Микроскопическая природа тока в проводниках

III. Основы электродинамики

Как известно, химически чистая (дистиллированная) вода является плохим проводником. Однако при растворении в воде различных веществ (кислот, щелочей, солей и др.) раствор становится проводником, из-за распада молекул вещества на ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией, а сам раствор электролитом, способным проводить ток.

В отличие от металлов и газов прохождение тока через электролит сопровождается химическими реакциями на электродах, что приводит к выделению на них химических элементов, входящих в состав электролита.

Первый закон Фарадея: масса вещества, выделяющегося на каком-либо из электродов, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит

Электрохимический эквивалент вещества — табличная величина.

Второй закон Фарадея:

Протекание тока в жидкостях сопровождается выделением теплоты. При этом выполняется закон Джоуля-Ленца.

Электрический ток в металлах

При прохождении тока металлы нагреваются. В результате чего ионы кристаллической решетки начинают колебаться с большей амплитудой вблизи положений равновесия. В результате этого поток электронов чаще соударяется с кристаллической решеткой, а следовательно возрастает сопротивление их движению. При увеличении температуры растет сопротивление проводника.

Каждое вещество характеризуется собственным температурным коэффициентом сопротивления — табличная величина. Существуют специальные сплавы, сопротивление которых практически не изменяется при нагревании, например манганин и константан.

Явление сверхпроводимости. При температурах близких к абсолютному нулю (-273 0 C) удельное сопротивление проводника скачком падает до нуля. Сверхпроводимость — микроскопический квантовый эффект.

Применение электрического тока в металлах

Лампа накаливания производит свет за счет электрического тока, протекающего по нити накала. Материал нити накала имеет высокую температуру плавления (например, вольфрам), так как она разогревается до температуры 2500 – 3250К. Нить помещена в стеклянную колбу с инертным газом.

Электрический ток в газах

Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводником может стать ионизированный газ, содержащий электроны, положительные и отрицательные ионы.

Ионизация может возникать под действием высоких температур, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного), космических лучей, столкновения частиц между собой.

Ионизированное состояние газа получило название плазмы. В масштабах Вселенной плазма — наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы.

Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом.

В «рекламной» неоновой трубке протекает тлеющий разряд. Светящийся газ представляет собой «живую плазму».

Между электродами сварочного аппарата возникает дуговой разряд.

Дуговой разряд горит в ртутных лампах — очень ярких источниках света.

Искровой разряд наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Сила тока около 10 МА!

Для коронного разряда характерно свечение газа, образуя «корону», окружающую электрод. Коронный разряд — основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи.

Электрический ток в вакууме

А возможно ли распространение электрического тока в вакууме (от лат. vacuum — пустота)? Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Появление ионов привело бы к исчезновению вакуума и получению ионизированного газа. Но вот появление свободных электронов обеспечит протекание тока через вакуум. Как получить в вакууме свободные электроны? С помощью явления термоэлектронной эмиссии — испускания веществом электронов при нагревании.

Вакуумный диод, триод, электронно-лучевая трубка (в старых телевизорах) — приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии. Основной принцип действия: наличие тугоплавкого материала, через который протекает ток — катод, холодный электрод, собирающий термоэлектроны — анод.

Природа электрического тока

В физике объяснение основных закономерностей электрического тока основывается на гипотезе свободных электронов. Недостатком теории электропроводности являлось то, что классическая теория не смогла объяснить главного – почему электроны в металлах ведут себя как свободные.

Для создания внутренне непротиворечивой теории электропроводности необходимо найти объяснение экспериментальным фактам: почему при разности потенциалов менее 10 -8 эВ в проводнике появляется электрический ток, почему скорость теплового (неупорядоченного) движения свободных электронов при комнатной температуре — 10 5 м/сек. Хотя, согласно Савельеву (И.В.Савельев, Курс общей физики, стр. 272) даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного (полем) движения электронов равна 10 3 м/сек. Дополнительная энергия, сообщаемая электронам при наложении поля, увеличивает их кинетическую энергию только на 10 -14 %.

При наложении электрического поля увеличивается скорость электронов, двигающихся в направлении поля, и уменьшается в той же степени скорость электронов, двигающихся против поля. Количество электронов, двигающихся в направлении поля и против поля в среднем равны между собой. Если электроны находятся в металле в виде газа, то между ними будет происходить обмен кинетической энергией, и, соответственно, создание поля внутри проводника не должно даже в столь малой степени (точность расчетов сомнительна) влиять ни на скорость, ни на энергию электронов в проводнике.

