Лекція №3 Електричний струм. Електричний струм у вакуумі. Електричний струм у газах



Скачати 129.32 Kb.
Дата конвертації03.12.2016
Розмір129.32 Kb.




Лекція №3 Електричний струм.
1. Електричний струм у вакуумі.

2. Електричний струм у газах.

3. Електричний струм у напівпровідниках.
Література: 1. Ф.Є. Євдокімов. Теоретичні основи електротехніки. Київ-Донецьк “Вища школа” 1983 р. стр. 26-36.

2. В.С. Попов. Теоретична електротехніка. Москва. “Енергія” 1975 р. стр.27-30.


1) В сучасній техніці широко примінюються електровакуумні прилади (електронні лампи,вакуумні прилади), в яких забезпечуються умови для виникнення і підтримання електричного струму в середовищі, що не має електропровідності.

Розглянемо двохелектродну лампу (діод), схему якої надано на мал.10.



R
А
+

Е

-




K
(а) (б)

Мал.10. Схема для добування струму у вакуумі (а) та потенціальний бар’єр на межі метал-вакуум (б).


Два металеві електроди знаходяться всередині скляного або металевого балону з якого викачане повітря, мають виводи назовні, це дає змогу підвести до них електричну напругу. Один електрод під’єднаний до негативного полюса джерела живлення і називається катодом, другий електрод — до позитивного і називається анодом.

Різниця потенціалів між електродами у вакуумі створює електричне поле, необхідне для виникнення і підтримання електричного струму між електродами. Проте цієї умови не досить. Електричний струм не може виникнути,поскільки всередині балону не має вільних заряджених частинок.

Для того щоб створити і підтримувати струм, необхідно в простір між електродами безперервно подавати вільні заряждені частинки. В електровакуумних приладах для цього використовується фізичний процес виходу вільних електронів з катоду — електронна емісія.

Вільні електрони з катоду можуть виходити і при нормальній температурі. Проте відокремлені від металу електрони не можуть віддалитись більш як на кілька міжатомних відстаней, оскільки метал, заряджений позитивно, електростатичними силами притягує їх назад.

Процеси випускання та поглинання електронів металом відбувається одночасно, тому біля катода утворюється електронна хмарка, яка теж перешкоджає виходу електронів з металу. Електричне поле між металом і електронною хмаркою створює для вільних електронів на межі метал-вакуум потенціальний бар’єр з різницею потенціалів .

Без спеціальних заходів щодо збільшення кінетичної енергії вільних електронів до значення, при якому можливе подолання потенціального бар’єру, електронна еміссія настільки слабка, що використати її практично не можна.

Електрон може подолати потенціальний бар’єр і вийти з металу, якщо йому надати енергію яка дорівнює роботі, що витрачається на переміщення електрона крізь поверхневий шар на межі металу з вакуумом.

Значення цієї роботи, яке дорівнює добутку заряду електрона і напруги , називається роботою виходу ( мал.10.б.):

(21)

Одним із способів збільшення електронної емісії є нагрівання металів.В цьому випадку емісія електронів називається термоелектронною.

В електронній лампі джерелом електронів(емітером) є катод, нагрітий до певної температури; наприклад, робоча температура катоду з вольфраму сягає .

Електрони, що перейшли з катода у вакуум,під дією електричного поля прямують на анод. За таких умов проміжок між електродами електронної лампи є провідним, а в колі (мал.10.а.) встановиться електричний струм, який називається анодним ().

Сила анодного струму залежить в основному від температури катоду Т і напруги між електродами .

Ці залежності, які названо вольт-амперними (анодними) характеристиками показано на малюнку 11.



>> Із зростанням напруги

струм спочатку повільно,



а потім різко зростає, що

пояснюється збільшенням

швидкості руху електронів

до аноду. При певному

значенні і температурі

катоду анодний струм

досягає струму коли всі електрони,що залишили

0 катод, досягають анода

/похила ділянка анодної характеристики./

Мал.11. Вольт-амперні характеристики діоду.
Якщо потенціал катода вищий від потенціалу аноду (< 0 ), то струм у колі практично рівний нулю; електричне поле напрямлене від катода до анода;електрони, які вилетіли з катода, не можуть досягти анода, оскільки під дією поля повертаються на катод. Ця властивість використовується для випрямлення змінного струму і така лампа називається діодом.

Крім двохелектродної лампи в радіоелектроніці широко приміняються три- і багатоелектродні лампи, які теж мають нелінійні вольтамперні характеристики.



Енергія необхідна для подолання потенціального бар’єру, може бути передана електронам випромінюванням (видиме світле,ультрафіолетові й інфрочервоні промені та інші випромінювання).

Явище виходу електронів з металу під дією променистої енергії називається фотоєлектронною емісією.



Як емітер фотоелектронних катодів, використовуються лужно-земельні елементи. Фотокатоди використовуються в електронних приладах, які реагують на випромінювання; ці прилади називаються фотоелементами.

