Электрический ток в вакууме

На прошлых уроках мы начали рассматривать условия протекания электрического тока в различных средах. Рассмотрев опыты Мандельштама и Папалекси мы узнали, что носителями тока в металлах являются свободные электроны. Иными словами, металлы обладают электронной проводимостью.

Так же мы с вами выяснили, что в полупроводниках проводимость обусловлена движением электронов и дырок. Напомним, что проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью, а обусловленную движением дырок — дырочной проводимостью полупроводников.

Однако в обоих случаях при прохождение электрического тока в результате тех или иных процессов появляются свободные носители зарядов. А возможно ли распространение электрического тока в вакууме, характеризующимся «отсутствием» вещества, а следовательно, и отсутствием электрических зарядов?

Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Проверим это на опыте. Возьмём сосуд, из которого откачен воздух. В этот сосуд впаяны две металлические пластины — два электрода.

Одни из них (анод) соединим с положительным полюсом источника тока, другой (катод) — с отрицательным. Также включим в цепь чувствительный миллиамперметр. Замкнём цепь — прибор не показывает никакого тока. Это указывает на то, что в вакууме действительно нет никаких свободных носителей зарядов.

Следовательно, для того чтобы в вакууме мог проходить электрический ток, в нем необходимо каким-то образом предварительно «создать» некоторую концентрацию свободных носителей заряда.

Видоизменим опыт. В качестве катода впаяем в сосуд проволочку (нить), концы которой выведем наружу. Эта проволочка по-прежнему останется катодом. С помощью другого источника тока накалим её. Мы заметим, что, как только нить накаляется, миллиамперметр, включённый в цепь, показывает ток, и тем больший, чем сильнее накалена нить. Значит, накалённая нить обеспечивает наличие в вакууме необходимых для существования тока носителей заряда.

Теперь определим заряд этих частиц. Для этого переменим полюсы у впаянных в сосуд электродов: нить сделаем анодом, а противоположный полюс — катодом. И хотя нить по-прежнему накалена и по-прежнему посылает в вакуум заряженные частицы, тока в цепи нет.

Из этого опыта следует, что испускаемые накалённой нитью частицы заряжены отрицательно, так как они отталкиваются от электрода, когда он заряжен отрицательно. Следовательно, носителями тока в вакууме являются электроны.

Явление испускания веществом электронов при нагревании называется термоэлектронной эмиссией. При этом электроны, испускаемые нагретым телом, называют термоэлектронами

, а само тело — эмиттером.

Явление термоэлектронной эмиссии было открыто в 1853 году французским физиком Эдмондом Беккерелем. Затем 13 февраля 1880 года Томасом Эддисоном (после этого данное явление назвали эффектом Эдисона). Однако объяснить явление термоэлектронной эмиссии удалось лишь после открытия Джозефа Томсона в 1897 году. В этом году британский физик Оуэн Уиланс Ричардсон начал работу над темой, которую позже назвал «термоэлектронной эмиссией». Согласно его теории, основанной на электронной теории, свободные электроны в металле находятся в хаотическом движении. При накале нити это движение усиливается.

При этом некоторые электроны, приобретая энергию, достаточную для совершения работы выхода, вылетают из нити, образуя около неё «электронное облачко». Когда между нитью и анодом образуется электрическое поле, то электроны летят к электроду, если он присоединён к положительному полюсу батареи, и отталкиваются обратно к нити, если он присоединён к отрицательному полюсу источника, то есть имеет заряд, одноимённый с электронами.

Вакуумные приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии, называются электронными лампами.

Простейшая из них — вакуумный диод — содержит два электрода. Один — в виде спирали из тугоплавкого материала, например вольфрама или молибдена, накаливаемый током, — называется катодом. Второй — холодный электрод, собирающий термоэлектроны, — называется анодом и чаще всего имеет форму цилиндра, внутри которого расположен накаливаемый катод. Условное обозначение вакуумного диода на электрических схемах представлено на рисунке.

Важнейшей характеристикой диода является его вольт-амперная характеристика при постоянном напряжении накала. Для её получения воспользуемся установкой, где применяется диод с катодом косвенного накала. Итак, при напряжении между катодом и анодом, равном нулю, вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него электронное облако (пространственный отрицательный заряд), отталкивающее вылетающие из катода электроны.

Большинство электронов возвращается на катод, и лишь незначительное их число достигает анода. С увеличением анодного напряжения число электронов, достигающих анода, увеличивается, а электронное облако постепенно уменьшается. Когда же все термоэлектроны попадают на анод, сила анодного тока достигает насыщения. Дальнейшее увеличение напряжения не приводит к увеличению анодного тока, то есть ток через диод не зависит от напряжения. Такой ток называется

током насыщения. Чтобы увеличить ток насыщения необходимо повысить температуру катода, увеличив силу тока накала.

Из-за того, что вольт-амперная характеристика вакуумного диода оказывается нелинейной, диод является нелинейным элементом. Поскольку ток в лампе возможен только в том случае, когда положительный полюс батареи соединён с анодом, а отрицательный — с катодом, то вакуумные диоды обладают односторонней проводимостью. Действительно, при изменении полярности приложенного напряжения и при его достаточной величине (при задерживающем напряжении)

термоэлектроны не достигают анода и ток через лампу не проходит.

Для управления током внутрь лампы вводят дополнительные электроды, которые называются сетками, так как им обычно придают форму металлических сеток или спиралей, окружающих катод. В зависимости от общего числа сеток такие лампы называют триодами (анод, катод, управляющая сетка), тетродами (анод, катод и две сетки) и пентодами (анод, катод и три сетки).

Если в аноде вакуумной лампы сделать отверстие, то часть электронов будет пролетать сквозь него. Их движением можно управлять с помощью электрического и магнитного полей.

Испускаемые катодом потоки электронов, движущихся в вакууме, называют электронными пучками или катодными лучами.

Рассмотрим некоторые свойства электронных пучков.

Во-первых, электроны в пучках движутся по прямым линиям.

Попадая на мишень электронный пучок передаёт ей часть своей кинетической энергии, вызывая нагревание мишени. Это свойство используют для электронной плавки в вакууме сверхчистых металлов.

Так же при торможении быстрых электронных пучков в веществе возникает рентгеновское излучение, широко используемое в рентгеновских трубках.

Было установлено и то, что, попадая на поверхность некоторых веществ, электронные пучки способны вызвать их свечение.

А если пропустить электронный пучок между пластинами заряженного конденсатора, то отклоняются от отрицательно заряженной пластины к положительно заряженной.

Также электронный пучок отклоняется в магнитном поле. Пролетая над северным полюсом магнита, электроны отклоняются влево, а пролетая над южным, отклоняются вправо. Так, например, отклонение электронных потоков, идущих от Солнца, в магнитном поле Земли приводит к тому, что свечение газов верхних слоёв атмосферы (то есть полярное сияние) наблюдается ближе к полюсам Земли.

