Содержание

[убрать]

· 1 Формулировка законов

· 2 Математический вид

· 3 Примечания

· 4 Ссылки

· 5 См. также

Формулировка законов[править | править вики-текст]

В учебниках и научной литературе можно найти несколько версий формулировки законов. В наиболее общем виде законы формулируются следующим образом:

· Первый закон электролиза Фарадея: масса вещества, осаждённого на электроде при электролизе, прямо пропорциональна количеству электричества, переданного на этот электрод. Под количеством электричества имеется в виду электрический заряд, измеряемый, как правило, в кулонах.

· Второй закон электролиза Фарадея: для данного количества электричества (электрического заряда) масса химического элемента, осаждённого на электроде, прямо пропорциональна эквивалентной массе элемента. Эквивалентной массой вещества является его молярная масса, делённая на целое число, зависящее от химической реакции, в которой участвует вещество.

Математический вид[править | править вики-текст]

Законы Фарадея можно записать в виде следующей формулы:

где:

· m — масса осаждённого на электроде вещества в граммах

· Q — полный электрический заряд, прошедший через вещество

· F = 96 485,33(83) Кл·моль⁻¹ — постоянная Фарадея

· M — молярная масса вещества (Например, молярная масса воды H₂O = 18 г/моль)

· z — валентное число ионов вещества (число электронов на один ион).

Заметим, что M/z — это эквивалентная масса осаждённого вещества.

Для первого закона Фарадея M, F и z являются константами, так что чем больше величина Q, тем больше будет величина m.

Для второго закона Фарадея Q, F и z являются константами, так что чем больше величина M/z (эквивалентная масса), тем больше будет величина m.

В простейшем случае постоянного тока электролиза приводит к:

и тогда

где:

· n — выделенное количество вещества («количество молей»): n = m/M

· t — время действия постоянного тока.

В более сложном случае переменного электрического тока полный заряд Q тока I () суммируется за время :

Здесь t — полное время электролиза. Обратите внимание, что тау используется в качестве переменной, ток I является функцией от тау.^[2]

32) В газовой среде при нормальных условиях практически отсутствуют свободные заряды и она не проводит электрический ток, её молекулы нейтральны. Прохождение тока через газы возможно при ионизации последних, например, рентгеновским излучением. При этом процесс называется газовым разрядом, проводимость – несамостоятельной. Сила тока I зависит от напряжения между разноимённо заряженными электродами (рис. 19.4). В начале она растёт линейно. На этом участке плотность тока определяется формулой:

, (3.8.8)

где q – элементарный заряд, n_o – концентрация пар ионов; u₊ и u подвижности ионов – скорости ионов при напряжённости, равной единице соответственно; E – напряжённость электрического поля между электродами.

I

Рис.19.4

Здесь коэффициент при Е, равный γ = qn_o(u₊ + u_-), - величина постоянная. Значит, уравнение (3.8.8) представляет собою закон Ома, т.е:

= γ E,

где γ – удельная проводимость газов. С дальнейшим ростом U рост тока I замедляется. По достижении напряжением значения u _н наступает насыщение тока. Это означает, что все N_o пар ионов, образующиеся под внешним воздействием за единицу времени, достигают электродов. Поэтому ток насыщения

I_н = qN_o, (3.8.9)

т.е. его величина зависит от интенсивности ионизации – N_o. Следовательно, несамостоятельный газовый разряд гаснет с прекращением действия ионизатора.

Если этого не происходит, т.е. газовый разряд продолжается и после отключения источника внешнего воздействия на газовую среду, то процесс называется самостоятельным газовым разрядом. Это можно объяснить тем, что с поверхности отрицательно заряженного электрода – катода К (рис. 19.5) вылетают отдельные электроны. При сильных электрических полях между электродами они приобретают большую скорость и оказываются способными произвести ионизацию атомов газа. Оторванный от атома электрон вместе с первоначальным электроном устремляются к электроду А (аноду), ускоряются и производят вторичную ионизацию. Возникшие при этом электроны также ускоряются и т.д. То есть число электронов возрастает лавинообразно.