Якщо анод має позитивний потенціал відносно катоду, то в електричному колі,що містить фотоелемент встановиться фотострум, який залежить від інтенсивності освітлення, довжини хвиль випромінювання і напруги між катодом і анодом.





,

мкА


Ф= 0,15 лм

15

0,1 лм


10

0,05 лм


5
0

100 200 300 , В

Мал.12. Вольтамперна характеристика вакуумного фотоелементу з

сурм’яно-цезієвим фотокатодом.



Енергію електронів можна підвищити бомбардуванням поверхні провідника потоком електронів, що швидко рухаються і називаються первинними. Електрони що залишили провідник внаслідок бомбардування його первинними електронами, називаються вторинними, а саме явище виходу електронів — вторинною електронною емісією.

Електрони з провідника можна “вирвати” дією сильного електричного поля (напруженність порядку ). Така емісія називається автоелектронною, або холодною. В приладах, що працюють за принципом холодної емісії, найчастіше використовується ртутний катод.


2) Гази є діалектриками, якщо перебувають у звичайних фізичних умовах. В цьому випадку вони складаються в основному з нейтральних атомів та молекул, а заряджені частинки (електрони, іони) є в незначній кількості і не можуть створити помітний струм.

Проте з нейтральних молекул і атомів можуть утворюватись заряджені частинки-іони, якщо внаслідок будь-яких причин,кількість електронів у них збільшиться; цей процес називається іонізацією.

Іонізація відбувається під дією космічних променів, рентгенівського і ультрафіолетового випромінювання, високої температури, електричного поля.

Електропровідність газу яка виникає внаслідок зовнішньої іонізації називається несамостійною.



Найбільше значення має іонізація газів яка спричиняється зіткненням їх з електронами, які швидко рухаються.

Процес утворення іонів при зіткненні нейтральних атомів і молекул з електронами, що швидко рухаються, називається ударною іонізацією.

В іонізованому стані газ є провідником.

Електропровідність газів підтримувана завдяки ударній іонізації дією зовнішнього електричного поля, називається самостійним розрядом.

Розрізняють кілька видів самостійних розрядів: тихий, тліючий, іскровий, дуговий.

Тихий розряд, виникає при відносно великих тисках (наприклад, атмосферному), коли поле в розрядному проміжку між електродами дуже нерівномірне через малий радіус кривизни електродів. Тихий розряд спостерігається біля електродів у тих місцях де напруженність поля досягає деякого значення,яке називається критичним для цього газу й супроводиться свіченням — “короною” (приклад — високовольтні лінії електропередач).

Тліючий розряд виникає при низьких тисках, наприклад у довгій скляній трубці, якщо між електродами прикласти напругу у кілька сотень вольт. Різні гази дають свічення різного кольору. Завдяки цьому тліючий розряд використовується в декоративних цілях.

Іскровий розряд виникає між холодними електродами при великому внутрішньому опорі джерела живлення. Іонізація газу яка почалася під дією електричного поля; набуває лавиноподібного характеру, внаслідок чого газовий проміжок стає провідним і між електродами проскакує іскра, при цьому різко зменшується опір газового проміжку. За відстанню між електродами, при якій виникає пробій повітря можна робити висновок про значення напруги між електродами. На цьому принципі грунтується вимірювання дуже високих напруг, для чого застосовуються кульові розрядники.

Дуговий розряд. При великій потужності джерела живлення іскровий розряд може перетворитись на дуговий, більш стійкий самостійний розряд в газі при атмосферному або підвищенному тиску.

Характерною особливістю дугового розряду є те, що він супроводиться сліпучим свіченням і сильним нагріванням електродів (до і більше).

Світлова дія електричної дуги використовується для спеціального освітлення (прожектори, проекційні апарати), а теплова — для зварювання і плавлення металів.

Електрична дуга виникає при вимиканні електричних апаратів. Це явище небажане, оскільки теплова дія дуги руйнує контакти вимикальних апаратів (рубильників, контакторів, вимикачів). Тому доводиться вживати спеціальних заходів для гасіння дуги, що приводить до збільшення їх розмірів, ускладнення їх конструкцій та збільшення їх вартості.

У техніці широко застосовуються газорозрядні прилади, в яких провідність газового проміжку зумовлена зарядженими частинками, добутими як за рахунок електронної емісії розжареного катода, так і іонізації газів або пари. До таких приладів належить газотрони, тиратрони, ртутні випрямлячі та інші.


3) Напівпровідники займають проміжне місце між провідниками та діалектриками. До напівпровідників належать хімічні елементи германій, кремній, телур і інші.

Концентрація вільних електронів у напівпровідниках у тисячі і мільйони разів менша ніж у металах, цим пояснюється низька електропровідність напівпровідників порівняно із металами.

Із зростанням температури провідність напівпровідників на відміну металів, зростає, це пов’язано з тим,що із зростанням температури у напівпровіднику збільшується кількість вільних електронів.

