Носіями електричного струму в металах є вільні електрони. На підставі електронної провідності в металах можна вивести закон Ома. Кінетична енергія електрона до моменту зіткнення його в кінці вільного пробігу (вільне володіння пробіг електрона - відстань між двома сусідніми ударами) Позначимо час вільного пробігу (інтервал часу, протягом якого електрон проходить довжину вільного пробігу) через т. Всі електрони провідності, які є в ділянці провідника довжиною l і перетином S, набувають енергію, рівну
де v - швидкість електрона перед його зіткненням з іоном. Середня швидкість Г7 спрямованого руху в результаті дії електричного стаціонарного поля буде дорівнює
Вважаємо, що рух електрона між ударами равноускоренное. У формулу, яка має силу струму через мікроскопічні величини (I = neSv), підставимо
отримаємо: 2I = neSv. З цього виразу знаходимо:
яке підставимо в формулу (3.18) і отримаємо:
У вираз (3.19) всі величини, що стоять перед I, що не залежать від напруги і тому:
Таким чином, сила струму пропорційна напрузі. Вольт-амперна характеристика для металів представлена на рис. 53. Знаючи силу струму I, заряд електрона е, площа поперечного перерізу провідника і концентрацію електронів, можна визначити швидкість упорядкованого руху електронів, так звану дрейфову швидкість.
ПРИЗНАЧЕННЯ:
Електричний струм присутній скрізь, він тече: в нашому організмі, передаючи нервові імпульси, в атмосфері, викликаючи розряди блискавки тощо, і, звичайно ж, в електричних приладах, протікаючи по металевих дротах.
ПРИСТРІЙ:
Електричний струм в металах - це рух негативно заряджених вільних електронів під дією електричного поля в просторі між позитивно зарядженими іонами впорядкованої кристалічної решітки металу.
ПРИНЦИП ДІЇ:
Негативно заряджені вільні електрони здійснюють хаотичний рух в просторі між іонами, але під дією електричного поля вони починають зміщуватися в бік позитивно зарядженого електрода. Швидкість цього зміщення дуже мала, приблизно, 1 мм в секунду. Однак електричне поле поширюється по провіднику зі швидкістю світла (300 000 км / c), і, так як всі електрони починають рухатися одночасно, виходить що струм рухається зі швидкістю світла!
Електричний Струм в напівпровідниках
Напівпровідниками назвали клас речовин, у яких з підвищенням температури збільшується провідність, зменшується електричний опір. Цим напівпровідники принципово відрізняються від металів. Типовими напівпровідниками є кристали германію та кремнію, в яких атоми об'єднані кова-лентной зв'язком. При будь-яких температурах в напівпровідниках є вільні електрони. Вільні електрони під дією зовнішнього електричного поля можуть переміщатися в кристалі, створюючи електричний струм провідності. Видалення електрона з зовнішньої оболонки одного з атомів кристалічної решітки призводить до перетворення цього атома в позитивний іон. Цей іон може нейтралізуватися, захопивши електрон у одного з сусідніх атомів. Далі, в результаті переходів електронів від атомів до позитивних іонів відбувається процес хаотичного переміщення в кристалі місця з відсутньою електроном. Зовні цей процес сприймається як переміщення позитивного електричного заряду, званого діркою. При розміщенні кристалу в електричне поле виникає впорядкований рух дірок - дірковий струм провідності. В ідеальному напівпровідниковому кристалі електричний струм створюється рухом рівної кількості негативно заряджених електронів і позитивно заряджених дірок. Провідність в ідеальних напівпровідниках називається власною провідністю. Властивості напівпровідників сильно залежать від вмісту домішок. Домішки бувають двох типів - донорні і акцепторні. Домішки, що віддають електрони і створюють електронну провідність, називаються донорними (домішки, які мають валентність більше, ніж у основного напівпровідника). Напівпровідники, в яких концентрація електронів перевищує концентрацію дірок, називають напівпровідниками n-типу. Домішки, що захоплюють електрони і створюють тим самим рухливі дірки, не збільшуючи при цьому число електронів провідності, називають акцепторними (домішки мають валентність менше, ніж у основного напівпровідника). При низьких температурах основними носіями струму в напівпровідниковому кристалі з акцепторною домішкою є дірки, а неосновними носіями - електрони. Напівпровідники, в яких концентрація дірок перевищує концентрацію електронів провідності, називають дірковими напівпровідниками або напівпровідниками р-типу. Розглянемо контакт двох напівпровідників з різними типами провідності. Через кордон цих напівпровідників відбувається взаємна дифузія основних носіїв: електрони з n-напівпровідника дифундують в р-напівпровідник, а дірки з р-напівпровідника в n-напівпровідник. В результаті ділянку n-напівпровідника, що межує з контактом, буде збіднений електронами, і в ньому утворюється надлишковий позитивний заряд, обумовлений наявністю оголених іонів домішки. Рух дірок з р-напівпровідника в n-напівпровідник призводить до виникнення надлишкового негативного заряду в прикордонній ділянці р-напівпровідника. В результаті утворюється подвійний електричний шар, і виникає контактна електричне поле, яке перешкоджає подальшій дифузії основних носіїв заряду. Цей шар називають замикаючим. Зовнішнє електричне поле впливає на електропровідність замикаючого шару. Якщо