Презентацію підготували учениці 11 – Ф класу школи 13 М. Дніпропетровська Бондар Аліна и Стебко Марія ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У РІЗНОМАНІТНИХ СЕРЕДОВИЩАХ

ТЕМА 1. ЕЛЕКРТИЧНИЙ СТРУМ У МЕТАЛАХ.

Метали у твердому стані мають кристалічну будову. Частинки в кристалах розташовані в певному порядку, утворюючи просторову (кристалічну) гратку. В будь-якому металі частина валентних електронів покидає свої місця в атомі, в результаті чого атом перетворюється в позитивний іон. У вузлах кристалічної решітки металу розташовані позитивні іони, а в просторі між ними рухаються вільні електрони.Негативний заряд усіх вільних електронів за абсолютним значенням дорівнює позитивному заряду всіх іонів решітки. Тому в звичайних умовах метал електрично нейтральний.Під дією електричного поля в металевих провідниках рухаються вільні електрони.

Отже, електричний струм у металевих провідниках є впорядкований рух вільних електронів, під дією електричного поля.

Якщо в провіднику немає електричного поля, то електрони рухаються хаотично, аналогічно тому, як рухаються молекули газів або рідин. У кожний момент часу швидкості різних електронів відрізняються по модулях і за напрямками. Якщо ж у провіднику створено електричне поле, то електрони, зберігаючи своій хаотичний рух, починають зміщуватися у бік позитивного полюса джерела.

Одночасно з поширенням електричного поля всі електрони починають рухатися в одному напрямку по всій довжині провідника. Так, наприклад, при замиканні ланцюга електричної лампи в впорядкований рух приходять і електрони, наявні в спіралі лампи.

ТЕМА 2. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У РОЗЧИНАХ І РОЗПЛАВАХ ЕЛЕКТРОЛІТІВ. ЗАКОНИ ЕЛЕКТРОЛІЗУ. ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРОЛІЗУ.

Складемо коло за схемою

До провідників належать розплави і розчини електролітів: кислот, лугів і солей. Рідкими напівпровідниками є розплавлений селен, розплави сульфідів та ін. Під час розчинення електролітів під впливом електричного поля полярних молекул води відбувається розпад молекул електролітів на іони. Цей процес називають електролітичною дисоціацією, в результаті якої нейтральні молекули розпадаються на позитивні та негативні іони. В електроліті з'являються вільні носії зарядів і він починає проводити струм.

Оскільки заряд у водних розчинах чи розплавах електролітів переноситься іонами, то таку провідність називають іонною. За іонної провідності проходження струму пов'язано із перенесенням речовини. На електродах відбувається виділення речовин, які входять до складу електроліту. На аноді негативно заряджені частинки віддають свої зайві електрони (окиснювальна реакція), а на катоді позитивні іони отримують електрони (реакція відновлення).

Процес виділення на електроді речовини, пов'язаний із окиснювально-відновлювальними реакціями, називають електролізом. У розчині може відбуватися процес обєднання іонів у нейтральні молекули, такий процес називається рекомбінацією.

Схематичне зображення електрохімічної установки для дослідження електролізу

Нехай за час t через електроліт буде перенесено заряд. Кількість іонів, які досягли електрода, дорівнюватиме: де q o = Ze - заряд іона; Z - валентність іона; e - елементарний заряд. Кількість іонів N дорівнює кількості атомів речовини, що виділиться на електроді, а маса виділеної речовини де m o - маса одного атома, μ - молярна маса речовини.

ЕЛЕКТРОХІМІЧНИЙ ЕКВІВАЛЕНТ РЕЧОВИНИ Маса речовини, яка виділяється на катоді за час Δt, пропорційна силі струму і часу. Це твердження, встановлене експериментально Фарадеєм (1831 р.), має назву першого закону Фарадея для електролізу. m = kq = kIΔt

Явище електролізу має широке застосування в електрометалургії (добування чистих металів); у гальваностегії (нанесення металевих покриттів для запобігання корозії металів); у гальванопластиці (виготовлення копій з матриць) тощо. Будову хімічних джерел струму (гальванічних елементів та акумуляторів) також засновано на процесах взаємодії металів з електролітами.

ТЕМА 3. ЕЛЕКРТИЧНИЙ СТРУМ У ВАКУУМІ.