Свойства проводника, по которому течет ток, резко отличаются от свойств этого же проводника при отсутствии в нём тока. Проводник, по которому течет ток электронов, имеет магнитное поле и разогревается по мере прохождения тока. Как же это объясняется в рамках предложенной нами теории металлической связи? В предлагаемой нами теории электропроводности показано, что связанные электроны в металлах легко (практически без энергетических затрат) перемещаются вдоль металлических связей. Их движение в направлении, создаваемом полем, обусловлено не действием поля, а их вытеснением из проводника с одного его конца электронами, поступающими в проводник с противоположного конца проводника.

Атом в металле может быть связан с другими атомами различными типами связи (одно и двухэлектронными ковалентными, ван-дер-ваальсовскими). В этом случае система состоящая, из ядер и связывающих электронов, имеет несколько близко лежащих энергетических минимумов (энергетических состояний), и возможные формы переходят друг в друга за счет перехода электронов. Если формы различаются по энергии, то равновесие между формами сдвигается в сторону формы с меньшей энергией.

Рассмотрим пример. В молекуле иода I₃ согласно теории химической связи наряду с равновесием

I — . I – I →← I – I . I —

могут существовать и равновесия между различными формами I₆ и I₉ и т. д.

I — . I – I… I — . I – I… I — . I – I→← I – I . I — …I – I . I — …I – I . I —

т.е. возможность образования за счет динамических связей полимерных молекул предполагает возможность быстрого перемещения электронов вдоль полимерной цепи.

Для начала рассмотрим, как изменится ситуация, если к I₃ (I — . I – I) добавить электрон. Известно, что I₂ имеет положительное сродство к электрону. При присоединении электрона к молекуле I₂ образуется I₂ — , имеющий структурную формулу I – I — . Соответственно, при присоединении одного электрона могут образоваться I — . I ˙ …I — и I — . I — …I˙

Оба эти соединения должны легко присоединять электрон с образованием соответственно одного соединения I — …I — …I —

Выделение энергии, обуславливающее легкость присоединения следующего электрона, в свою очередь, ожидается в связи с тем, что молекула иода (I₂) имеет положительное сродство к электрону, хотя в этом случае присоединение первого электрона протекает с разрывом ковалентной связи (т.е. с затратами энергии). Второй электрон присоединяется уже к радикалу I˙, что предполагает выделение энергии.

Все три атома иода в молекуле I — …I — …I — имеют во внешней оболочке 8 электронов и, соответственно, согласно теории химической связи никаких других, в том числе и динамических, связей кроме Ван – дер- Ваальсовских между атомами иода образоваться не может.

Давайте рассмотрим, как измениться ситуация в системе, если цепочка состоящая из атомов иода будет подсоединена с одной стороны к катоду, несущему при включении в цепи электрического тока положительный заряд, а с другой стороны к аноду, несущему отрицательный заряд. После превращения крайней молекулы I — . I – I в I — …I — …I — за счет электронов, поступающих с анода, обратимая, первая слева электронная изомеризация прекращается (для пары электронов, переходящих в ходе изомеризации I — . I – I →← I – I . I — от крайнего, скажем, слева аниона к крайнему справа. Во всех оболочках трех анионов в молекуле I — …I — …I — нет места, не только равного по энергии, которую эта пара электронов имела в молекуле I — . I – I, но даже близкого к ней по значению. При этом скорость реакции перехода пары электронов с молекулы I — …I — …I — на молекулу I – I . I — с образованием молекулы I — . I ˙ …I — существенно не меняется, т.к. стадией лимитирующей скорость реакции в обоих случаях является стадия вытеснения пары связывающих электронов в молекуле I₂ свободной (не участвующей в образовании связей) парой электронов аниона иода.

Таким образом, создание напряжения между анодом и катодом, увеличение концентрации электронов на аноде выше равновесного и ее уменьшение на катоде ниже равновесного просто уменьшает скорость перемещения электронов справа налево в полимерной цепи, образованной за счет динамических связей. Снижение скорости перемещения электронов обусловлено уменьшением количества таких мест для электронов, при переходе в которые при изомеризации энергия системы могла бы уменьшиться. В свою очередь, уменьшение доступных мест для электронов обусловлено их заполнением за счет электронов, поступающих с анода. С другой стороны, уменьшение потока электронов, двигающихся вдоль поля, увеличивает по сравнению с обесточенным проводником движение в нем электронов другую сторону. Все стадии предложенного механизма образования электрического тока нашли подтверждение в химических и физических экспериментах. Основными положениями данной теории являются следующие:

1. электрический ток является потоком электронов, двигающихся в проводниках в одном направлении от анода (отрицательно заряженного электрода) к катоду, заряженному положительно. Носителями электрического тока в металлах являются электроны, что установлено в физических экспериментах Толмена и Стюарта в 1916 г.
2. В металлах каждый атом металла связан с восемью или двенадцатью другими атомами. Соответственно, электроны могут двигаться свободно по 8 или 12 направлениям вдоль связей со скорость близкой и даже большей, чем электроны в виде газа, т.е .ведут себя как «свободные» электроны. В неметаллах электроны не переходят со связи на связь, так как в неметаллах нет близко лежащих энергетических состояний.
3. электроны, связывающие атомы в молекулы, при наличии близко расположенных (0,5 — 2Å) минимумов энергии, с большой скоростью (> 10 5 м/сек) переходят из одного минимума в другой. Это доказывается химическими экспериментами, в ходе которых было открыто это явление и изучена кинетика его протекания.

Результатом обобщения экспериментов стало открытие явления обратимой электронной изомеризации, была изучена кинетика его протекания. Эти успехи позволили ответить на очередные вопросы, возникшие в ходе развития теоретической химии: физический смысл правил резонанса, как протекает химическая реакция и выяснить физический смысл металлической связи. Применительно к теории электрического тока в металле использование этого обобщения позволило ответить на ряд парадоксальных вопросов и предложить новое и, главное, непротиворечивое объяснение природы электрического тока. В предложенной нами теории нет никаких новых предположений. (Наличие внешних противоречий предполагает существование экспериментов или теорий, которые спорят с данной теорией).

Экспериментальные данные по обратимой электронной изомеризации были получены после создания элементарной классической теории электрического тока – теории Пауля Друде (Paul Karl Drude), возникшей сразу после открытия электрона Дж. Томсоном в 1897 году. Классическая теория электропроводности было «дите своего времени» (Truth is the Daughter of Time, not of Authority, F. Bacon (1561-1626 г.г.). Закреплению классической теории в науке способствовало то, что «классическая теория электропроводности смогла объяснить законы Ома и Джоуля – Ленца, а также дала качественное объяснение закона Видемана – Франца» (И.В. Савельев, Общий курс физики, т.2). Кроме того, признанию теории способствовало то, что эта теория легла в основу теории металлической связи и стала широко использоваться в химии для объяснения связи в металлах.

1.Природа электрического тока….

Глаз человека является своеобразным оптическим прибором, занимающим в оптике особое место.

Глаз может быть представлен как центрированная оптическая система, образованная роговицей ( Р ), жидкостью передней камеры ( К ) и хрусталиком ( Х ), ограниченная спереди воздушной средой, сзади — стекловидным телом . Главная оптическая ось ( ОО ) проходит через оптические центры роговицы и хрусталика. Кроме того, различают еще зрительную ось глаза ( ЗО ), которая определяет направление наибольшей светочувствительности и проходит через центры хрусталика и желтого пятна (Ж). Угол между главной оптической и зрительной осями составляет около 5’.

Приспособление глаза к четкому видению различно удаленных предметов называют аккомодацией.

Недостатки оптической системы глаза и их устранение.

Аберрации, свойственные линзам, у глаз почти не ощущаются. Сферическая аберрация незаметна ввиду малости зрачка и проявляется лишь в сумерках, когда зрачок расширен: изображения не резки. Хотя глаз и не является ахроматической системой, однако хроматическая аберрация не ощущается из-за избирательной видимости излучения и малого размера зрачка. Астигматизм косых пучков не имеет места, т.к. глаз всегда устанавливается в направлении наблюдаемого предмета. Исключение составляет лишь астигматизм, обусловленный ассиметрией оптической системы (несферическая форма роговицы или хрусталика). Это проявляется, в частности, в неспособности глаза одинаково резко видеть взаимно перпендикулярные линии на испытательной таблице. Такой недостаток глаза компенсируют специальными очками с цилиндрическими линзами.

Оптической системе глаза свойственны некоторые специфические недостатки. В нормальном глазу, при отсутствии аккомодации, изображение предмета совпадает с сетчаткой — такой глаз называют эмметропическим, а если это условие не выполняется — аметропическим.

Наиболее распространенными видами аметропии является близорукость (миопия) и дальнозоркость (гиперметропия).

Близорукость — недостаток глаза, состоящий в том, что, при отсутствии аккомодации, изображение предмета лежит впереди сетчатки; в случае дальнозоркости изображение предмета, при отсутствии аккомодации, лежит за сетчаткой. Для коррекции близорукости глаза применяют рассеивающую линзу, дальнозоркости — собирающую.

3. Датчики и преобразователи…

ДАТЧИКИ — это УСМИ, которые своим чувствительным элементом реагируют на воздействие измеряемой величины и осуществляют преобразование этого воздействия в форму, удобную для последующего усиления, регистрации, обработки (как правило в электрические сигналы)

Очень часто приходится регистрировать изменение характиристик организма и окружающей среды, которые по своей природе не являются электрическими. Их называют входные неэлектрические величины, обусловленные жизненными функциями, к ним относятся:

1. Механические (перемещение, скорость, ускорение, акустические параметры, давление, вибрации и др.).

2. Физические (тепловые: температура, энергия, количество теплоты; электрические: характеристики электрического (Е,,), магнитного поля (B,,), импеданс и др.; оптические: показатель преломления, сила света, освещенность, яркость; атомные и ядерные: спектральный состав, масса атомов и ядер, активность излучения, дозы и др.).

3. Химические (химический состав, концентрация, pH).

4. Физиологические (кровенаполнение, пульс и др.).

Для измерения этих величин используются датчики (преобразователи).

Классификация датчиков:

Физика. 10 класс

§ 37. Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимости полупроводников

Природа электрического тока в полупроводниках. Экспериментально установлено, что при прохождении электрического тока в полупроводниках, как и в металлах, никаких химических изменений не происходит, т. е. перенос заряда при прохождении тока не сопровождается переносом вещества. Это свидетельствует о том, что свободными носителями электрического заряда в полупроводниках, как и в металлах, являются электроны.

Рассмотрим механизм проводимости полупроводников на примере кристалла германия Ge, валентность атомов которого равна четырём.

Атомы германия на внешней оболочке имеют четыре сравнительно слабо связанных с ядром валентных электрона. При этом каждый атом кристалла связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями. Два соседних атома объединяют два своих валентных электрона (по одному от каждого атома), которые образуют электронную пару. Поэтому все валентные электроны атома германия участвуют в образовании ковалентных связей. На рисунке 217 изображена плоская схема пространственной решётки кристалла германия. При температуре, близкой к абсолютному нулю, ковалентные связи германия достаточно прочны, поэтому свободные электроны отсутствуют и германий является диэлектриком.

Для того чтобы разорвать ковалентную связь и сделать электрон свободным, кристаллу германия необходимо сообщить некоторую энергию, например, нагревая кристалл или облучая его поверхность. При этом часть электронов получает энергию, достаточную для того, чтобы покинуть атомы и стать свободными.

Нейтральный атом, которому принадлежал освободившийся электрон, становится положительно заряженным ионом, а в ковалентных связях образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой ( рис. 218 ).

Одновременно с процессом возникновения свободных электронов и дырок происходит процесс, при котором один из электронов (не свободный, а обеспечивающий ковалентную связь) перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает ковалентную связь. При этом положение дырки меняется, что можно моделировать как её перемещение. Таким образом, при отсутствии внешнего электрического поля в кристалле полупроводника наблюдается беспорядочное перемещение свободных электронов и дырок, концентрации которых в чистом полупроводнике одинаковые.

Интересно знать

Дырочная проводимость в действительности обусловлена «эстафетным» перемещением по вакансиям от одного атома кристалла полупроводника к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь. Дырок, как положительных зарядов, существующих реально, в действительности нет. Тем не менее, представление о них является хорошей физической моделью, которая дает возможность рассматривать электрический ток в полупроводниках на основе законов физики.

Дырки считают подвижными носителями положительного заряда, который равен модулю заряда электрона.

При наличии внешнего электрического поля на беспорядочное движение свободных электронов и дырок накладывается их упорядоченное движение, т. е. возникает электрический ток. Причём движение свободных электронов происходит в направлении, противоположном направлению напряжённости внешнего электрического поля, а движение дырок совпадает с направлением напряжённости поля ( рис. 219 ).

Проводимость, обусловленную движением свободных электронов и дырок в чистом полупроводнике, называют собственной проводимостью полупроводника.

При сообщении полупроводнику энергии концентрация свободных электронов, а следовательно, и дырок возрастает, так как увеличивается число разрывов ковалентных связей. Этим и объясняется уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании и облучении.