Помимо всего вышеперечисленного, электронные пучки обладают ещё и ионизирующей способностью, а также способны проходить сквозь очень тонкие металлические пластины толщиной 0,003—0,03 мм.

Прибор, в котором используется пучок электронов, свободно летящих в пространстве за анодом, называется электронно-лучевой трубкой.

Рассмотрим её устройство подробнее. Итак, в узком конце трубки находится электронная пушка, которая формирует пучок электронов и состоит из катода, нагреваемого нитью накала, управляющего электрода и ускоряющего анода.

Электроны, вылетающие из катода, разгоняются электрическим полем (5000—50 000 В) между катодом и анодом. Экран электронно-лучевой трубки покрыт изнутри специальным веществом — люминофором, которое светится под действием падающих электронов. В том месте экрана, куда попадает пучок, появляется маленькая светящаяся точка. Изменяя напряжение на аноде, можно фокусировать электронный пучок. Изменяя напряжение между катодом и управляющим электродом, можно изменять интенсивность электронного пучка (яркость пятна на экране). Пучок проходит последовательно две пары отклоняющих пластин, являющихся плоскими конденсаторами.

Меняя на них напряжение можно смещать пучок электронов в горизонтальном и вертикальном направлениях практически мгновенно.

В кинескопах телевизоров вместо отклоняющих пластин используют магнитные отклоняющие катушки. Магнитное поле одной пары катушек вызывает отклонение электронного пучка по горизонтали, второй пары катушек — по вертикали.

Для получения цветных изображений вместо одной пушки используют три, которые передают сигналы трёх одноцветных изображений — красного, синего и зелёного цвета. Кроме того, экран кинескопа покрывается кристаллами люминофора трёх сортов, которые под действием электронного пучка светятся соответственно красным, синим и зелёным светом. Смешением этих цветов можно получить всю цветовую гамму красок и оттенков.

И несмотря на то, что в настоящее время электронно-лучевые трубки вытесняются жидкокристаллическими и плазменными экранами, они всё ещё находят широкое применение в радиолокационных установках, телевизорах, осциллографах и так далее.

Ну а теперь давайте с вами определим скорость электронов, вылетающих из электронной пушки под действием приложенного напряжения в 750 В.

Проектируем электрику вместе: Электрический ток в вакууме

Что такое вакуум?.. Носители электрических зарядов в вакууме.. Поверхностный потенциальный барьер.. Работа выхода.. Термоэлектронная эмиссия.. Вакуумный диод.. О скорости движения электронов в вакууме.. Применение термоэлектронной эмиссии..

Но что такое вакуум?
Ва́куум (от лат. vacuus — пустой) — пространство, свободное от вещества.
                                              

Когда речь идет о вакууме, то многие почему-то считают, что это совсем пустое пространство. На самом же деле это не так, идет ли речь о замкнутой емкости, из которой откачан газ, или о межзвездном пространстве.
В технике и прикладной физике вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа и линейным размером вакуумной камеры. Если молекула пробегает от стенки к стенке камеры, не встречаясь с другими молекулами, то считают, что в сосуде создан вакуум, хотя в нем еще может быть очень много молекул. При глубоком вакууме молекула может много раз пролететь от стенки к стенке, прежде чем встретится с другой молекулой.
Откачать все молекулы из сосуда практически невозможно. Сверхвысоким вакуум считается при достижении давления ниже 10^– 9 мм рт.ст. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, а в дальнем космосе и вовсе может достигать 10^{– 16} мм рт.ст. Космический вакуум является наилучшим приближением к физическому вакууму, но и он не является совершенным, даже в межзвёздном пространстве есть как минимум несколько атомов водорода на кубический сантиметр. Кроме того, космическое пространство заполнено так называемым реликтовым излучением (состоящим из фотонов), а также большим количеством реликтовых нейтрино.
 
Носители электрических зарядов в вакууме

Для существования электрического тока необходимо наличие свободных носителей заряда.
В вакууме, как мы знаем, вещества очень мало. Откуда же там возьмутся носители зарядов? Количества ионизированных молекул  в вакууме совершенно недостаточно для существования электрического тока.   
Тем не менее, электрический ток в вакууме может существовать, если использовать источник заряженных частиц. Каких частиц?
Ионы не могут претендовать на эту роль, ибо это был бы уже не вакуум, а ионизированный газ. А вот электроны могли бы обеспечить протекание тока через вакуум. Как же получить в вакууме достаточное количество свободных электронов?

Поверхностный потенциальный барьер

Большое количество свободных электронов находится в металлах, поэтому они являются идеальными источниками электронов в вакууме.
При обычных температурах свободные электроны практически не покидают металл, поскольку в поверхностном слое металла образуется электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла в окружающий вакуум.

Действительно, когда отдельные электроны покидают металл (на расстояния порядка атомных), в его поверхностном слое возникает избыточный положительный заряд за счет образования положительных ионов. Покинувшие металл электроны под  действием сил притяжения положительного заряда возвращаются обратно, в результате чего над поверхностью металла образуется «электронное облако» из выходящих и возвращающихся электронов, находящихся в динамическом равновесии.
Это «облако» вместе с наружным слоем положительных ионов металла образует двойной электрический слой, электрическое поле которого подобно полю плоского конденсатора. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям (10^{– 10} — 10^– 9 м). Он не создает электрического поля во внешнем пространстве, но образует поверхностный потенциальный барьер, препятствующий выходу электронов из металла.

Работа выхода

Таким образом, для того чтобы электрон мог покинуть металл, он должен преодолеть задерживающее его электрическое поле двойного слоя, т. е. обладать энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера.

Эта дополнительная энергия электронов для преодоления потенциального барьера металла называется работой выхода.

Для разных металлов она различна и зависит от химических свойств, от чистоты их поверхности и колеблется в пределах нескольких электрон-вольт.
Так, для вольфрама работа выхода равна 7,2*10^{– 19} Дж или 4,5 эВ (1 эВ = 1,6*10^{– 19} Дж).

Термоэлектронная эмиссия

Если сообщить свободным электронам дополнительную энергию, необходимую для совершения работы выхода, например, через нагревание металла, то часть электронов может покинуть металл, т. е. наблюдается явление испускания электронов нагретым телом.

Явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами) в вакуум или другую среду называется термоэлектронной эмиссией.
 
Для наглядности термоэлектронную эмиссию можно представить как испарение электронов из эмиттера (по аналогии с испарением воды при ее нагревании).
Термоэлектронная эмиссия становится возможной, когда металл нагревается до высокой температуры. Другими словами, когда большое количество внешней энергии в виде тепла передается свободным электронам в металлах.

Вакуумный диод

Явление термоэлектронной эмиссии можно наблюдать в вакуумной лампе с двумя электродами – анодом, на который подается положительный потенциал и катодом, который соединен с отрицательным потенциалом. Такая лампа называется вакуумным диодом (рис. 1).

Если катод холодный, то ток в цепи катод – анод практически отсутствует.
При повышении температуры катода электроны начинают преодолевать потенциальный барьер у поверхности катода и привлекаются положительным анодом – через вакуум протекает электрический ток, который тем больше, чем выше температура катода: Iн3 > Iн2 > Iн1 при Т3 > Т2 > Т1.

При одной и той же температуре катода ток в цепи катод – анод возрастает с повышением напряжения на аноде (Uа) и выходит к некоторому стационарному значению, называемому током насыщения (Iн). При этом почти все свободные электроны, испускаемые катодом, достигают анода. Ток насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода.                                                                                                                                            

При Uа =0 анодный ток не равен нулю, т. е. некоторые электроны, эмиттируемые нагретым катодом, обладают энергией, достаточной для преодоления работы выхода и достижения анода без приложения электрического поля между анодом и катодом.

О скорости движения электронов в вакууме

Из-за отсутствия торможения носителей заряда (большой свободный пробег без столкновений), скорость заряженных частиц в вакууме резко возрастает. Так, под действием ускоряющего поля анода электроны в вакуумном диоде достигают скоростей до 6000 км/сек.
С учетом малого расстояния между катодом и анодом (до 1,0 см) время пролета электрона от катода до анода составляет примерно 3*10^{– 9} сек (сравнимо с периодом метровых радиоволн).

Для сравнения, движение свободных электронов в проводнике происходит довольно медленно, от долей миллиметра до нескольких миллиметров в секунду, поскольку электроны испытывают сопротивление своему движению в электрическом поле, сталкиваясь с атомами вещества.

Применение термоэлектронной эмиссии

Сегодня большинство из нас рассматривает электронно-лучевой кинескоп, вакуумный диод, триод, как электротехнические предметы антиквариата. Тем не менее, основной принцип их работы (электроны испускаются из нагретого катода) до сих пор находит применение в линейных ускорителях, усилителях, в различных электровакуумных приборах (триодах, тетродах, клистронах, магнетронах, лампах бегущей волны и др.).

 Похожие статьи: 1. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона
                               2. Направление электрического тока
                               3. Постоянный и переменный ток
                               4. Проводники и изоляторы. Полупроводники
                               5. О скорости распространения электрического тока
                               6. Электрический ток в жидкостях
                               7. Что такое электрический ток?
                               8. Проводимость в газах
                               9. О проводимости полупроводников


 

3.2.10 Свободные носители электрических зарядов в проводниках. Механизмы проводимости твёрдых металлов, растворов и расплавов электролитов, газов. Полупроводники. Полупроводниковый диод

Видеоурок 1: Электрический ток в различных средах  

Видеоурок 2: Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый

Лекция: Свободные носители электрических зарядов в проводниках. Механизмы проводимости твёрдых металлов, растворов и расплавов электролитов, газов. Полупроводники. Полупроводниковый диод

Носители заряда в проводниках

Для того, чтобы по проводнику шел ток, в нем должны присутствовать свободные носители заряда. Это могут быть электроны, ионы или другие частицы. 

Самыми распространенными проводниками считаются металлы, которые имеют электронную проводимость. 

Она возникает в результате того, что у атомов металлов на внешнем энергетическом уровне имеются свободные электроны, которые достаточно просто вырываются под действием электрической силы, а разность потенциалов направляет их. В качестве проводников так же можно использовать электролиты, заряженными частицами в них являются положительные и отрицательные ионы.

Ток в металлах, ток в электролитах, диэлектрики

Электрический ток в металлах протекает благодаря свободным электронам, которые начинают свое движение под действием внешнего электрического поля. В случае, если температура металла повышается, частицы начинают беспорядочно двигаться, что приводит к ухудшению прохождения электрического тока. В данном случае с ростом температуры сопротивление также увеличивается.

Стоит отметить, что поваренная соль, а также очищенная от примесей вода, являются диэлектриками, то есть не проводят ток. Однако, если данные вещества соединить, то такой тандем станет отличным проводником. В результате появления электрического поля в растворах электролитов возникает электролитическая диссоциация, то есть происходит распад элементов на положительные и отрицательные ионы. В результате этого появляются свободные носители заряда.

Если начать пропускать ток через электролит, в котором имеется ионы, то положительные из них будут стремиться осесть на катоде, а отрицательные — на аноде.

С помощью закона Фарадея можно рассчитать, какое количество элементов осядет на поверхности электродов:

Именно по средствам электролиза происходит покрытие некоторых деталей необходимыми элементами. К такой детали подводят ток необходимой полярности, в зависимости от знака иона, и на ней начинают оседать необходимые элементы.

Диэлектрики не способны проводить электрический ток из-за отсутствия носителей зарядов. Все  структурные частицы диэлектриков находятся в устойчивом положении в узлах решетки. Поэтому, если некоторый диэлектрик поместить в электрическое поле — никаких изменений не произойдет.

Электрический ток в газах

Газы являются плохими диэлектриками, которые при обычных условиях считаются плохими проводниками. Однако в результате ионизации, газы в них появляются свободные носители зарядов. Ионизация может происходить в результате различных излучений или резких изменений других характеристик среды.

Примером появления тока в газах является молния, корона на острых частях высоких деревьев, гор, пиков на сооружениях. В результате ионизации происходит коронный разряд, образованный полем между проводниками. Часто такой разряд можно встретить между высоковольтными проводами.

Полупроводники

Кроме основного разделения на проводники и диэлектрики, существует некие промежуточные вещества. Удельное сопротивление таких проводников такое же или даже меньше, чем у проводников. К данным видам материалов относятся германий, кремний и другие элементы. Данным веществам характерно уменьшения сопротивления вследствие повышения температуры или же освещенности. Это значит, что в обычном состоянии такие вещества ничем не отличаются от обыкновенных диэлектриков, но при соответствующих условиях становятся отличными проводниками.

Изменение сопротивления вследствие изменения температуры графически можно представить следующим образом:

Из данной зависимости можно сделать вывод, что такое свойство особенным образом отличает полупроводники от проводников тем, что у вторых при повышении температуры сопротивление наоборот растет. Что касается света, то для проводников он не играет никакой роли, а полупроводникам снижает сопротивление.  Так как во время протекания тока не происходит переноса вещества, можно судить, что носителями заряда являются электроны.

Почему же меняются свойства во время увеличения температуры? Повышение температуры приводит к увеличению скорости частиц, что приводит к образованию свободных носителей.

Основным отличием строения полупроводников является ковалентная связь атомов, которая является единственной причиной, по которой они удерживаются на своих местах в кристаллической решетке.

Строение кремния

Чтобы разобраться в проводимости кремния и других полупроводников, следует изучить их строение.

Все шары на рисунке — это атомы элемента, а трубки, что их соединяют — ковалентная связь. Стоит обратить внимание, что каждый атом имеет четыре соседа, это объясняется тем, что элемент имеет валентность, равную четырем.

Каждый атом кремния имеет внешние 4 свободных электрона, к каждому из которых присоединяются аналогичные элементы. При этом, стоит отметить, что электроны способны свободно передвигаться и переходить к соседним атомам и становится его собственностью. Забегая вперед, можно отметить, что именно такое передвижение между соседними атомами и приводит к появлению тока. А чем выше температура, тем легче перемещаются электроны.

Стоит отметить, что электроны не только способны ускорять свое движение в кристалле под действием температуры, но и начинается разрушение ковалентных связей. Чем больше таких связей разорвалось, тем больше становится значение электрического тока.

Когда связь разрушается, а электрон выходит из своего места, там появляется дырка — это место, куда стремится попасть соседний электрон при наличии внешней силы. Когда электрон путешествует по полупроводнику, он переходит с одной дырки в другую, в результате чего дырка также перемещается. Если на полупроводник действует повышенная температура, то дырки и электроны блуждают в произвольном порядке, но когда полупроводник помещается в электрическое поле, дырки начинают двигаться в направлении, обратном напряженности.

Примеси, P-n-переход

В результате введения дополнительных примесей в полупроводник, происходит изменение его свойств. В таком случае полупроводники будут иметь не только собственную проводимость, но и способность примесей проводить электрический ток.

Например, если к четырехвалентному кремнию добавить мышьяк, который имеет валентность, равную пяти, то такое соединение будет иметь лишний электрон в кристаллической решетке. И к чему же приводит такой электрон? К появлению свободных носителей зарядов.

В таком случае такой полупроводник будет иметь значительную проводимость даже при комнатной температуре, поскольку свободный электрон не имеет достаточной силы взаимодействия с кремнием, поэтому способен спокойно перемещаться по полупроводнику.

Отличием такого соединения является то, что свободный электрон и его движение не сопровождается появлением дырки. Однако, как и прежде между атомами кремния связь рвется и образуются так же электроны и дырки. Проводимость, при которой свободных электронов больше, чем дырок за счет примесей, называется донорной, а полупроводники получили название n-полупроводники.

Если два полупроводника, которые имеют различную проводимость привести в контакт, то на месте их разделения появится P-n-переход.

На рисунке слева находится полупроводник, где преобладают дырки, а справа — электронная проводимость.  В результате свободного движения одни носители перемещаются в другую часть полупроводника, что приводит к их смешению, однако в тех местах, где существует граница — остается заряд, что не был скомпенсирован.

Если через полупроводники пропустить ток, то он будет способствовать движению частиц, что приведет к увеличению перехода, что способствует снижению проводимости.

Если ток направить в обратном направлении, то ситуация существенно изменится:

P-n-переход начнет уменьшаться, что приведет к увеличению проводимости. Таким образом, можно сделать вывод, что два полупроводника с различной проводимостью будет проводить ток только в одном направлении. Такой принцип и строение используется в полупроводниковых диодах.

Если диод изображен таким образом, как показано выше, то это значит, что ток может бежать слева направо, но ни в коем случае не в обратном направлении.

19.1. Носители тока в газах

Газы в отличие от металлов состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и не содержат свободных зарядов (электронов и ионов), способных приходить в упорядоченное движение под действием электрического поля. Следовательно, при нормальных условиях газы являются изоляторами. Это подтверждается опытами с заряженными изолированными проводниками в сухом воздухе: их заряд практически не изменяется в течение длительного времени. Газ становится проводником, если часть его молекул ионизируется, т. е. они расщепляются на электроны и положительные ионы. В газе могут возникнуть и отрицательные ионы вследствие соединения с его нейтральными молекулами части освободившихся электронов. Атомы и молекулы газа представляют собой устойчивые системы заряженных частиц. Поэтому для ионизации атома (или молекулы), необходимо совершить работу против сил взаимодействия между вырываемым электроном и остальными частицами атома (или молекулы) Эта работа называется работой ионизации Ai. Величина работы ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния вырываемого электрона в атоме или молекуле. Наиболее слабо связаны с ядром внешние (валентные) электроны атомов, поэтому для удаления из атома валентного электрона нужно затратить меньшую работу, чем для любого другого электрона. Работу ионизации можно характеризовать с помощью потенциала ионизации. Потенциалом ионизации называется та разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле для того, чтобы увеличение его энергии было равно работе ионизации . Если Аi выражено в электронвольтах, a — в вольтах, то численно равно Аi. Ионизация газов может происходить под влиянием различных внешних воздействий: сильного нагрева газа, рентгеновских лучей, — лучей, возникающих при радиоактивном распаде, космических лучей, бомбардировке молекул газа быстро движущимися электронами или ионами. Количественной характеристикой процесса ионизации служит интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени. Под действием внешнего электрического поля электроны и ионы ионизации начинают двигаться, и возникает электрический ток. Процесс прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Различают в основном два вида газового разряда: самостоятельный и несамостоятельный.

Почему окружающие предметы бьют током

Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряда.

Одна из причин этого неприятного явления объясняется очень просто. Наш организм в вопросах электрической безопасности устроен весьма интересно:

1. с одной стороны, мы своими органами чувств никак не может распознать наличие близкорасположенного потенциала электрического напряжения;

2. в то же время при попадании под его действие получаем неприятные ощущения, травмы, трагические повреждения.

В таких ситуациях принято говорить, что нас бьет током. Попробуем раскрыть этот вопрос подробнее, с точки зрения электротехники. Нам потребуется учесть природу протекания тока, свойства нашего тела, накопленный предшественниками опыт несчастных случаев, сформулированный правилами безопасности.

Что такое электрический ток

Им называют упорядоченное (ориентированное определённым образом) движение мельчайших частиц, обладающих зарядами. Оно создается под влиянием приложенных внешних сил электрического поля.

Заряды бывают с положительным и отрицательным знаком. Электронам присущ только отрицательный знак. Дырки в полупроводниках обладают положительным зарядом, а ионы в газах и жидкость могут иметь оба знака. Их так и называют: анионы и катионы.

Электрический ток создается во всех средах: твердых, жидких и газообразных. Чаще всего на практике мы сталкиваемся с током, протекающим в металлах. Проснулись утром, включили свет, взяли в руки телефон, открыли холодильник, стали готовить пищу, поехали на автомобиле или троллейбусе…везде работает электричество.

Носителями зарядов в металлах выступают электроны. Они движутся, отталкиваясь от отрицательного электрода и притягиваясь к положительному.

За направление тока принято считать противоположное им движение.

В жидкостях и газах носителями электрических зарядов кроме электронов выступают ионы, а процесс их образования, например, связанный с нагревом воздушной среды, называют ионизацией.

О протекании электрического тока мы можем судить по следующим косвенным признакам:

1. происходит нагрев проводника;

2. изменяется химический состав вещества, по которому движутся заряды;

3. создается силовое поле, воздействующее на рядом протекающие токи или намагниченные предметы.

Причины поражения людей электрическим током

В составе человеческого организма имеется очень сложный набор веществ, но его можно представить несколько упрощенно.

Количество жидкости в нашем теле занимает примерно 60% от общего состава и зависит от возраста. У детей больше всего влаги в организме, а с возрастом ее количество уменьшается и доходит до 55% у пожилых людей.

Эти факты показывают, что наше тело является хорошим проводником. Когда оно оказывается между двумя разными потенциалами напряжения, то через него создается путь для протекания электрического тока в жидкости. Его величину может незначительно ограничить небольшое сопротивление кожи или одежды.

Так же необходимо учесть физиологические особенности организма. Все виды мышц сокращаются под действием сигналов, поступающих от центральной нервной системы. Для этого задействованы сложные электрохимические преобразования. Вмешательство посторонней энергии в эти процессы приводит к серьёзным повреждениям.

Посторонние электрические токи, проходящие через живой организм, нагревают органы, по которым протекают, разрушают структуру физиологических жидкостей, изменяют химический состав тканей, повреждают нервную систему.

Особую опасность создают токи, проходящие через сердце. Они могут вызвать его фибрилляцию и остановку.

Причем произойти это может при силе тока всего в 50 миллиампер или 0,05 А. Для сравнения: лампочка накаливания карманного фонарика требует нагрузку в два раза больше.

Самые опасные направления токов через сердце создаются, когда человек прикасается к разным потенциалам двумя руками или образует контакты левой рукой и правой ногой. Электрики, работающие под напряжением даже со всеми средствами электрозащитных средств, стараются исключать рабочие позы, допускающих возможность протекания тока по этим путям. (Работой правой рукой, а левую держи в кармане.)

Откуда появляется опасное для человека напряжение

В быту, да и на производстве тоже, постоянно существует два вида опасностей:

1. статическое электричество;

2. стационарная электрическая сеть, находящаяся под напряжением.

Следует учитывать, что при возникновении аварийных ситуаций на удаленных объектах, электрический ток может прийти к человеку по обводным токопроводящим каналам, например, трубопроводам, арматуре, металлоконструкциям.

Природа статического электричества

Мы постоянно дышим воздухом, находимся в его среде, состоящей из различных газов. Преобладающими носителями зарядов в нем являются положительно и отрицательно заряженные ионы. Чтобы они начали движение (стал протекать ток) необходимо обеспечить их скопление на определённых предметах и после этого создать путь для разряда опасного потенциала.

На практике такие процессы происходят очень часто даже без нашего участия вполне естественным путем. Дело в том, что практически все вещества в той или иной мере способны концентрировать заряды электричества на своей поверхности.

Общеизвестно, что расчесывание волос пластмассовыми расчёсками, как и трение эбонитовой палочкой по шерсти, электризует эти предметы или накапливает на них заряды. Эта способность физических веществ называется трибозлектрическим эффектом. Она характеризуется специальной шкалой, выдержка из которой приведена ниже.

Откуда возникают статические заряды

Как показывает такая диаграмм, ношение одежды из натурального хлопка, пользование предметами из натуральной древесины и изготовленной из нее бумаги исключает скопление электрических зарядов на теле человека. В то же время работа с кожаными, шерстяными и пластмассовыми изделиями ведет к накоплению положительного или отрицательного потенциала.

Стоит надеть зимой на ноги теплые шерстяные носки и немного походить в них по ковру или линолеуму, как на теле образуется высоковольтный положительный потенциал статического электричества. Такой же эффект обеспечит хождение в обычных комнатных тапочках с резиновой подошвой.

Зимой воздух в комнатах более сухой, а на своем теле мы носим больше одежды, вызывающей статику. Оба этих фактора способствуют увеличенному накоплению зарядов в холодной время года.

Пластиковые предметы, а это окна, различная тара, пенопластовые утеплители, собирают отрицательные заряды.

Накапливанию потенциалов зарядов способствуют:

• бетонные плиты строительных конструкций;
• повышенная сухость воздуха, характерная для многоэтажных зданий в зимний период.

При обычном состоянии покоя вещества заряды стремятся прийти в равновесие. Однако, стоит привести их в движение: перемещать, вращать, тереть поверхностями друг о друга, как начинается процесс электризации. Его также вызывают другие факторы, например:

• резкие нагревы и охлаждения предметов;
• облучения от различных электромагнитных источников энергии;
• дробление, разрезание на более мелкие части.

Во время электризации одновременно происходит два процесса: накопление и стекание зарядов. Но, первый протекает значительно быстрее и потому преобладает. За счет этого заряды скапливаются на внешней поверхности вещества, образуют довольно высокие потенциалы.

Промышленность выпускает приборы, позволяющие оценивать их величину. Контрольные замеры, проведенные специалистами, показали такие цифры:

• потенциал тела человека, походившего в шерстяных носках по ковру достиг 6 кВ;
• корпус легкового автомобиля, проехавшего по сухому асфальту, зарядился до 10 кВ;
• ремень, передающий вращение между двумя шкивами в механическом приводе, приобрел потенциал около 25 кВ.

Такие высокие величины напряжения чаще всего в обычных условиях стекают небольшими искровыми разрядами, вызывающими понижение работоспособности, пощипывания, покалывания кожи, судорожные движения конечностей. Малые токи таких разрядов объясняются небольшими мощностями источников и высоким электрическим сопротивлением воздуха.

Однако они могут спровоцировать пожар при контакте со средой из легковоспламеняющихся жидкостей и газов.

Кроме того, статические разряды представляют большую опасность для электронной аппаратуры. Они довольно часто повреждают высокочувствительные к токам полевые транзисторы, микросхемы, блоки логики. Достаточно случайно прикоснуться к ним, создав путь стекания тока, как это станет причиной повреждения дорогого оборудования.

Заряд высоковольтного потенциала, скопившийся на одежде человека, через суммарное сопротивление его тела и контактной площадки начинает стекать импульсом через структуру полупроводниковых элементов. При этом токи достигают максимальной величины в первые 10 миллисекунд, а затем они начинают постепенно снижаться.

Ток разряда подобного импульса способен не только вызвать явное повреждение электронного оборудования, когда оно полностью теряет работоспособность, но и создать скрытые дефекты, незначительно ухудшающие выходные параметры. В этом случае происходит разрегулировка точно налаженной схемы и сбой ее работы.

Приходим к выводу: необходимо избегать скопления статистических зарядов и принимать меры к уменьшению их вредного влияния.

Способы снижения токов статических разрядов

Наиболее доступным методом является повышение влажности воздуха в помещении. Она создает лучшую электрическую проводимость среды, ускоряет стекание зарядов.

Поэтому поддержание оптимальной влажности воздуха в жилых комнатах различными увлажнителями является одним из популярных методов борьбы со статикой. Самый бюджетный вариант этого метода — размещение на батареях отопления смоченных тканей, от которых происходит испарение влаги.

Снизить влияние статического электричества позволяет обработка воздуха специальным аэрозолем, содержащем в своем составе химические реагенты, улучшающие проводимость среды. Их продают флаконами с распылителями или в виде жидкостей, добавляемых в процессе стирки при полоскании белья.

Частое проветривание помещений тоже снижает сухость воздуха.

Обувь, которую мы постоянно носим на улице, часто имеет прорезиненную или пластиковую подошву. Она хорошо накапливает заряды статики при ходьбе. Устранить их влияние позволяют специальные стельки, изготовленные из природных материалов.

Однако, самый лучший результат борьбы со статическими зарядами обеспечивает правильно организованная система выравнивания потенциалов, совмещенная с контуром заземления квартиры. Она создается один раз, а работает постоянно, снимая усталость, нормализуя давление, поднимая настроение.

При ремонте электронной аппаратуры используют заземленные браслеты, комплект антистатической одежды и обуви.

Статические заряды, накапливающиеся на корпусе движущегося автомобиля, снимают специальными ремнями «антистатика», которые крепятся к кузову авто и создают цепь стекания опасного потенциала на землю.

Однако такие конструкции не отличаются высокой эффективностью, свою задачу решают частично, снимая только часть опасного заряда. Чтобы они хорошо работали необходимо повторять заземление транспортных средств, перевозящих легковоспламеняющиеся жидкости, которое создается металлическими цепями.

Поэтому ведущие производители автомобилей встраивают в машину удобные устройства, которые позволяют снимать заряд, выполняя механические действия на органах управления при открытии и закрытии дверок, повороте руля, переключении рукоятки коробки передач. Они показаны на фотографиях светло зелёным цветом.

Почему бьет током стационарная электрическая сеть

Правила электрической безопасности предусматривают все возможные случаи предотвращения поражения людей электрическим током. Их следует изучить и применять на практике.

Однако в повседневной жизни человек нарушает их по разным причинам, включая и незнание. Поэтому кратко рассмотрим основные принципы построения автоматических защит, обеспечивающих безопасность человека в бытовых условиях.

Защита автоматическими выключателями

Современные автоматы изготавливают в модульном исполнении для одновременного выполнения двух задач:

1. максимально быстрого отключения возникших токов коротких замыканий, представляющих наибольшую опасность для человека;

2. ликвидации перегрузок сети, способных повредить оборудование.

Они устраняются с выдержкой времени.

Например, если маленький ребенок возьмёт в руки два гвоздя и воткнет их в розетку, находящуюся под напряжением, то спасти его сможет только быстрая отсечка возникшего аварийного тока автоматическим выключателем.

В этом случае электрическая розетка выполняет свое прямое назначение и бьет током, а автомат спасает пострадавшего от трагического исхода.

Защита от токов утечек

Когда происходит повреждение электрической изоляции любого бытового прибора и потенциал сети попадает на его токопроводящий корпус, то создается опасная ситуация. Случайно дотронувшегося до поврежденного оборудования человека бьет током по созданной его телом цепи на контур земли.

Автоматический выключатель в большинстве таких случаев может не отработать, а защиту должно выполнить УЗО или дифавтомат, реагирующие на нарушение баланса токов в контролируемой схеме.

Защита от тока молнии

Несчастный случай, связанный с стихийно возникающими природными явлениями, может произойти в любой неблагоприятный момент времени. Защита от прямого удара молнии в здание возложена на молниеотвод, шину отвода опасного разряда и контур заземления.

Если же молния попадает в питающую дом ВЛ, то ее огромный потенциал тоже может пройти в жилище. Защита в этом случае возложена на разрядники и УЗИП. 

Ранее ЭлектроВести писали, что на Ривненской АЭС потеряли несколько миллионов гривен из-за 10-часовой остановки реактора, но сейчас довольны новым рынком электроэнергии.

По материалам: electrik.info.

определение, особенности и интересные факты

1. Ионизация, ее сущность и виды.

Первым условием существования электрического тока является наличие свободных носителей заряда. В газах они возникают в результате ионизации. Под действием факторов ионизации от нейтральной частицы отделяется электрон. Атом становится положительным ионом. Таким образом, возникает 2 типа носителей заряда: положительный ион и свободный электрон. Если электрон присоединится к нейтральному атому, то возникает отрицательный ион, т.е. третий тип носителей заряда. Ионизированный газ называют проводником третьего рода. Здесь возможно 2 типа проводимости: электронная и ионная. Одновременно с процессами ионизации идет обратный процесс- рекомбинация. Для отделения электрона от атома надо затратить энергию. Если энергия поводится извне, то факторы способствующие ионизации, называются внешними (высокая температура, ионизирующее излучение, у/ф излучение, сильные магнитные поля). В зависимости от факторов ионизации, ее называют термоионизацией, фотоионизацией. Также ионизация может быть вызвана механическим ударом. Факторы ионизации делятся на естественные и искусственные. Естественная вызвана излучением Солнца, радиоактивным фоном Земли. Кроме внешней ионизацией есть внутренняя. Ее делят на ударную и ступенчатую.

Ударная ионизация.

При достаточно высоком напряжении, электроны разогнанные полем до больших скоростей, сами становятся источником ионизации. При ударе такого электрона о нейтральный атом происходит выбивание электрона из атома. Это происходит, когда энергия электрона, вызывающего ионизацию, превышает энергию ионизации атома. Напряжение между электродами должно быть достаточным для приобретения электроном нужной энергии. Это напряжение называется ионизационным. Для каждого имеет свое значение.

Если энергия движущегося электрона меньше, чем это необходимо, то при ударе происходит лишь возбуждение нейтрального атома. Если движущийся электрон сталкивается с предварительно возбужденным атомом, то происходит ступенчатая ионизация.

2. Несамостоятельный газовый разряд и его вольт-амперная характеристика.

Ионизация приводит к выполнению первого условия существования тока, т.е. к появлению свободных зарядов. Для возникновения тока необходимо наличие внешней силы, которая заставит заряды двигаться направленно, т.е. необходимо электрическое поле. Электрический ток в газах сопровождаются рядом явлений: световых, звуковых, образование озона, окислов азота. Совокупность явлений сопровождающих прохождением тока через газ- газовый разряд . Часто газовым разрядом называют сам процесс прохождения тока.

Разряд называется несамостоятельным, если он существует только во время действия внешнего ионизатора. В этом случае после прекращения действия внешнего ионизатора не образуются новые носители заряда, и ток прекращается. При несамостоятельном разряде токи имеют по величине небольшое значение, а свечение газа отсутствует.

Самостоятельный газовый разряд, его виды и характеристика.

Самостоятельный газовый разряд — это разряд, который может существовать после прекращения действия внешнего ионизатора, т.е. за счет ударной ионизации. В этом случае наблюдается световые и звуковые явления, сила тока может значительно увеличиваться.

Виды самостоятельного разряда:

1. тихий разряд -следует непосредственно за несамостоятельным, сила тока не превышает 1 мА, звуковых и световых явлений нет. Применяется в физиотерапии, счетчиках Гейгера — Мюллера.