Вакуум – це стан розрідженого газу, молекули якого ударяються одна об одну рідше, ніж із стінками посудини, в якій вони знаходяться. Носіями електричного струму у вакуумі будуть електрони, які вилітають з поверхні електрода внаслідок термоелектронної емісії. Термоелектронна емісія – явище випромінювання електронів металами під час їх нагрівання до високої температури. Електрони вилітають з металу, якщо його енергія достатня, щоб виконати певну роботу – роботу виходу – проти сил, що перешкоджають його вильоту:

Електрон зможе вилетіти, якщо його кінетична енергія буде більша за роботу виходу: m – маса електрона, V – його швидкість.

Явище термоелектричної емісії використовують у таких електронних приладах, як діоди, тріоди, титроди, пентоди, електронно – променеві трубки.

Діод. Електронна лампа, яка складається з відкачаного до високого вакууму скляного або металевого балона, в якому є два електроди (катод і анод) (Рис. 38). Катод (підігрітий електрод) виготовляють з тугоплавкого металу. Катод підігрівають до 2000 – 2500 К.

Залежність анодного струму від анодної напруги називають вольт – амперною характеристикою (ВАХ) При деякому значенні напруги, що залежить від температури катода, струм досягає максимального значення і далі не змінюється, всі електрони досягають анода. Це значення сили струму називають струмом насичення І н. Щоб збільшити струм, потрібно збільшити температуру Т катода. Діод пропускає струм тільки в одному напрямі, коли анод зєднано з позитивним полюсом джерела. Цю властивість діода використовують для випрямлення змінного струму.

Тріод. Щоб керувати силою струму в електронній лампі, в неї вводять третій додатковий електрод, який називають сіткою. На сітку подають змінний потенціал, який керує рухом електронів від катода до анода. Сітку виготовляють у вигляді дротяних спіралей і розміщують між катодом і анодом. В тріоді сітку розміщують поблизу катода так, щоб найменші зміни потенціалу сітки впливали на зміну анодного струму. Якщо потенціал сітки відносно катода дорівнює нулю, то тріод працює як діод. Якщо потенціал сітки позитивний, то густина електронної хмари менша, отже струм більший. Якщо потенціал сітки негативний, то густина електронної хмари біля катода збільшується, а струм зменшується. Негативну сіткову напругу, при якій анодний струм дорівнює нулю, називають напругою запирання. Змінюючи сіткову напругу, можна регулювати значення анодного струму в колі, тому сітку називають керуючою. Тріод використовують для підсилення слабких струмів і напруг та генерації незатухаючих коливань.

ТЕМА 3. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У НАПІВПРОВІДНИКАХ.

ЗАЛЕЖНІСТЬ ОПОРУ НАПІВПРОВІДНИКІВ ВІД ТЕМПЕРАТУРИ Опір у більшості напівпровідників значно чутливіший до змін температури, ніж металів. Опір металів з підвищенням температури зростає приблизно лінійно, опір напівпровідників – різко зменшується.

ВЛАСНА ПРОВІДНІСТЬ НАПІВПРОВІДНИКІВ. ГЕРМАНІЙ. Звязок двох сусідніх атомів обумовлений парою валентних електронів, які утворюють парно-електронний звязок. При підвищенні температури відбувається розривання деяких валентних звязків і частина електронів стають електронами провідності Будь-яке розривання валентного звязку спричиняє появу вакантного місця,де відсутній звязок. Такі місця дістали назвудірок.

ДОМІШКОВА ЕЛЕКТРОПРОВІДНІСТЬ НАПІВПРОВІДНИКІВ Домішками є елементи пятої групи періодичної системи. Ці домішки збільшують концентрацію електронів провідності. Донорні домішки У напівпровіднику створена електронна домішкова провідність n- типу.

Зазвичай домішками є тривалентні елементи періодичної системи. Для утворення ковалентного звязку домішковий атомпозичає електрон у атома напівпровідника. Акцепторні домішки Домішки, які захоплюють електрони від сусідніх атомів і викликають появу дірок, називаються акцепторними. А напіпровідники з такими домішками – напівпровідниками р- типу.

ТЕРМО- І ФОТОРЕЗИСТОР Залежність опору напівпровідників від освітлення застосовується у фоторезисторах (фотоопорах) Прилади, дія яких грунтується на використанні залежності опору напівпровідників від температури, дістали назву терморезисторів або термісторів.

ТЕМА 4. ЕЛЕКРТИЧНИЙ СТРУМ У ГАЗАХ.

Електричний струм у газі Це спрямоване рух позитивних іонів до катода, а негативних іонів і електронів до аноду. За звичайних умов гази майже повністю складаються із нейтральних атомів чи молекул, тому є діелектриками. Для того, щоб газ почав проводити електричний струм, його потрібно забезпечити вільними електричними зарядами.

Для того, щоб газ проводив стум потрібно: 1) нагріти газ (З підвищенням температури теплові рухи молекул газу призведуть до втрати електронів молекулами, а отже, й утворення позитивно заряджених іонів. Деякі нейтральні молекули приймуть вільні електрони і стануть негативно зарядженими іонами, крім того, самі вільні електрони зможуть створити струм. Чим вища температура, тим більше вільних електронів.); 2) помістити в газ джерело радіоактивного випромінювання; 3) помістити в газ нагріту металеву нитку, з якої будуть випаровуватись вільні електрони, які і створять струм. Отже, щоб газ проводив електричний струм, в нього треба помістити іонізатор. Завдяки іонізації в газі утворюються вільні носії електричного заряду - іони та електрони.

Процес проходження електричного струму через газ називають газовим розрядом. Після припинення дії іонізатора газ перестає бути провідником. Струм припиняється після того, як усі іони й електрони досягнуть електродів. Крім того, під час зближення електрон і позитивно заряджений іон можуть знову втратити нейтральний атом. Такий процес називають рекомбінацією заряджених частинок.

Механізм електропровідності газів. Механізм провідності газів схожий на механізм провідності розчинів і розплавів електролітів. При відсутності зовнішнього поля заряджені частинки, як і нейтральні молекули рухаються хаотично. Якщо іони і вільні електрони виявляються в зовнішньому електричному полі, то вони приходять в спрямоване рух і створюють електричний струм у газах. Таким чином, електричний струм у газі Це спрямоване рух позитивних іонів до катода, а негативних іонів і електронів до аноду. Повний струм в газі складається з двох потоків заряджених частинок: потоку, що йде до анода, і потоку, спрямованого до катода. На електродах відбувається нейтралізація заряджених частинок, як і при проходженні електричного струму через розчини і розплави електролітів. Однак у газах відсутня виділення речовин на електродах, як це має місце в розчинах електролітів. Газові іони, підійшовши до електродів, віддають їм свої заряди, перетворюються на нейтральні молекули й дифундують назад в газ. Ще одна відмінність в електропровідності іонізованних газів і розчинів (розплавів) електролітів полягає в тому, що негативний заряд при проходженні струму через гази переноситься в основному не негативними іонами, а електронами, хоча провідність за рахунок негативних іонів також може відігравати певну роль. Таким чином у газах поєднується електронна провідність, подібна провідності металів, з іонною провідністю, подібної провідності водних розчинів і розплавів електролітів.

Несамостійний газовий розряд. Процес проходження електричного струму через газ називається газовим розрядом. Якщо електропровідність газу створюється зовнішніми іонізаторами, то електричний струм, що виникає в ньому, називається несамостійним газовим розрядом. З припиненням дії зовнішніх іонізаторів. Нижче зображено графік залежності сили струму від напруги при несамостійному розряді в газі. Для побудови графіка використовувалась скляна трубка з двома упаяними в скло металевими електродами. Ланцюг зібрана як показано на малюнку нижче. V + -

При деякому певному напруженні настає такий момент, при якому всі заряджені частинки, що утворюються в газі іонізатором за секунду, досягають за цей же час електродів. Подальше збільшення напруги вже не може привести до збільшення числа переносимих іонів. Струм досягає насичення (горизонтальний відрізок графіка 1). I U O

Самостійний газовий розряд. Електричний розряд у газі, що зберігається після припинення дії зовнішнього іонізатора, називається самостійним газовим розрядом. Для його ЗДІЙСНЕННЯ необхідно, щоб в результаті самого розряду в газі безперервно утворювалися вільні заряди. Основним джерелом їх виникнення є ударна іонізація молекул газу. Якщо після досягнення насичення продовжувати збільшувати різницю потенціалів між електродами, то сила струму при досить великій напрузі стане різко зростати (графік 2). U I O

Це означає, що в газі з'являються додаткові іони, які утворюються за рахунок дії іонізатора. Сила струму може зрости в сотні і тисячі разів, а кількість заряджених частинок, що виникаютьу процеси розряду, може стати таким великим, що зовнішній іонізатор буде вже не потрібен для підтримки розряду. Тому іонізатор тепер можна прибрати. Які ж причини різкого збільшення сили струму при великій напрузі? Розглянемо яку або пару заряджених частинок (позитивний іон і електрон), що утворилася завдяки дії зовнішнього іонізатора. З'явився таким чином вільний електрон починає рухатися до позитивного електрода - анода, а позитивний іон - до катода. На своєму шляху електрон зустрічає іони і нейтральні атоми. У проміжках між двома послідовними зіткненнями енергія електрона збільшується за рахунок роботи сил електричного поля. Це означає, що в газі з'являються додаткові іони, які утворюються за рахунок дії іонізатора. Сила струму може зрости в сотні і тисячі разів, а кількість заряджених частинок, що виникаютьу процеси розряду, може стати таким великим, що зовнішній іонізатор буде вже не потрібен для підтримки розряду. Тому іонізатор тепер можна прибрати. Які ж причини різкого збільшення сили струму при великій напрузі? Розглянемо яку або пару заряджених частинок (позитивний іон і електрон), що утворилася завдяки дії зовнішнього іонізатора. З'явився таким чином вільний електрон починає рухатися до позитивного електрода - анода, а позитивний іон - до катода. На своєму шляху електрон зустрічає іони і нейтральні атоми. У проміжках між двома послідовними зіткненнями енергія електрона збільшується за рахунок роботи сил електричного поля.

Чим більше різниця потенціалів між електродами, тим більше напруженість електричного поля. Кінетична енергія електрона перед черговим зіткненням пропорційна напруженості поля і довжині вільного пробігу електрона: Якщо кінетична енергія електрона перевершує роботу A i, яку потрібно зробити, щоб іонізувати нейтральний атом(або молекулу), тобто MV 2> A i, то при зіткненні електрона з атомом (або молекулою) відбувається його іонізація. У результаті замість одного електрона виникають два (налетающий на атом і вирваний з атома). Вони, у свою чергу, отримують енергію у полі і ионизуют зустрічні атоми і т.д.. Внаслідок цього кількість заряджених частинок швидко наростає, виникає електронна лавина. Описаний процес називають іонізацією електронним ударом. MV 2 / 2 = eEl

Але одна іонізація електронним ударом не може забезпечити підтримання самостійного заряду. Дійсно, адже всі виникаючі таким чином електрони рухаються у напрямку до анода і після досягнення анода «вибувають з гри». Для підтримки розряду необхідна емісія електронів з катода («емісія» означає «випускання»). Емісія електрона може бути обумовлена декількома причинами. Позитивні іони, що утворилися при зіткненні електронів з нейтральними атомами, при своєму русі до катода набувають під дією поля велику кінетичну енергію. При ударах таких швидких іонів про катод з поверхні катода вибиваються електрони. Крім того, катод може випускати електрони при нагріванні до великої температури. Цей процес називається термоелектронної емісією. Його можна розглядати як випаровування електронів з металу. У багатьох твердих речовинах термоелектронна емісія відбувається при температурах, при яких випаровування самого речовини ще мало. Такі речовини і використовуються для виготовлення катодів. При самостійному розряді нагрів катода може відбуватися за рахунок бомбардування його позитивними іонами. Якщо енергія іонів не дуже велика, то вибивання електронів з катода не відбувається і електрони випромінюються внаслідок термоелектронної емісії. Але одна іонізація електронним ударом не може забезпечити підтримання самостійного заряду. Дійсно, адже всі виникаючі таким чином електрони рухаються у напрямку до анода і після досягнення анода «вибувають з гри». Для підтримки розряду необхідна емісія електронів з катода («емісія» означає «випускання»). Емісія електрона може бути обумовлена декількома причинами. Позитивні іони, що утворилися при зіткненні електронів з нейтральними атомами, при своєму русі до катода набувають під дією поля велику кінетичну енергію. При ударах таких швидких іонів про катод з поверхні катода вибиваються електрони. Крім того, катод може випускати електрони при нагріванні до великої температури. Цей процес називається термоелектронної емісією. Його можна розглядати як випаровування електронів з металу. У багатьох твердих речовинах термоелектронна емісія відбувається при температурах, при яких випаровування самого речовини ще мало. Такі речовини і використовуються для виготовлення катодів. При самостійному розряді нагрів катода може відбуватися за рахунок бомбардування його позитивними іонами. Якщо енергія іонів не дуже велика, то вибивання електронів з катода не відбувається і електрони випромінюються внаслідок термоелектронної емісії.