Рис.19.5

Обратимся к рисунку 19.5. Пусть число вылетающих с поверхности электрода К электронов N_o. Число электронов, долетающих до слоя dx, находящегося от К на расстоянии X достигает N>N_o. Тогда число электронов в слое dx

dN = αN dx, (3.8.10)

где α – коэффициент пропорциональности. После разделения переменных и интегрирования, получим:

ℓn N = α X + C, (3.8.11)

где С – постоянная интегрирования, определяемая из начальных условий. В данном случае при X=0, N=N_o. Следовательно С = ℓn N_o и из (3.8.11) после потенцирования имеем:

. (3.8.12)

Если расстояние между электродами ℓ, то

, (3.8.13)

т.е. такое число электронов достигают анода. Соответствующая сила тока

, (3.8.14)

где q – заряд электрона. С учётом того, что, согласно формуле (3.8.9), qN_o=I_н – ток насыщения, выражение (3.8.14) можно переписать так:

I = I_н e^{α ℓ}. (3.8.15)

Из (3.8.15) видно, что ток при самостоятельном газовом разряде возрастает в e^{α ℓ} раз. Ток возрастает в десятки тысяч раз и он поддерживается электронами самой газовой среды, образующихся при ударной ионизации. В результате газ может достичь такой высокой степени ионизации, что в его элементарном объёме суммарный заряд электронов окажется равным суммарному заряду положительных ионов. Такой газ называется газоразрядной плазмой.

Приведённые несамостоятельный и самостоятельный разряды находят широкое практическое применение. Они, например, положены в основу устройства различных осветительных и измерительных приборов.

Литература:

Осн. 2 [98-113], 7 [205-225], 8 [180-203].

Доп. 22 [108-127].

Контрольные вопросы:

1. Что понимают под сторонними силами и какова их роль в цепи постоянного тока?

2. Поясните физический смысл электродвижущей силы, напряжения и разности потенциалов на участке электрической цепи.

3. На чем основаны правила Кирхгофа?

33) Газы при не слишком высоких температу­рах и при давлениях, близких к атмосфер­ному, являются хорошими изоляторами. Это объясняется тем, что га­зы при обычных условиях состоят из ней­тральных атомов и молекул и не содержат свободных зарядов. Газ становится проводником электричест­ва, когда некоторая часть его молекул ионизуется, т. е. произойдет расщепление нейтральных атомов и молекул на ионы и свободные электроны. Для этого газ надо подвергнуть действию какого-либо ионизатора (например, поднеся к заря­женному электрометру пламя свечи, наблюдаем спад его заряда; здесь электро­проводность газа вызвана нагреванием).

При ионизации газов, таким образом, под действием какого-либо ионизатора происходит вырывание из электронной оболочки атома или молекулы одного или нескольких электронов, что приводит к об­разованию свободных электронов и поло­жительных ионов. Электроны могут при­соединяться к нейтральным молекулам и атомам, превращая их в отрицательные ионы. Следовательно, в ионизованном газе имеются положительные и отрицательные ионы и свободные электроны. Прохожде­ние электрического тока через газы на­зывается газовым разрядом.

Ионизация газов может происходить под действием различных ионизаторов: сильный нагрев (столкновения быстрых молекул становятся настолько сильными, что они разбиваются на ионы), короткое электромагнитное излучение (ультрафио­летовое, рентгеновское и g-излучения), корпускулярное излучение (потоки элек­тронов, протонов, a-частиц) и т. д. Для того чтобы выбить из молекулы (атома) один электрон, необходимо затратить оп­ределенную энергию, называемую энер­гией ионизации, значения которой для атомов различных веществ лежат в преде­лах 4—25 эВ.

Одновременно с процессом ионизации газа всегда идет и обратный процесс — процесс рекомбинации: положительные и отрицательные ионы, положительные ионы и электроны, встречаясь, воссоединя­ются между собой с образованием ней­тральных атомов и молекул. Чем больше ионов возникает под действием ионизато­ра, тем интенсивнее идет и процесс ре­комбинации.