2. тлеющий разряд . При увеличении напряжения тихий переходит в тлеющий. Он возникает при определенном напряжении — напряжении зажигания. Оно зависит от вида газа. У неона 60-80 В. Также зависит от давления газа. Тлеющий разряд сопровождается свечением, оно связано с рекомбинацией, идущей с выделением энергии. Цвет также зависит от вида газа. Применяется в индикаторных лампах (неоновых, у/ф бактерицидных, осветительных, люминесцентных).

3. дуговой разряд. Сила тока 10 — 100 А. Сопровождается интенсивным свечением, температура в газоразрядном промежутке достигает нескольких тысяч градусов. Ионизация достигает почти 100%. 100% ионизированный газ — холодная газовая плазма. У нее хорошая проводимость. Применяется в ртутных лампах высокого и сверхвысокого давления.

4. Искровой разряд — это разновидность дугового. Это разряд импульсно — колебательного характера. В медицине применяется воздействие высокочастотных колебаний.При большой плотности тока наблюдаются интенсивные звуковые явления.

5. коронный разряд . Это разновидность тлеющего разряда Он наблюдается в местах где происходит резкое изменение напряженности электрического поля. Здесь возникает лавина зарядов и свечение газов — корона.

В газах существуют несамостоятельные и самостояг тельные электрические разряды.

Явление протекания электрического тока через газ, наблюдаемое только при условии какого-либо внешнего воздействия на газ, называется несамостоятельным электрическим разрядом. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией атома. Минимальная энергия, которую необходимо затратить для отрыва электрона от атома, называется энергией ионизации. Частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов одинаковы, называется плазмой .

Носителями электрического тока при несамостоятельном разряде являются положительные ионы и отрицательные электроны. Вольт-амперная характеристика представлена на рис. 54. В области ОАВ — несамостоятельный разряд. В области ВС разряд становится самостоятельным.

При самостоятельном разряде одним из способов ионизации атомов является ионизация электронным ударом. Ионизация электронным ударом становится возможна тогда, когда электрон на длине свободного пробега А приобретает кинетическую энергию W k , достаточную для совершения работы по отрыву электрона от атома. Виды самостоятельных разрядов в газах — искровой, коронный, дуговой и тлеющий разряды.

Искровой разряд возникает между двумя электродами заряженными разными зарядами и имеющие большую разность потенциалов. Напряжение между разноименно заряженными телами достигает до 40 000 В. Искровой разряд кратковременный, его механизм — электронный удар. Молния — вид искрового разряда.

В сильно неоднородных электрических полях, образующихся, например, между острием и плоскостью или между проводом линии электропередачи и поверхностью Земли, возникает особая форма самостоятельного разряда в газах, называемая коронным разрядом .

Электрический дуговой разряд был открыт русским ученым В. В. Петровым в 1802 г. При соприкосновении двух электродов из углей при напряжении 40-50 В в некоторых местах возникают участки малого сечения с большим электрическим сопротивлением. Эти участки сильно разогреваются, испускают электроны, которые ионизируют атомы и молекулы между электродами. Носителями электрического тока в дуге являются положительно заряженные ионы и электроны.

Разряд, возникающий при пониженном давлении, называется тлеющим разрядом . При понижении давления увеличивается длина свободного пробега электрона, и за время между столкновениями он успевает приобрести достаточную для ионизации энергию в электрическом поле с меньшей напряженностью. Разряд осуществляется электронно-ионной лавиной.

Электрический ток в газах в нормальных условиях невозможен. То есть при атмосферной влажности давлении и температуре в газе отсутствуют носители зарядов. Это свойство газа, в частности воздуха, используется в воздушных линиях передач выключателях реле для обеспечения электрической изоляции.

Но при определенных условиях в газах может наблюдутся ток. Проведем опыт. Для него нам понадобится воздушный конденсатор электрометр и соединительные провода. Для начала соединим электрометр с конденсатором. Потом сообщим заряд пластинам конденсатора. Электрометр при этом покажет наличие этого самого заряда. Воздушный конденсатор некоторое время будет хранить заряд. То есть тока между его пластинами не будет. Это говорит о том что воздух между обкладками конденсатора обладает диэлектрическими свойствами.

Рисунок 1 — Заряженный конденсатор подключенный к электрометру

Далее внесем в промежуток между пластинами пламя свечи. При этом увидим, что электрометр покажет уменьшение заряда на пластинах конденсатора. То есть в зазоре между пластинами протекает ток. Почему же это происходит.

Рисунок 2 — Внесение свечи в зазор между обкладками заряженного конденсатора

В нормальных условиях молекулы газа электрически нейтральны. И не способны обеспечивать ток. Но при повышении температуры наступает так называемая ионизация газа, и он становится проводником. В газе появляются положительные и отрицательные ионы.

Чтобы от атома газа оторвался электрон необходимо совершить работу против Кулоновских сил. Для этого необходима энергия. Эту энергию атом получает с увеличением температуры. Так как кинетическая энергия теплового движения прямо пропорционально температуре газа. То с ее увеличение молекулы и атомы получают достаточно энергии, чтобы при соударении от атомов отрывались электроны. Такой атом становится положительным ионом. Оторванный электрон может прицепиться к другому атому тогда он станет отрицательным ионом.

В итоге в зазоре между пластинами появляются положительные и отрицательные ионы, а также электроны. Все они начинают двигаться под действием поля созданного зарядами на обкладках конденсатора. Положительные ионы движутся к катоду. Отрицательные ионы и электроны стремятся к аноду. Таким образом, в воздушном зазоре обеспечивается ток.

Зависимость тока от напряжения не на всех участках подчиняется закону Ома. На первом участке это так с увеличением напряжения увеличивается количество ионов а, следовательно, и ток. Далее на втором участке наступает насыщение, то есть с увеличением напряжения ток не увеличивается. Потому что концентрация ионов максимальна и новым появляется просто неоткуда.

Рисунок3 — вольтамперная характеристика воздушного зазора

На третьем участке вновь наблюдается рост тока с увеличением напряжения. Этот участок называется самостоятельным разрядом. То есть для поддержания тока в газе уже не нужны сторонние ионизаторы. Происходит это из за того что, электроны при высоком напряжении, получают достаточную энергию для того чтобы выбивать другие электроны из атомов самостоятельно. Эти электроны в свою очередь выбивают другие и так далее. Процесс идет лавинообразно. И основную проводимость в газе обеспечивают уже электроны.

В обычных условиях газы не проводят электрический ток, так как их молекулы электрически нейтральны. Например, сухой воздух — это хороший изолятор, в чем мы могли убедиться с помощью самых простых опытов по электростатике. Однако воздух и другие газы становятся проводниками электрического тока, если в них тем или иным способом создать ионы.

Рис. 100. Воздух становится проводником электрического тока, если его ионизировать

Простейший опыт, иллюстрирующий проводимость воздуха при его ионизации пламенем показан на рис. 100: заряд на пластинах, сохраняющийся в течение длительного времени, быстро исчезает при внесении зажженной спички в пространство между пластинами.