У напівпровідниках, так само їх і в металах, електричний струм утворюється електронами. Проте при розгляді провідності напівпровідників вважають, що в них є два носії заряду: електрони та дірки.

Якщо деякий електрон дістає ззовні енергію достатню, щоб розірвати парно-електронний зв’язок між атомами, то він стає вільний. Вивільнене електроном місце в міжатомному електронному зв’язку називають діркою, причому відсутність електрона рівнозначна наявності в цьому місці такого самого за значенням позитивного заряду. На це не зайняте місце може перейти інший електрон, який розірвав зв’язок з атомом і утворив нову дірку.

Рух вільних електронів зумовлює електронну провідність (типу n), а рух дірок діркову (типу р). Швидкість електронів значно перевищує швидкість руху дірок, тому електропровідність більшості чистих напівпровідників є в основному електронною.

Для того щоб збільшити провідність напівпровідника і надати їй чітко вираженого характеру типу n або р, до надчистого напівпровідника додають дуже малу кількість домішки ( ).

Розрізняють два види домішок. До першого виду належать хімічні елементи з більшою валентністю, а до другогоелементи з меншою валентністю, ніж валентність напівпровідника.

В першому випадку електропровідність, напівпровідника з домішками буде електронною (типу n), у другому — дірковою (типу р).



Велике значення для практики мають явища в контакті двох металів, а також напівпровідників, з яких один має електронну а інший діркову провідність.

Розглянемо контакт двох металів 1 і 2 які мають різні значення роботи виходу електронів ( мал.13.)











1 2 1 2



Е

н

е



р

г

і



я
е

л

е



к

т

р



о

н

а



Е

н

е



р

г

і



я
е

л

е



к

т

р



о

н

а



Е

н

е



р

г

і



я
е

л

е



к

т

р



о

н

а































Мал.13. Визначення контактної різниці потенціалів на діаграмі.

Метал 2 має меншу роботу виходу,тобто верхній рівень енергії електронів у того вищий, ніж у металу 1. Маючи більшу енергію, електрони можуть залишити метал 2, при встановленні контакту ці електрони начинають переходити з металу 2 в метал 1, причому цей процес здійснюється за рахунок електронів з більш високим рівнем енергії. в результаті енергетичний рівень електронів у металі 2 змішується, а у металі 1 підвищується; в металі 2 створюється надлишок позитивного заряду, а в металі 1 — надлишок негативного заряду.

Вирівнювання енергетичних рівнів, що відбувається на границі металів, супроводжується появою контактної різниці потенціалів , в пограничному шарі товщиною .

Значення контактної різниці потенціалів пропорційне різниці робіт виходу:

Згідно з формулою (21)


(22)

Електричне поле,яке утворюється внаслідок дифузій електронів з одного металу в інший, заважає рухові електронів крізь контакт. З переходом електронів збільшується різниця потенціалів і підсилюється електричне поле, яке протидіє рухові електронів. Процес закінчується, коли досягається рівновага, при якій сили електричного поля дорівнюють стороннім силам, що викликають дифузію електронів. Контактна різниця потенціалів набуває усталеного значення, утворюючи для електронів певний потенціальний бар’єр.



Розглянемо контакт двох напівпровідників з різними провідностями електронною (n) та дірковою (р). (мал. 14).

+ - - +





р n

р n р n

(а) б) (в). Е E
Мал.14. Контакт двох напівпровідників з різними видами електропровідності.

В результаті контакту електрони з n-напівпровідника переходять в р-напівпровідник, а в зворотньому напрямку переходять дірки. В приконтактних шарах напівпровідників створюється надлишкові заряди різних знаків: р-напівпровідник набуває негативного, а n-напівпровідник позитивного заряду.

Електричне поле на межі створює потенціальний бар’єр , який перешкоджає дальшому переміщенню електронів і дірок. Завдяки наявності контактної різниці потенціалів електронно-дірковий перехід має однобічну провідність, тобто вентильні властивості.

Припустимо, що до напівпровідників підведемо напругу від сторонього ждерела живлення,( мал.14.б) плюсом до р-напівпровідника, внаслідок чого на межі напівпровідників створюється електричне поле Е, електричне поле - створене внаслідок дифузів буде слабшати під дією джерела, потенціальний бар’єр буде зменшуватись. При деякому значенні напруги потенціальний бар’єр зникне, тоді протидія зарядженим частинкам буде визначатись тільки активним опором напівпровідника.

Якщо змінити полярність прикладеної напруги (мал.14.в),то електричне поле в n-р переході підсилюється, потенціальний бар’єр збільшується, опір носіям електричних зарядів збільшується.



Напівпровідник з електронно-дірковим переходом за своїми вентильними властивостями аналогічний вакуумному діоду і його називають напівпроввідниковим діодом. I



U

0



Мал.15. Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода.


База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка