Вольт-амперная характеристика металлов. Вольт амперная характеристика металлов

2. Вольт-амперная характеристика контактной системы «металл – полупроводник»

Наличие потенциального барьера на границе металл – полупроводник приводит к тому, что возможно явление выпрямления переменного тока, а ВАХ для постоянного тока будет несимметричной. За положительное напряжение U примем такое напряжение, когда металл имеет положительный потенциал относительно полупроводника. Так как в области объемного заряда L свободных электронов практически нет, то удельное сопротивление этой области очень велико и все внешнее напряжение будет падать в этой области. При U > 0 все уровни в полупроводнике сдвинутся вверх на величину eU (см. рис. 2а). Переход электронов из полупроводника в металл облегчится, высота барьера со стороны полупроводника уменьшится, а со стороны металла высота барьера останется той же самой - ϕМ. Результирующий поток электронов направлен от полупроводника к металлу и увеличивается с ростом внешнего напряжения. При U < 0 все энергетические уровни в полупроводнике сдвинутся вверх на величину eU (см. рис.2б) и высота потенциального барьера со стороны полупроводника увеличится, а со стороны металла вновь не изменится. Вследствие этого поток электронов jП со стороны полупроводника уменьшится, и при увеличении U этот поток станет очень мал. Поэтому через барьер будет проходить только постоянный поток электронов из металла. В общем случае при любой полярности напряжения результирующий ток j = jП– jМ. Из диаграммы, представленной на рис. 2, при любой полярности приложенного напряжения получим:

по-прежнему дается формулой (5).

ток, обусловленный термодинамической эмиссией электронов из полупроводника в металл:

jП = S * A * T2 * exp (-ϕП / kT)

(7а)

jП = S * A * T2 * exp ( (eUК - ϕМ) / kT)

(7б)
уравнение (3) остается справедливым и при наличии внешнего напряжения. Результирующий ток равен:

J = jМ * (exp ( eUК / kT) - 1),

(8)

где jМ дается формулой (5).

Используя уравнение (3), можно записать для тока:

	jМ = S * A * T2 * exp (-ϕМ / kT)	(9а)
	jМ = S * A * T2 * exp ( - (eUК + F) / kT)	(9б)

Вольт-амперная характеристика (ВАХ), построенная по уравнению (8), показана на рис. 3 (кривая 1). При eU >> kT ток быстро (экспоненциально) растет. При eU >> kT (но U < 0) ток становится постоянным jS ≡ jМ, то есть не зависящим от U, и малым. Этот ток jS получил название тока насыщения.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика выпрямляющего контакта полупроводника с металлом

1 – диодная теория; 2 – диффузионная теория

Приведенный вывод ВАХ получил название диодной теории. Эта теория справедлива, если токи jМ и jП обусловлены термоэлектронной эмиссией, когда электроны вылетают из металла или полупроводника с тепловыми скоростями υT. В рассматриваемом случае эти электроны вылетают не в вакуум, а должны пролететь через слой объёмного заряда толщиной L без столкновений с атомами решетки полупроводника. Если же длина свободного пробега электрона l значительно меньше толщины барьера L (l << L), то электрон в процессе перехода испытывает много столкновений с решеткой и быстро теряет свою тепловую скорость направленного движения. Электрон будет двигаться через барьер под действием электрического поля напряжённостью E с дрейфовой скоростью

где μ – подвижность электронов.

Величина токов будет определяться формулой:

J = S ⋅ e ⋅μ ⋅ n(x) ⋅ E(x),

(11)

где поле E(x) и концентрация n(x) электронов может зависеть от координаты x.

Так будет в области барьера, где объемный заряд, обусловленный контактной разностью потенциалов, делает поле E(x) неоднородным. Ток, протекающий через полупроводник, должен быть одинаков в любом поперечном сечении полупроводника. Согласно статистике электронов в энергетических зонах полупроводника известно, что концентрация электронов в зоне проводимости равна:

	n = NС * exp ( - (ЕС - ЕП) / kT),	(12а)
	n = NС * exp ( - F / kT),	(12б)

где NC – эффективная плотность состояний в зоне проводимости полупроводника.

При отсутствии внешнего напряжения, вблизи границы F = EС − EП = ϕМ Поэтому концентрация свободных электронов в полупроводнике у самой границы (при x = 0):

n s = NС * exp ( - ϕМ / kT).

(13)

Как видно из рис. 2а и 2б, величина ns не изменяется при приложении внешнего напряжения любой полярности, так как около границы величина F = EC– EП= ϕМ от напряжения U не зависит. Напряженность электрического поля Es в полупроводнике около границы с металлом (при x = 0) равна

E s = (U + Uк) / L.

(14)

так как в этом случае поля, создаваемые внешним напряжением U и контактной разностью потенциалов UК складываются.