Электропроводность га­за нулю не равна никогда, так как в нем всегда имеются свободные заряды, обра­зующиеся в результате действия на газы излучения радиоактивных веществ, имею­щихся на поверхности Земли, а также космического излучения. Эта незначитель­ная электропроводность воздуха (интен­сивность ионизации под действием указан­ных факторов невелика) служит причиной утечки зарядов наэлектризованных тел да­же при хорошей их изоляции.

Характер газового разряда определяется составом газа, его температурой и давлением, размерами, конфигурацией и материалом электродов, приложенным напряжением, плотностью тока.

Разряды, существующие только под действием внешних ионизаторов, называ­ются несамостоятельными.

34) ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ВАКУУМЕ

Что такое вакуум?
- это такая степень разрежения газа, при которой соударений молекул практически нет;

- электрический ток невозможен, т.к. возможное количество ионизированных молекул не может обеспечить электропроводность;
- создать эл.ток в вакууме можно, если использовать источник заряженных частиц;
- действие источника заряженных частиц может быть основано на явлении термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия

- это испускание электронов твердыми или жидкими телами при их нагревании до температур, соответствующих видимому свечению раскаленного металла.
Нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны, образуя вокруг себя электронное облако.
В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод, равно числу электронов, возвратившихся на него (т.к. электрод при потере электронов заряжается положительно).
Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака.

Вакуумный диод

Электрический ток в вакууме возможен в электронных лампах.
Электронная лампа - это устройство, в котором применяется явление термоэлектронной эмиссии.

Вакуумный диод - это двухэлектродная (А- анод и К - катод) электронная лампа.
Внутри стеклянного баллона создается очень низкое давление

Н - нить накала, помещенная внутрь катода для его нагревания. Поверхность нагретого катода испускает электроны. Если анод соединен с + источника тока, а катод с -, то в цепи протекает
постоянный термоэлектронный ток. Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью.
Т.е. ток в аноде возможен, если потенциал анода выше потенциала катода. В этом случае электроны из электронного облака притягиваются к аноду, создавая эл.ток в вакууме.

Вольтамперная характеристика вакуумного диода.

При малых напряжениях на аноде не все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, и электрический ток небольшой. При больших напряжениях ток достигает насыщения, т.е. максимального значения.
Вакуумный диод используется для выпрямления переменного тока.

Ток на входе диодного выпрямителя:

Ток на выходе выпрямителя:

Электронные пучки

- это поток быстро летящих электронов в электронных лампах и газоразрядных устройствах.

Свойства электронных пучков:

- отклоняются в электрических полях;
- отклоняются в магнитных полях под действием силы Лоренца;
- при торможении пучка, попадающего на вещество возникает рентгеновское излучение;
- вызывает свечение (люминисценцию) некоторых твердых и жидких тел (люминофоров);
- нагревают вещество, попадая на него.

Электронно - лучевая трубка (ЭЛТ)

- используются явления термоэлектронной эмиссии и свойства электронных пучков.

ЭЛТ состоит из электронной пушки, горизонтальных и вертикальных отклоняющих
пластин-электродов и экрана.
В электронной пушке электроны, испускаемые подогревным катодом, проходят через управляющий электрод-сетку и ускоряются анодами. Электронная пушка фокусирует электронный пучок в точку и изменяет яркость свечения на экране. Отклоняющие горизонтальные и вертикальные пластины позволяют перемещать электронный пучок на экране в любую точку экрана. Экран трубки покрыт люминофором, который начинает светиться при бомбардировке его электронами.

Существуют два вида трубок:

1) с электростатическим управлением электронного пучка (отклонение эл. пучка только лишь эл.полем);
2) с электромагнитным управлением (добавляются магнитные отклоняющие катушки).

Основное применение ЭЛТ:

кинескопы в телеаппаратуре;
дисплеи ЭВМ;
электронные осциллографы в измерительной технике.

35-36) Полупроводниками являются твердые тела, которые при абсолютном нуле температур характеризуются полностью занятой электронами валентной зоной, отделенной от зоны проводимости сравнительно узкой (DW< 1эв) запрещенной зоной.

Различают собственные и примесные полупроводники. Собственными являются химически чистые полупроводники, а их проводимость называется собственной проводимостью.

Типичными, наиболее широко распространенными собственными полупроводниками являются химические элементы германий и кремний. Внешние оболочки их атомов содержат по 4 валентных электрона, которые связаны с валентными электронами соседних атомов ковалентными связями.

Упрощенная плоская схема расположения атомов в кристалле германия дана на рис. 3, где каждая черточка означает связь, осуществляемую одним электроном. В идеальном кристалле при нуле Кельвина такая структура ведет себя как диэлектрик, так как все валентные электроны участвуют в образовании связей, и, следовательно, не участвуют в проводимости.

При повышении температуры тепловые колебания решетки могут привести к разрыву некоторых валентных связей, в результате чего часть электронов отщепляется и они становятся свободными. В покинутом электроном месте возникает вакансия – дырка, заполнить которую могут электроны из соседней пары. В результате дырка, как и освободившийся электрон, будет перемещаться по кристаллу. Движение электронов проводимости и дырок в отсутствии электрического поля является хаотическим. Если же кристалл поместить в электрическое поле, то электроны начнут двигаться против поля, дырки – по полю, что приведет к собственной проводимости германия, обусловленной как электронами, так и дырками.

Согласно зонной теории, энергия DW, необходимая для перехода электрона с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости, называется энергией активации (рис. 4).

Переход электронов из заполненной валентной зоны в свободную зону создает в валентной зоне вакантные состояния – дырки (отмечены кружками на рис. 4). Такая дырка ведёт себя подобно частице с элементарным положительным зарядом. Под действием внешнего электрического поля одновременно с перемещением электронов вверх по энергетическим уровням зоны проводимости происходит заполнение вакантных состояний в валентной зоне электронами с нижележащих уровней этой зоны, эквивалентное перемещение положительных дырок вниз.

Таким образом, в полупроводниках можно говорить об электронном и дырочном типах проводимости, хотя оба они являются следствием перемещения электронов.

Проводимость собственных полупроводников, обусловленная движением электронов, называется электронной проводимостью или проводимостью п– типа (от лат. negativus – отрицательный).

Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами – дырками, называется дырочной проводимостью или проводимостью р –типа (от лат. рositivus – положительный).

Таким образом, в собственных полупроводниках наблюдается два механизма проводимости – электронный и дырочный. При этом число электронов проводимости равно числу дырок в данном полупроводнике.

Проводимость химически чистых полупроводников, обусловленная наличием в них электронов и дырок, называется собственной проводимостью, а сами полупроводники – собственными полупроводниками.

С повышением температуры количество электронов, преодолевших за счет энергии теплового движения запрещенную зону, растет, соответственно увеличивается и число дырок. Следовательно, с ростом температуры собственная проводимость полупроводников увеличивается, а сопротивление уменьшается по экспоненциальному закону:

,

где - удельная проводимость, - некоторая константа, постоянная для данного полупроводника, - энергия активации, равная ширине запретной зоны и различная для разных полупроводников, k=1,38×10^-23 - постоянная Больцмана.

Зависимость сопротивления полупроводников от температуры используется в высокоточных приборах для измерения температуры – термисторах. Термисторы широко применяются для измерения температуры газов и жидкостей, для быстрой сигнализации о перегреве отдельных частей агрегатов, недостаточной смазке и т. д.

Примесная проводимость полупроводников

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники – примесными полупроводниками.

Необходимо различать донорные и акцепторные примеси. Примеси, у которых валентных электронов на единицу больше, чем у атомов основного вещества, называются донорными.