напівпровідники підключені до джерела так, як показано на рис. 55, то під дією зовнішнього електричного поля основні носії заряду - вільні електрони в п-напівпровіднику і дірки в р-напівпровіднику - будуть рухатися назустріч один одному до кордону розділу напівпровідників, при цьому товщина p-n-переходу зменшується, отже, зменшується його опір. В цьому випадку сила струму обмежується зовнішнім опором. Такий напрям зовнішнього електричного поля називається прямим. Прямому включенню p-n-переходу відповідає ділянку 1 на вольт-амперної характеристики (див. Рис. 57). Носії електричного струму в різних середовищах і вольт-амперні характеристики узагальнені в табл. 1. Якщо напівпровідники підключені до джерела так, як показано на рис. 56, то електрони в п-напівпровіднику і дірки в р-напівпровіднику будуть переміщатися під дією зовнішнього електричного поля від кордону в протилежні сторони. Товщина замикаючого шару і, отже, його опір збільшуються. При такому напрямку зовнішнього електричного поля - зворотному (замикаючому) через кордон розділу проходять тільки неосновні носії заряду, концентрація яких багато менше, ніж основних, і струм практично дорівнює нулю. Зворотному включенню р-п-переходу відповідає ділянку 2 на вольт-амперної характеристики (рис. 57). Таким чином, р-п-перехід має несиметричною провідністю. Ця властивість використовується в напівпровідникових діодах, що містять один p-n-перехід і застосовуваних, наприклад, для випрямлення змінного струму або детектування. Напівпровідники знаходять широке застосування в сучасній електронній техніці. Залежність електричного опору напівпровідникових металів від температури використовується в спеціальних напівпровідникових приладах - терморезистор. Прилади, в яких використовується властивість напівпровідникових кристалів змінювати своє електричний опір при освітленні світлом, називаються фоторезисторами.
Електричний Струм в електролітах
Електролітами прийнято називати провідні середовища, в яких перебіг електричного струму супроводжується перенесенням речовини. Носіями вільних зарядів в електролітах є позитивно і негативно заряджені іони. До електролітів належать багато з'єднання металів з металоїдами в розплавленому стані, а також деякі тверді речовини. Однак основними представниками електролітів, широко використовуються в техніці, є водні розчини неорганічних кислот, солей і підстав.
Проходження електричного струму через електроліт супроводжується виділенням речовин на електродах. Це явище отримало назву електролізу. Електричний струм в електролітах являє собою переміщення іонів обох знаків у протилежних напрямках. Позитивні іони рухаються до негативного електроду (катоду), негативні іони - до позитивного електрода (анода). Іони обох знаків з'являються у водних розчинах солей, кислот і лугів в результаті розщеплення частини нейтральних молекул. Це явище називається електролітичної дисоціацією. Наприклад, хлорид міді CuCl2 дисоціює у водному розчині на іони міді і хлору: При підключенні електродів до джерела струму іони під дією електричного поля починають впорядкований рух: позитивні іони міді рухаються до катода, а негативно заряджені іони хлору - до анода (рис 4.15.1 ). Досягнувши катода, іони міді нейтралізуються надлишковими електронами катода і перетворюються в нейтральні атоми, які осідають на катоді. Іони хлору, досягнувши анода, віддають але одному електрону. Після цього нейтральні атоми хлору з'єднуються попарно і утворюють молекули хлору Cl2. Хлор виділяється на аноді в вигляді бульбашок. У багатьох випадках електроліз супроводжується вторинними реакціями продуктів розкладання, виділяються на електродах, з матеріалом електродів або розчинників. Прикладом може служити електроліз водного розчину сульфату міді CuSO4 (мідний купорос) в тому випадку, коли електроди, опущені в електроліт, виготовлені з міді. Дисоціація молекул сульфату міді відбувається за схемою Нейтральні атоми міді відкладаються у вигляді твердого осаду на катоді. Таким шляхом можна отримати хімічно чисту мідь. Іон віддає анода два електрона і перетворюється в нейтральний радикал SO4 вступає у вторинну реакцію з мідним анодом Новоутворена молекула сульфату міді переходить в розчин. Таким чином, при проходженні електричного струму через водний розчин сульфату міді відбувається розчинення мідного анода і відкладення міді на катоді. Концентрація розчину сульфату міді при цьому не ізменяется.Закон електролізу був експериментально встановлений англійським фізиком М. Фарадеєм в 1833 році. Закон Фарадея визначає кількості первинних продуктів, що виділяються на електродах при електролізі: Маса m речовини, яка виділяється на електроді, прямо пропорційна заряду Q, що пройшов через електроліт: Величину k називають електрохімічним еквівалентом. Маса виділяється на електроді речовини дорівнює масі всіх іонів, які прийшли до електрода:
Тут m0 і q0 - маса і заряд одного іона, - число іонів, які прийшли до електрода при проходженні через електроліт заряду Q. Таким чином, електрохімічний еквівалент k дорівнює відношенню маси m0 іона даної речовини до його заряду q0. Так як заряд іона дорівнює добутку валентності речовини n на елементарний заряд e (q0 = ne), то вираз для електрохімічного еквівалента k можна записати у вигляді
F = eNA = 96485 Кл / моль.
