

Выберите наиболее полный ответ на вопрос: «Движение каких частиц создаёт электрический ток в металлах?» Электронов Молекул Положительных и отрицательных ионов Электронов, положительных и отрицательных ионов Молекул, электронов, положительных и отрицательных ионов

Слайд 18

Какие действия вызывает прохождение электрического тока через газ ? Световые Тепловые, химические и магнитные Тепловые Тепловые и магнитные Магнитные Световые, магнитные и тепловые Химические

Слайд 19

Найдите наиболее правильное продолжение фразы: «Сопротивление электролита…» … возрастает при повышении температуры … уменьшается при повышении температуры … уменьшается под действием света … возрастает под действием света … возрастает при повышении температуры и уменьшается под действием видимого света … уменьшается как при повышении температуры, так и под действием видимого света

Слайд 20

Какой тип разряда происходит вокруг проводов, по которому течёт ток под высоким напряжением? Искровой Тлеющий Коронный Дуговой

Слайд 21

Какой элемент надо добавить к германию, чтобы получить полупроводник р-типа? Кремний Индий Мышьяк Фосфор Олово

Слайд 22

Укажите среду, в которой прохождение электрического тока не сопровождается переносом веществ Газ Вакуум Раствор соли Расплав соли

Слайд 23

Укажите прибор (элемент, устройство), сопротивление которого изменяется с изменением приложенного напряжения Резистор Фоторезистор Электролитическая ванна Полупроводниковый диод Правильного ответа нет

Слайд 24

+ - 1 2 На рисунке изображена ванна для электролиза с раствором из медного купороса. На каком электроде выделится медь? На электроде 1 На электроде 2 На обоих Выделение вещества на электродах не происходит, так как ток через электролит не идёт Выделение вещества на электродах не происходит, так как через электролит идёт переменный ток

Слайд 25

1 2 t 0 Как изменится накал ламп, если нагреть терморезистор? Накал обеих ламп увеличится Накал обеих ламп уменьшится Накал обеих ламп не изменится Накал первой лампы увеличится, второй – уменьшится Накал первой лампы уменьшится, второй - увеличится

Слайд 26

На рисунке представлена вольт-амперная характеристика полупроводникового диода. Какая точка характеристики соответствует наибольшему сопротивлению? 1 0.5 10 20 1 2 3 4 1 2 3 4 0 , 2 U,B I,mA 1 2 3 4 Сопротивление во всех точках одинаково

Слайд 27

Правильных ответов Ошибочных ответов Всего вопросов Оценка Результат тестирования Вопросы, на которые выбраны ошибочные ответы

Слайд 28

КОНЕЦ