При U = 0 в состоянии динамического равновесия результирующий токj = jП - jМ = 0 . Из уравнений (11), (13) и (14) при U = 0 получим:

	Js = S * e μ ns * Es,	(15а)
	Js = S * e μ Ns * (Ux / L) * exp (-ϕМ / kT).	(15б)

Эти уравнения определяют ток, создаваемый потоком электронов из полупроводника в металл под действием контактного поля EК = Uк / L . Но при равновесии jП = jМ . Последнее значит, что из металла в полупроводник течёт такой же электронный ток jМ , но он имеет диффузионную природу, так как в слое объёмного заряда n = n(x) – концентрация свободных электронов зависит от координаты. При подаче напряжения U из тех же уравнений (11), (13) и (14) получим, что диффузионный поток электронов из металла через барьерный слой в полупроводнике создает ток

Js = S * e *μ * Ns * ((Uк + U) / L) * exp (-ϕМ / kT).

(16)

Видно, что напряжение U увеличивает диффузионный ток (сравните уравнения (14) и (15)). Связано это с тем, что напряжение U изменяет вид распределения n(x). Однако обратный поток электронов из полупроводника в металл j изменяется из-за изменения высоты потенциального барьера со стороны полупроводника под влиянием напряжения U.

JП = JМ * exp (e U / kT).

(17)

В итоге результирующий ток j = j П − j М будет равен:

J = JS * (exp (e U / kT) - 1),

(18)

что по форме совпадает с уравнением (8), но только ток насыщения jS определяется не уравнением (9), а уравнением (16). Используя (3), получим:

Js = S * e *μ * Ns * ((Uк + U) / L) * exp (- (eU + F) / kT).

(19)

Рассмотренная теория получила название диффузионной теории. ВАХ, даваемая уравнением (16), показана на рис. 3 (кривая 2). Ток «насыщения» jS из (14) теперь зависит от приложенного напряжения, что часто наблюдается экспериментально.

В литературных источниках уравнение (19) принято представлять в виде:

Js = S * e *μ * n0 * ((Uк + U) / L) * exp (- eUк / kT),

где n0 = Ns * exp (- F / kT) (n0 – концентрация свободных электронов в глубине полупроводника (при x > L)).

(20)

В заключение отметим, что слой объёмного заряда L получил название запирающего слоя, а потенциальный барьер – барьера Шоттки. Напряжение U > 0 называется прямым, а U < 0 – обратным. Поэтому соответственно говорят о прямых и обратных токах через контакт.

Одностороннюю проводимость контактов металл – полупроводник используют для изготовления полупроводниковых усилителей переменного тока. Для выпрямления технических токов низкой частоты (f = 50 Гц) широко применяют селеновые выпрямители, в которых запирающий слой образуется у границы слоя Se и металлического электрода. Металлический электрод обычно состоит из сплава различных металлов (например, Bi, Cd и Sn). Для выпрямления токов высокой частоты применяют германиевые и кремниевые «точечные» СВЧ-детекторы. К пластине полупроводника прижимается или приваривается металлическая проволока малого диаметра (микроны).

Контактные системы типа «металл – полупроводник» широко используют для создания быстродействующих нелинейных элементов, которые часто называются диодами Шоттки. В уравнениях (8) диодной теории и (17) диффузионной теории величины токов jП и js определяются при U → 0 . Воспользуемся уравнением вольт-амперной характеристики диффузионной теории и определим дифференциальное сопротивление p-n перехода при очень малых значениях напряжения.

ln R = (eUк / kT) + lnA,

где А = ln j0 + ln(Uк / L) + ln(kT / e).

(21)

Графическая зависимость ln R – 1/Tпозволяет определить величину контактной разности потенциаловUк:

(Δ ln R) / (Δ 1 / T) = eUк / k.

(22)

Тангенс угла наклона экспериментальной зависимости ln R – 1/T , домноженный на параметр ke, дает значение Uк.

Uк = ((k /e) * (Δ ln R)) / (Δ 1 / T)

(23)

Если все величины имеют размерность системы СИ, то величина контактной разности потенциалов Uк выражена в вольтах.

Описание экспериментальной установки

Установка для определения контактной разности потенциалов представляет собой мостовую схему (рис. 4). В качестве нулевого прибора используется узкополосный усилитель, настроенный на частоту 50 Гц. На выходе этого усилителя включен ламповый индикатор настройки. Момент балансировки моста отмечается по максимальному раскрытию сектора индикатора. Температура измеряется контактным термометром. При прямом включении диода менять напряжение до 1 В. Переключатель выпрямителя должен находиться в положении 6 В. Напряжение регулируется потенциометром выпрямителя. При обратном включении диода менять напряжение до 100 В (при высоких температурах – до 70 0С) ручкой потенциометра на плате (4,7 МОм). Переключатель выпрямителя должен находиться в положении «300 В.»

Рис. 4. Мостовая схема измерения контактной разности потенциалов.

R1, R2 – эталонные сопротивления; 3 RМ – потенциометр Р33; R0 – Д2Ж (германиевый точечный диод)

studfiles.net

Вольт-амперная характеристика металлов. — Студопедия.Нет

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 7Следующая ⇒

Сила тока в проводниках по закону Ома прямо пропорциональна напряжению. Такая зависимость имеет место для проводников со строго заданным сопротивлением ( для резисторов).