Рассмотрим механизм донорной примесной проводимости на примере германия. При замещении атома германия атомом, валентность которого на единицу больше, например, пятивалентным атомом мышьяка , один из электронов атома мышьяка не может образовать ковалентной связи, он оказывается лишним и при тепловых колебаниях решетки может быть легко отщеплен от атома, т. е. стать свободным. При наложении электрического поля такие электроны начинают перемещаться по кристаллу, создавая электрический ток (рис. 5). С точки зрения зонной теории, рассмотренный процесс можно представить следующим образом. Введение донорной примеси искажает поле решетки и приводит к появлению дополнительных донорных уровней (рис. 6), которые располагаются в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. Эти уровни заняты донорными электронами. При температуре, близкой к абсолютному нулю, энергия теплового движения недостаточна для того, чтобы перевести донорные электроны в зону проводимости, и полупроводник ведет себя как изолятор. При повышении температуры, воздействии света и т. д. электроны переходят с донорных уровней в зону проводимости и, при наличии разности потенциалов, обеспечивают ток.

Проводимость полупроводника, обусловленная наличием в нём электронов донорной примеси, называется электронной, донорной или n -типа, а сам полупроводник – полупроводником n-типа.

Примесь, у атомов которой не хватает достаточного количества электронов, чтобы заместить все валентные связи в решетке основного вещества, называется акцепторной.

При введении в решетку германия примесного атома с тремя валентными электронами, например, бора В, для образования связей с четырьмя ближайшими соседними атомами германия у атома бора не хватает одного электрона, одна из связей остается неукомплектованной и четвертый электрон может быть захвачен от соседнего атома германия, где, соответственно, образуется дырка (рис. 7). Последовательное заполнение образующихся дырок электронами эквивалентно движению дырок в полупроводнике, т. е. дырки не остаются локализованными, а перемещаются в решетке германия как свободные положительные заряды.

При введении в полупроводник акцепторной примеси свободные примесные уровни располагаются в запрещенной зоне вблизи верхней границы валентной зоны (рис. 8). Под действием очень малой энергии теплового возбуждения атом примеси может отнять электрон у одного из своих ближайших соседей. Это означает, что часть электронов из валентной зоны уже при небольших температурах переходит на акцепторные уровни, а в валентной зоне появляются свободные дырки. В этом случае полупроводник приобретает дырочную проводимость или проводимость p -типа.

Для перехода с донорного уровня в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторный уровень (рис. 6, 8) требуется меньшая энергия, чем для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому при низких температурах основную роль играет примесная проводимость.

С ростом температуры в электронном полупроводнике, кроме свободных электронов, появляется некоторое количество свободных дырок, а в дырочном полупроводнике появляется некоторое количество свободных электронов. Носители заряда, число которых преобладает в кристалле, называются основными носителями; носители противоположного знака называются неосновными. В полупроводниках с донорной примесью основными носителями являются электроны, неосновными – дырки. В полупроводниках с акцепторной примесью основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны. Причиной появления неосновных носителей является собственная проводимость.

Введение в кристаллическую решетку полупроводников примесей приводит к появлению в них замечательных и ценных для практического использования свойств: резкого повышение электропроводности, фотопроводности, люминесценции и т. п. Полупроводники используются в электро- и радиотехнической аппаратуре (кристаллические диоды и триоды), служат выпрямителями (селеновые, купроксные). Из полупроводников изготовляют полупроводниковые сопротивления (термисторы, фотосопротивления), источники света (светодиоды, лазеры), источники э.д.с. (солнечные батареи) и др. Полупроводниковые приборы малогабаритны, что является их важным достоинством.

Принцип действия многих полупроводниковых приборов основан на работе р-n– перехода.

37) В узкой части расположен электронная пушка, которая создает луч. По сути эти диталь которая создавала изображение на телике, по средству создования большого напряжения в несколько тысяч вольт, в трубке так разгонялись электроны, что пролетев колбу они ударяются об экран покрытой люминофором, и тогда экран начинает святиться и креститься.Аминь.