Тут NA - постійна Авогадро, M = m0NA - молярна маса речовини, F = eNA - постійна Фарадея.
Постійна Фарадея чисельно дорівнює заряду, який необхідно пропустити через електроліт для виділення на електроді одного благаючи одновалентного речовини. Закон Фарадея для електролізу набуває вигляду:
Явище електролізу широко застосовується в сучасному промисловому виробництві.
Електричний Струм в Газах
У газах існують несамостійні і самостояг тільні електричні розряди.
Явище протікання електричного струму через газ, що спостерігається лише за умови будь-якого зовнішнього впливу на газ, називається несамостійним електричним розрядом. Процес відриву електрона від атома називається іонізацією атома. Мінімальна енергія, яку необхідно затратити для відриву електрона від атома, називається енергією іонізації. Частково або повністю іонізований газ, в якому густини позитивних і негативних зарядів однакові, називається плазмою.
Носіями електричного струму при несамостійному розряді є позитивні іони і негативні електрони. Вольт-амперна характеристика представлена на рис. 54. В області ОАВ - несамостійний розряд. В області ВС розряд стає самостійним.
При самостійному розряді одним із способів іонізації атомів є іонізація електронним ударом. Іонізація електронним ударом стає можлива тоді, коли електрон на довжині вільного пробігу А набуває кінетичну енергію Wk. достатню для здійснення роботи по відриву електрона від атома. Види самостійних розрядів в газах - іскровий, коронний, дугового і тліючий розряди.
Іскровий розряд виникає між двома електродами зарядженими різними зарядами і мають велику різницю потенціалів. Напруга між різнойменно зарядженими тілами досягає до 40 000 В. іскровий розряд короткочасний, його механізм - електронний удар. Блискавка - вид іскрового розряду. У сильно неоднорідних електричних полях, що утворюються, наприклад, між вістрям і площиною або між проводом лінії електропередачі і поверхнею Землі, виникає особлива форма самостійного розряду в газах, звана коронним розрядом. Електричний дугового розряд був відкритий російським вченим В. В. Петровим в 1802 г. При зіткненні двох електродів з вугілля при напрузі 40-50 В в деяких місцях виникають ділянки малого перетину з великим електричним опором. Ці ділянки сильно розігріваються, випускають електрони, які іонізують атоми і молекули між електродами. Носіями електричного струму в дузі є позитивно заряджені іони і електрони. Розряд, що виникає при зниженому тиску, називається тліючим розрядом. При зниженні тиску збільшується довжина вільного пробігу електрона, і за час між зіткненнями він встигає придбати достатню для іонізації енергію в електричному полі з меншою напруженістю. Розряд здійснюється електронно-іонної лавиною.
Електричний Струм в Вакуумі
Якщо два електроди помістити в герметичний посудину і видалити з посудини повітря, то електричний струм у вакуумі не виникає - немає носіїв електричного струму. Американський вчений Т. А. Едісон (1847-1931) в 1879 р виявив, що у вакуумній скляній колбі може виникнути електричний струм, якщо один з пасажирів ній електродів нагріти до високої температури. Явище випускання вільних електронів з поверхні нагрітих тіл називається термоелектронної емісією. Робота, яку потрібно зробити для звільнення електрона з поверхні тіла, називається роботою виходу. Явище термоелектронної емісії пояснюється тим, що при підвищенні температури тіла збільшується кінетична енергія деякої частини електронів в речовині. Якщо кінетична енергія електрона перевищить роботу виходу, то він може подолати дію сил тяжіння з боку позитивних іонів і вийти з поверхні тіла у вакуумі. На явищі термоелектронної емісії заснована робота різних електронних ламп.