Тангенс угла наклона графика равен проводимости проводника. Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению

где G - проводимость.

Но так как сопротивление металлов зависит от температуры, то вольт-амперная характеристика металлов не является линейной.

Билет 28

Магнитное поле — особый вид материи. Его источником является любое переменное электрическое поле.

Магнитное поле является силовым полем. Силовой характеристикой магнитного поля называют магнитную индукцию ( ). Магнитная индукция — это некторная физическая величина, равная максимальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока: . Единичный элемент тока — это проводник длиной 1 м и силой тока в нем 1 А. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл). .

Магнитное поле является вихревым полем. Для графического изображения магнитных полей вводятся силовые линии, или линии магнитной индукции, — это такие линии, в каждой точке которых вектор магнитной индукции направлен по касательной. Направление силовых линий находится по правилу буравчика. Если буравчик ввинчивать по направлению тока в проводнике, то направление вращения рукоятки совпадет с направлением силовых линий.

Напряженность магнитного поля [H] – это отношение магнитной индукции к магнитной проницаемости среды

Билет 29

Закон Био́—Савара—Лапла́са — физический закон для определения вектора индукции магнитного поля, порождаемого постояннымэлектрическим током. Был установлен экспериментально в 1820 году Био и Саваром и сформулирован в общем виде Лапласом. Лаплас показал также, что с помощью этого закона можно вычислить магнитное поле движущегося точечного заряда (считая движение одной заряженной частицы током).

Билет 30

Если близко один к другому расположены проводники с токами одного направления, то магнитные линии этих проводников, охватывающие оба проводника, обладая свойством продольного натяжения и стремясь сократиться, будут заставлять проводники притягиваться Магнитные линии двух проводников с токами разных направлений в пространстве между проводниками направлены в одну сторону. Магнитные линии, имеющие одинаковое направление, будут взаимно отталкиваться. Поэтому проводники с токами противоположного направления отталкиваются один от другого.

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 94; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

studopedia.net

3.1. Вольт-амперная характеристика

Для любого электрического прибора важна зависимость между током через прибор и приложенным напряжением. Зная эту зависимость, можно определить ток при заданном напряжении или, наоборот, напряжение, соответствующее заданному току.

Если сопротивление прибора постоянно, не зависит от тока или напряжения, то связь между током и напряжением выражается законом Ома:

i = u/R или i = Gu. (3.1)

Ток прямо пропорционален напряжению. Коэффициентом пропорциональности является проводимость G = 1/R.

График зависимости между током и напряжением называется вольт-амперной характеристикой данного прибора или просто характеристикой. Для прибора, подчиняющегося закону Ома, характеристикой является прямая линия, проходящая через начало координат (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Вольт-амперная характеристика линейного прибора

Чем больше сопротивление R, тем меньше проводимость G и тем меньше ток при данном напряжении. Поэтому для больших сопротивлений характеристика идет более полого. Сопротивление R связано с углом наклона а характеристики зависимостью

R = u/i = k ctg a, (3.2)

где к — коэффициент пропорциональности, учитывающий единицы величин, входящих в формулу, и масштаб, в котором значения величин отложены на осях.

Иначе можно написать:

G= 1/Д = j/u =/с'ig ос, (3.3)

где к' = 1/к.

Заметим, что нельзя писать R = ctg a или G = tg а, так как R и G — физические величины, имеющие определенную размерность и единицы для количественной оценки, a tg а и ctg а — тригонометрические функции, выражаемые только числом. Кроме того, в зависимости от масштаба на осях угол а при данном R может быть различным.

Приборы, принцип действия которых подчиняется1 закону Ома, а вольт-амперная характеристика имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат, называются линейными.

Существуют также приборы, у которых сопротивление не постоянно, а зависит от напряжения или тока. Для таких приборов связь между током и напряжением выражается не законом Ома, а более сложным образом и вольт-амперная характеристика , не является прямой линией, проходящей через начало координат. Эти приборы называются нелинейными.

Электронно-дырочный переход, по существу, представляет собой полупроводниковый диод. Нелинейные свойства диода видны при рассмотрении его вольт-амперной характеристики. Пример такой характеристики для диода небольшой мощности дан на рис. 3.2. Она показывает, что прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении в десятые доли вольта. Поэтому прямое сопротивление бывает обычно не выше нескольких десятков ом. Для более мощных диодов прямой ток составляет сотни миллиампер и

Рис. 3.2. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

больше при том же малом напряжении, a Rnp соответственно снижается до единиц и долей ома.

Характеристику для обратного тока, малого по сравнению с прямым током, обычно показывают в другом масштабе, что и сделано на рис. 3.2. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет единицы или десятки микроампер. Это соответствует сопротивлению несколько сотен килоом и больше. Так как иобр » ипр, то эти напряжения также отложены в разных масштабах. Вследствие различия в масштабах получился излом кривой в начале координат. При неизменном масштабе характеристика была бы плавной кривой, без излома.

Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную , нелинейность, так как при увеличении мпр сопротивление запирающего слоя уменьшается. Поэтому кривая идет со все большей крутизной. Но при напряжении в десятые доли вольта запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление п- и р-областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится почти линейной. Небольшая нелинейность здесь объясняется тем, что при увеличении тока п- и р-области нагреваются и от этого их сопротивление уменьшается.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро воз-

растает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток io6p = 1дР — 1ДИф резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно. Рост тока происходит вследствие нагрева перехода* за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения носителей заряда, т. е. увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации. Явление ударной ионизации состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, в свою очередь, разгоняются нолем и также выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.

При некотором значении обратного напряжения возникает пробой п — р-пере-хода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается. Следует различать электрический и тепловой пробой п — р-перехода. Электрический пробой, области которого соответствует на рис. 3.2 участок АБВ характеристики, является обратимым, т. е. при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушения структуры вещества). Поэтому работа диода в режиме электрического пробоя допустима. Специальные диоды для стабилизации напряжения — полупроводниковые стабилитроны — работают на участке БВ характеристики. Могут существовать два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для п — р-переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в

полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью более 105 В/см, действующем в п — р-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт. Более подробно туннельный эффект рассматривается в гл. 8.

Области теплового пробоя соответствует на рис. 3.2 участок ВГ. Тепловой пробой необратим, так как он сопровождается разрушением структуры вещества в месте п — р-перехода. Причиной теплового пробоя является нарушение устойчивости теплового режима и —р-перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количество теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению.

studfiles.net

электрический ток в различных средах

на главную

Официальный сайт АНО ДО Центра "Логос", г.Глазов

http://logos-glz.ucoz.net/

ГОТОВИМСЯ К УРОКУ

Кинематика

Динамика

МКТ

Термодинамика

Электростатика

Электрический ток

Электрический ток в средах

Магнитное поле Электромагнитная индукция

Оптика

Методы познания

Электрический ток в различных средах немного о физике:

Электрическим током называют всякое упорядоченное движение электрических зарядов. Электрический ток может проходить через различные вещества при определенных условиях. Одним из условий возникновения электрического тока является наличие свободных зарядов, способных двигаться под действием электрического поля.

Поэтому в этом разделе мы попытаемся установить, какие частицы, переносят электрический заряд в различных средах.

Электрический ток в металлах.

Металлы состоят из положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки и совокупности свободных электронов. Вне электрического поля свободные электроны движутся хаотически, подобно молекулам идеального газа, а потому рассматриваются в классической электронной теории как электронный газ.

Под действием внешнего электрического поля меняется характер движения свободных электронов внутри металла. Электроны, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля.

Следовательно, электрический ток в металлах - это упорядоченное движение электронов.

Сила тока в металлическом проводнике определяется по формуле:

где I - сила тока в проводнике, e - модуль заряда электрона, n0 - концентрация электронов проводимости, - средняя скорость упорядоченного движения электронов, S - площадь поперечного сечения проводника.

Плотность тока проводимости численно равна заряду, проходящему за 1с через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению тока.

где j - плотность тока.

У большинства металлов практически каждый атом ионизирован. А так как концентрация электронов проводимости одновалентного металла равна

где Na - постоянная Авогадро, A - атомная масса металла, ρ - плотность металла,

то получаем что концентрация определяется в пределах 1028 - 1029 м-3.

Закон Ома для однородного участка цепи:

где U - напряжение на участке, R - сопротивление участка.

Для однородного участка цепи:

где ρУ- удельное сопротивление проводника, l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения проводника.

Удельное сопротивление проводника зависит от температуры и эта зависимость выражается соотношением:

ρу = ρоу ( 1 + α ∆Т )

где ρоу - удельное сопротивление металлического проводника при температуре Т =273К, α - термический коэффициент сопротивления, ∆Т = Т - То - изменение температуры.

Вольт-амперная характеристика металлов.

где G - проводимость.

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов.

Явление распада молекул солей, щелочей и кислот в воде на ионы противоположных знаков называют электролитической диссоциацией. Полученные в следствие распада ионы служат носителями заряда в жидкости, а сама жидкость становятся проводником.

Вне электрического поля ионы движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля ионы, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля: катионы к катоду, анионы - к аноду.

Следовательно, электрический ток в растворах (расплавах) электролитов - это направленное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

Прохождение электрического тока через раствор электролита всегда сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в его состав. Это явление называют электролизом.

При движении внутри электролитов ионы взаимодействуют с молекулами воды и другими ионами, т.е. электролиты оказывают некоторое противодействие движению, а, следовательно, обладают сопротивлением. Электрическое сопротивление электролитов зависит от концентрации ионов, величины заряда иона, от скорости движения ионов обоих знаков.

Сопротивление электролитов так же определяется по формуле:

где ρУ- удельное сопротивление электролита, l - длина жидкого проводника, S - площадь поперечного сечения жидкого проводника.

При увеличении температуры электролита уменьшается его вязкость, что ведет к увеличению скорости движения ионов. Т.е. при повышении температуры сопротивление электролита уменьшается.

Законы Фарадея.

1. Масса вещества, выделяемого на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит.

где m - масса вещества, выделяющегося на электроде, k - электрохимический эквивалент, q - заряд, прошедший через электролит.

2. Электрохимический эквивалент вещества прямо пропорционален его химическому эквиваленту.

где М- молярная масса вещества, F- постоянная Фарадея, z - валентность иона.

постоянная Фарадея численно равна заряду, который должен пройти через электролит, чтобы выделить из него массу вещества, численно равную химическому эквиваленту.

Объединенный закон Фарадея.

Электрический ток в газах.

При нормальных условиях газы состоят из нейтральных молекул, а поэтому являются диэлектриками. Так как для получения электрического тока необходимо наличие заряженных частиц, то молекулы газа следует ионизировать (оторвать электроны от молекул). Для ионизации молекул необходимо затратить энергию - энергию ионизации, количество которой зависит от рода вещества. Так, энергия ионизации минимальна для атомов щелочных металлов, максимальна - для инертных газов.

Ионизировать молекулы можно при нагревании газа, при облучении его различного рода лучами. Благодаря дополнительной энергии возрастает скорость движения молекул, нарастает интенсивность их теплового движения и при соударении отдельные молекулы теряют электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы.

Электроны, оторвавшись от молекулы могут присоединятся к нейтральным молекулам, образуя при этом отрицательно заряженные ионы.

Следовательно, при ионизации появляются три типа носителей зарядов: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны.

Под действием внешнего электрического поля ионы обоих знаков и электроны движутся в направлении действия сил электрического поля: положительные ионы к катоду, отрицательные ионы и электроны - к аноду. Т.е. электрический ток в газах - это упорядоченное движение ионов и электронов под действием электрического поля.

Вольт- амперная характеристика газов.

Зависимость силы тока от напряжения выражена кривой ОАВС.

На участке графика ОА сила тока подчиняется закону Ома. При малом напряжении сила тока мала, т.к. ионы двигаясь с малыми скоростями рекомбинируют, не достигая электродов. При увеличении напряжения между электродами скорость направленного движения электронов и ионов возрастает, поэтому большая часть заряженных частиц достигает электродов, а, следовательно возрастает сила тока.

При определенном значении напряжения U1 все ионы имеют достаточные скорости и, не рекомбинируя, достигают электродов. Ток становится максимально возможным и не зависит от дальнейшего увеличения напряжения до значения U2. Такой ток называют током насыщения, и ему соответствует участок графика АВ.

При напряжении U2 в несколько тысяч вольт скорость электронов, возникающих при ионизации молекул, а следовательно, их кинетическая энергия значительно увеличиваются. И когда кинетическая энергия достигает значения энергии ионизации, электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами, ионизируют их. Дополнительная ионизация приводит к лавинообразному увеличению количества заряженных частиц, а следовательно и к значительному увеличению силы тока без воздействия внешнего ионизатора. Прохождение электрического тока без воздействия внешнего ионизатора называют самостоятельным разрядом. Такая зависимость выражена участком графика АС.

Электрический ток в вакууме.

В вакууме отсутствуют заряженные частиц, а следовательно, он является диэлектриком. Т.е. необходимо создать определенные условия, которые помогут получить заряженные частицы.

Свободные электроны есть в металлах. При комнатной температуре они не могут покинуть металл, т. к. удерживаются в нем силами кулоновского притяжения со стороны положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону необходимо затратить определенную энергию, которая называется работой выхода. Энергию, большую или равную работе выхода, электроны могут получить при разогреве металла до высоких температур.

При нагревании металла количество электронов с кинетической энергией, большей работы выхода, увеличивается, поэтому из металла вылетает большее количество электронов. Испускание электронов из металлов при его нагревании называют термоэлектронной эмиссией. Для осуществления термоэлектронной эмиссии в качестве оного из электродов используют тонкую проволочную нить из тугоплавкого металла (нить накала). Подключенная к источнику тока нить раскаляется и с ее поверхности вылетают электроны. Вылетевшие электроны попадают в электрическое поле между двумя электродами и начинают двигаться направленно, создавая электрический ток.

Явление термоэлектронной эмиссии лежит в основе принципа действия электронных ламп: вакуумного диода, вакуумного триода.

Вакуумный диод Вакуумный триод

Вольт-амперная характеристика вакуумного диода.

Зависимость силы тока от напряжения выражена кривой ОАВСD.

При испускании электронов катод приобретает положительный заряд и поэтому удерживает возле себя электроны. При отсутствии электрического поля между катодом и анодом, вылетевшие электроны образуют у катода электронное облако.

По мере увеличения напряжения между анодом и катодом большее количество электронов устремляется к аноду, а следовательно сила тока увеличивается. Эта зависимость выражена участком графика ОАВ. Участок АВ является характеризует прямую зависимость силы тока от напряжения, т.е. в интервале напряжений U1 - U2 выполняется закон Ома.

Нелинейная зависимость на участке ВСD объясняется тем, что число электронов, устремляющихся к аноду, стает больше числа электронов, вылетающих с катода.

При достаточно большом значении напряжения U3все электроны, вылетающие с катода, достигают анода, и электрический ток достигает насыщения.

Так же в качестве источника заряженных частиц можно использовать радиоактивный препарат, испускающий α-частицы.Под действием сил электрического поля α-частицы будут двигаться, т.е. возникнет электрический ток.

Таким образом, электрический ток в вакууме может быть создан упорядоченным движением любых заряженных частиц (электронов, ионов).

Электрический ток в полупроводниках.

Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых убывает с увеличением температуры и зависит от наличия примесей и изменения освещенности. Удельное сопротивление проводников при комнатной температуре находится в интервале от 10-3 до 107 Ом ·м. Типичными представителями полупроводников являются кристаллы германия и кремния.

В этих кристаллах атомы соединены между собой ковалентной связью. При нагревании ковалентная связь нарушается, атомы ионизируются. Это обуславливает возникновение свободных электронов и "дырок"- вакантных положительных мест с недостающим электроном.

При этом электроны соседних атомов могут занимать вакантные места, образуя "дырку" в соседнем атоме. Таким образом не только электроны, но и "дырки" могут перемещаться по кристаллу. При помещении такого кристалла в электрическое поле электроны и дырки придут в упорядоченное движение - возникнет электрический ток.

Собственная проводимость.

В чистом кристалле электрический ток создается равным количеством электронов и "дырок". Проводимость, обусловленную движением свободных электронов и равного им количества "дырок" в полупроводниковом кристалле без примесей, называют собственной проводимостью полупроводника.

При повышении температуры собственная проводимость полупроводника увеличивается, т.к. увеличивается число свободных электронов и "дырок".

Примесная проводимость.

Проводимость проводников зависит от наличия примесей. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь - примесь с большей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния донорной примесью является пятивалентный мышьяк. Четыре валентных электрона атома мышьяка участвуют в создании ковалентной связи, а пятый станет электроном проводимости.

При нагревании нарушается ковалентная связь, возникают дополнительные электроны проводимости и "дырки". Поэтому в кристалле количество свободных электронов преобладает над количеством "дырок". Проводимость такого проводника является электронной, полупроводник является полупроводником n-типа. Электроны являются основными носителями заряда, "дырки" - неосновными.

Акцепторная примесь - примесь с меньшей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния акцепторной примесью является трехвалентный индий. Три валентных электрона атома индия участвуют в создании ковалентной связи с тремя атомами кремния, а на месте четвертой незавершенной ковалентной связи образуется "дырка".

При нагревании нарушается ковалентная связь, возникают дополнительные электроны проводимости и "дырки". Поэтому в кристалле количество "дырок" преобладает над количеством свободных электронов. Проводимость такого проводника является дырочной, полупроводник является полупроводником p-типа. "Дырки" являются основными носителями заряда, электроны - неосновными.

p-n переход.

При контакте полупроводников p-типа и n-типа через границу происходит диффузия электронов из n-области в p-область и "дырок" из p-области в n-область. Это приводит к возникновению запирающего слоя, препятствующего дальнейшей диффузии. p-n переход обладает односторонней проводимостью.

При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p-область была соединена с положительным полюсом , а n-область - с отрицательным полюсом, появляется движение основных носителей зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в прямом направлении.

При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p-область была соединена с отрицательным полюсом , а n-область - с положительным полюсом, толщина запирающего слоя увеличивается, и движение основных носителей зарядов через контактный слой прекращается, но может иметь место движение неосновных зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в обратном направлении.

Принцип действия полупроводникового диода основан на свойстве односторонней проводимости p-n перехода. Основное применение полупроводникового диода - выпрямитель тока.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость силы тока от напряжения выражена кривой АОВ.

Ветвь ОВ соответствует пропускному направлению тока, когда ток создается основными носителями зарядов, и при увеличении напряжения сила тока возрастает. Ветвь АО соответствует току, созданному неосновными носителями зарядов, и значения силы тока невелики.

nika-fizika.narod.ru

Электрический ток в различных средах

Одно из важнейших определений физики гласит, что электрический ток - это любое упорядоченное движение частиц, имеющих какой-либо заряд. Из этого можно сделать вывод, что для того, чтобы электрический ток появился, необходимо наличие в металле, жидкости или каком-либо другом материале свободных электронов или ионов, которые и будут двигаться под воздействием электромагнитного поля. В то же время электрический ток в различных средах будет обладать определенными особенностями, из-за чего его протекание в каждой из них будет отличаться.

Если рассматривать особенности формирования и протекания электрического тока в металлах, то прежде всего стоит обратить внимание на само строение металлов, которое представляет собой кристаллическую решетку. При этом в узлах этой решетки располагаются ионы с положительным зарядом, а в пространстве между этими узлами в хаотическом порядке двигаются электроны с отрицательным зарядом. Если создать вокруг металла электрическое поле, то движение электронов примет более упорядоченный характер. Можно сделать вывод, что по отношению к металлам электрический ток - это направленное движение именно электронов.

Основной характеристикой протекания электротока в металлах является вольт-амперное выражение, известное как закон Ома. Согласно этому закону, сила тока находится в прямой зависимости от напряжения и в обратной зависимости от сопротивления. Анализируя электрический ток в различных средах, стоит особое внимание уделить его формированию и протеканию в жидкой среде.

Электрический ток в электролитах возникает вследствие реакции, получившей название электролитической диссоциации. Суть ее состоит в распаде молекул щелочей, солей или кислот на положительные и отрицательные заряженные ионы, которые и становятся носителями электрического заряда в жидкостях. Все дело в том, что, когда на раствор начинает действовать электромагнитное поле, хаотическое движение ионов превращается в упорядоченное. При этом положительные ионы начинают двигаться к электроду, имеющему отрицательный заряд, а отрицательные – к имеющему положительный заряд. Таким образом, в отличие от тех же металлов, электрический ток в электролитах является упорядоченным движением ионов. Кроме того, стоит отметить, что во время прохождения этих ионов через раствор на электродах всегда происходит образование веществ, которые являются структурными компонентами этого раствора, будь то щелочь, кислота или соль. Это явление, называемое электролизом, активно используется на промышленных предприятиях для получения чистых металлов, а также для покрытия и полировки тех или иных изделий.

Рассматривая электрический ток в различных средах, в частности, в металлах и в жидкостях, мы указывали на то, что в этих веществах уже имеются свободные ионы или электроны. А что происходит с газом, который, как известно, состоит из нейтральных молекул? Электрический ток без свободных частиц с отрицательным или положительным зарядом невозможен, поэтому для начала газ необходимо ионизировать, то есть создать в нем заряженные частицы. Затраченная для этого энергия будет являться энергией ионизации, которая достигает максимальных значений у инертных газов, а минимальных – у атомов щелочных металлов. Ионизация газа приводит к тому, что в нем образуется три различных вида заряженных частиц – имеющие отрицательный заряд электроны, а также положительные и отрицательные ионы. Все эти частицы под воздействием внешнего поля начинают упорядоченно двигаться, соблюдая тот же принцип, что и при движении ионов в жидкостях. Таким образом, электроток в газах представляет собой направленное движение как ионов (положительных и отрицательных), так и электронов.

Делая вывод, можно отметить следующее: электрический ток в различных средах имеет свои особенности, которые широко используются в различных сферах народного хозяйства, а также в научно-исследовательских экспериментах.

fb.ru

Электрический Ток в Металлах

Носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.

На основании электронной проводимости в металлах можно вывести закон Ома. Кинетическая энергия электрона к моменту соударения его в конце свободного пробега (свободный пробег электрона - расстояние между двумя соседними ударами)

Обозначим время свободного пробега (интервал времени, за которое электрон проходит длину свободного пробега) через т. Все электроны проводимости, которые имеются в участке проводника длиной l и сечением S, приобретают энергию, равную

где v- скорость электрона перед его столкновением с ионом. Средняя скорость Г7 направленного движения в результате действия электрического стационарного поля будет равна

Считаем, что движение электрона между ударами равноускоренное. В формулу, выражающую силу тока через микроскопические величины (I = neSv), подставим

получим: 2I = neSv. Из этого выражения находим:

которое подставим в формулу (3.18) и получим:

В выражение (3.19) все величины, стоящие перед I, не зависят от напряжения и поэтому:

Таким образом, сила тока пропорциональна напряжению. Вольт-амперная характеристика для металлов представлена на рис. 53.

Зная силу тока I, заряд электрона е, площадь поперечного сечения проводника и концентрацию электронов, можно определить скорость упорядоченного движения электронов, так называемую дрейфовую скорость.

sfiz.ru

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) - Практическая электроника

Вах вах вах… Это выражение встречается не только у народов Кавказа, но в радиоэлектронике. ВАХ — это вольтамперная характеристика, а если точнее, зависимость тока от напряжения в каком либо простецком радиоэлементе. Это может быть резистор, диод, транзистор и другие радиоэлементы.

Думаю, не все, кто читает эту статью, хорошо учились в школе :-). Поэтому давайте разберемся, что представляет из себя зависимость одной величины от другой. Как Вы все помните из школы, в классе пятом-шестом мы строили графики, зависимость игрек (У) от икс (Х). Та переменная, которая зависит от другой переменной, мы откладывали по вертикали, а та, которая независима — по горизонтали. И получается у нас вот такая система отображения зависимости «У» от «Х»:

Не утомил еще я Вас математикой ? 🙂 Так вот, мои дорогие читатели, в электронике, чтобы описать зависимость тока от напряжения, вместо «У» у нас будет Сила тока, а вместо Х — Напряжение. И система отображения у нас будет выглядеть вот так:

Вот теперь мы можем в этой системе строить графики зависимости тока от напряжения для радиоэлементов. Давайте попробуем начертить график зависимости тока от напряжения для резистора? Для того, чтобы начертить этот график, нам потребуется пропускать через резистор напряжение, и смотреть одновременно значение тока. С помощью крутилки я добавляю напряжение и записываю значения силы тока для каждого значения напряжения. Для этого берем блок питания , резистор и начинаем делать замеры:

Вот у нас появилась первая точка на графике. U=0,I=0.

Вторая точка: U=2.6, I=0.01

Третья точка: U=4.4, I=0.02

Четвертая точка: U=6.2, I=0.03

Пятая точка: U=7.9, I=0.04

Шестая точка: U=9.6, I=0.05

Седьмая точка: U=11.3, I=0.06

Восьмая точка: U=13, I=0.07

Девятая точка: U=14.7, I=0.08

Давайте построим график по этим точкам:

Опа на! Да у нас получилась почти прямая линия! То, что она чуть кривая, связана с погрешностью измерений и погрешностью самого прибора. Следовательно, так как у нас получилась прямая линия, то значит такие элементы, как резисторы называются элементами с линейной вольтамперной характеристикой.

Как Вы знаете, диод пропускает электрический ток в одном направлении, и не пропускает в другом направлении. Это свойство диода мы используем в Диодных мостах, а также для проверки диода мультиметром. Давайте построим ВАХ для диода. Берем блок питания, цепляем его к диоду (плюс на анод, минус на катод) и начинаем точно также делать замеры.

Первая точка: U=0,I=0.

Вторая точка: U=0.4, I=0.

Третья точка: U=0.6, I=0.01

Четвертая точка: U=0.7,I=0.03

Пятая точка: U=0.8,I=0.06

Шестая точка: U=0.9,I=0.13

Седьмая точка: U=1, I=0.37

Строим график по полученным значениям:

Ничего себе загибулина :-). Вот это и есть вольт амперная характеристика диода. На графике мы не видим прямую линию, поэтому такая вольтамперная характеристика называется НЕлинейной. Для каждого диода своя ВАХ, где то она круче, где то ближе к оси силы тока I. Для кремниевых диодов она начинается со значения 0,5-0,7 Вольт, для диодов, сделанных из вещества германия ВАХ начинается со значения 0,3-0,4 Вольта.

Давайте же рассмотрим подробнее ВАХ диода.

Общая ВАХ диода выглядит вот так:

На графике, на котором мы с Вами сами строили ВАХ диода, мы начертили только правую часть графика. Почему? Давайте рассмотрим характеристику диода, который мы с Вами пытали. Он называется КД411АМ. Ищем его характеристики в инете.

Обратное максимальное напряжение Uобр — это такое напряжение диода, которое он выдерживает при подключении в обратном направлении, при этом через него будет протекать ток Iобр — сила тока при обратном подключении диода. При превышении обратного напряжения в диоде возникает так называемый лавинный пробой, в результате этого резко возрастает ток, что может привести к полному тепловому разрушению диода. В нашем исследуемом диоде это напряжение 700 Вольт. Поэтому я бы никак не смог показать вам лавинный пробой с помощью своего блока питания, который выдает максимум 15 Вольт. Максимальный прямой ток Iпр — это максимальный ток, который может течь через диод. В нашем случае это 2 Ампера. Так как у нас зависимость тока от напряжения, следовательно ток зависит от напряжения :-). Если продолжить ветку ВАХ на нашем графике, то можно сказать, что прямое напряжение не должно превышать на таком диоде приблизительно 1,4 Вольта. Так же есть такой параметр, как максимальная частота F, которую нельзя превышать. Если скажем у нас в сети частота 50 Гц, то в некоторых безделушках и приборах с помощью разных схем увеличивают частоту до Гигагерц. В таких схемах такой диод использовать нельзя, потому как его максимальная частота, при котором он может эксплуатироваться, это 30 000Гц.

Стабилитроны же работают в режиме лавинного пробоя. Выглядят они также, как и диоды, поэтому надо обязательно читать маркировку и смотреть в справочниках, чтобы точно знать, что за радиоэлемент перед вами.

То есть мы подключаем его как диод в обратном направлении: на анод минус, а на катод — плюс. В результате этого напряжение на стабилитроне остается почти таким же, а сила тока может меняться в зависимости от подключаемой нагрузки на стабе. Как говорят электронщики, мы используем в стабилитроне обратную ветвь ВАХ

Подробнее про работу стабилитрона можно почитать в этой статье.

ВАХ — очень удобная вещь. Взглянув на нее, можно с легкостью сказать, как поведет себя тот или иной радиоэлемент в схеме. ВАХ строится также для транзисторов, грубо говоря, для каждого вывода, а также для других разновидностей диодов: динисторов, тиристоров, симисторов. Все эти элементы с нелинейной ВАХ, поэтому они называются нелинейными. Прежде, чем использовать в схемах какой-либо диод, гляньте его характеристики, и конечно же ветку ВАХ. ВАХ — это как для гостей Москвы карта метро 🙂

www.ruselectronic.com

Каталог товаров

	jП = S * A * T2 * exp (-ϕП / kT)	(7а)
	jП = S * A * T2 * exp ( (eUК - ϕМ) / kT)	(7б)