Газовый разряд. Процесс прохождения электрического тока через газ обычно называют газовым разрядом (или электрическим разрядом в газе). Газовые разряды подразделяются на два вида: самостоятельные и несамостоятельные.

Несамостоятельный разряд. Разряд в газе называют несамостоятельным, если для его поддержания необходим внешний источник

ионизации. Ионы в газе могут возникать под действием высоких температур, рентгеновского и ультрафиолетового излучения, радиоактивности, космических лучей и т. д. Во всех этих случаях происходит освобождение одного или нескольких электронов из электронной оболочки атома или молекулы. В результате в газе появляются положительные ионы и свободные электроны. Освободившиеся электроны могут присоединяться к нейтральным атомам или молекулам, превращая их в отрицательные ионы.

Ионизация и рекомбинация. Наряду с процессами ионизации в газе происходят и обратные процессы рекомбинации: соединяясь между собой, положительные и отрицательные ионы или положительные ионы и электроны образуют нейтральные молекулы или атомы.

Изменение со временем концентрации ионов, обусловленное постоянным источником ионизации и процессами рекомбинации, можно описать следующим образом. Допустим, что источник ионизации создает в единице объема газа за единицу времени положительных ионов и такое же число электронов. Если в газе нет электрического тока и можно пренебречь уходом ионов из рассматриваемого объема из-за диффузии, то единственным механизмом уменьшения концентрации ионов будет рекомбинация.

Рекомбинация происходит при встрече положительного иона с электроном. Число таких встреч пропорционально как числу ионов, так и числу свободных электронов, т. е. пропорционально . Поэтому убыль числа ионов в единице объема в единицу времени может быть записана в виде , где а — постоянная величина, называемая коэффициентом рекомбинации.

При справедливости введенных предположений уравнение баланса ионов в газе запишется в виде

Мы не будем решать это дифференциальное уравнение в общем виде, а рассмотрим некоторые интересные частные случаи.

Прежде всего отметим, что процессы ионизации и рекомбинации через некоторое время должны скомпенсировать друг друга и в газе установится постоянная концентрация видно, что при

Стационарная концентрация ионов тем больше, чем мощнее источник ионизации и чем меньше коэффициент рекомбинации а.

После выключения ионизатора убывание концентрации ионов описывается уравнением (1), в котором нужно положить принять в качестве начального значения концентрации

Переписав это уравнение в виде после интегрирования получаем

График этой функции показан на рис. 101. Он представляет собой гиперболу, асимптотами которой являются ось времени и вертикальная прямая Разумеется, физический смысл имеет лишь участок гиперболы, соответствующий значениям Отметим медленный характер убывания концентрации со временем в сравнении с часто встречающимися в физике процессами экспоненциального затухания, которые реализуются, когда скорость убывания какой-либо величины пропорциональна первой степени мгновенного значения этой величины.

Рис. 101. Убывание концентрации ионов в газе после выключения источника ионизации

Несамостоятельная проводимость. Процесс спадания концентрации ионов после прекращения действия ионизатора значительно ускоряется, если газ находится во внешнем электрическом поле. Вытягивая электроны и ионы на электроды, электрическое поле может очень быстро обратить в нуль электропроводность газа в отсутствие ионизатора.

Для уяснения закономерностей несамостоятельного разряда рассмотрим для простоты случай, когда ток в ионизуемом внешним источником газе течет между двумя плоскими электродами, параллельными друг другу. В этом случае ионы и электроны находятся в однородном электрическом поле напряженности Е, равной отношению приложенного к электродам напряжения к расстоянию между ними.

Подвижность электронов и ионов. При постоянном приложенном напряжении в цепи устанавливается некоторая постоянная сила тока 1. Это значит, что электроны и ионы в ионизованном газе движутся с постоянными скоростями. Чтобы объяснить этот факт, нужно считать, что кроме постоянной ускоряющей силы электрического поля на движущиеся ионы и электроны действуют силы сопротивления, растущие с увеличением скорости. Эти силы описывают усредненный эффект столкновений электронов и ионов с нейтральными атомами и молекулами газа. Благодаря силам сопротивления

устанавливаются в среднем постоянные скорости электронов и ионов, пропорциональные напряженности Е электрического поля:

Коэффициенты пропорциональности называются подвижностями электрона и иона. Подвижности ионов и электронов имеют разные значения и зависят от сорта газа, его плотности, температуры и т. д.

Плотность электрического тока т. е. заряд, переносимый электронами и ионами за единицу времени через единичную площадку, выражается через концентрацию электронов и ионов их заряды и скорости установившегося движения

Квазинейтральность. В обычных условиях ионизованный газ в целом электронейтрален, или, как говорят, квазинейтрален, ибо в малых объемах, содержащих сравнительно небольшое число электронов и ионов, условие электронейтральности может и нарушаться. Это значит, что выполняется соотношение

Плотность тока при несамостоятельном разряде. Чтобы получить закон изменения со временем концентрации носителей тока при несамостоятельном разряде в газе, нужно наряду с процессами ионизации внешним источником и рекомбинации учесть также уход электронов и ионов на электроды. Число частиц, уходящих в единицу времени на электрод площади из объема равно Скорость убывания концентрации таких частиц мы получим, разделив это число на объем газа между электродами. Поэтому уравнение баланса вместо (1) при наличии тока запишется в виде

Для установления режима, когда из (8) получаем

Уравнение (9) позволяет найти зависимость плотности установившегося тока при несамостоятельном разряде от приложенного напряжения (или от напряженности поля Е).

Два предельных случая видны непосредственно.

Закон Ома. При низком напряжении, когда в уравнении (9) можно пренебречь вторым слагаемым в правой части, после чего получаем формулы (7) при этом имеем

Плотность тока пропорциональна напряженности приложенного электрического поля. Таким образом, для несамостоятельного газового разряда в слабых электрических полях выполняется закон Ома.

Ток насыщения. При низкой концентрации электронов и ионов в уравнении (9) можно пренебречь первым (квадратичным по слагаемым в правой части. В этом приближении вектор плотности тока направлен вдоль напряженности электрического поля, а его модуль

не зависит от приложенного напряжения. Этот результат справедлив для сильных электрических полей. В этом случае говорят о токе насыщения.

Оба рассмотренных предельных случая можно исследовать и не обращаясь к уравнению (9). Однако таким путем нельзя проследить, как при увеличении напряжения происходит переход от закона Ома к нелинейной зависимости тока от напряжения.

В первом предельном случае, когда ток очень мал, основной механизм удаления электронов и ионов из области разряда — это рекомбинация. Поэтому для стационарной концентрации можно воспользоваться выражением (2), что при учете (7) немедленно дает формулу (10). Во втором предельном случае, наоборот, пренебрегается рекомбинацией. В сильном электрическом поле электроны и ионы не успевают сколько-нибудь заметно рекомбинировать за время пролета от одного электрода до другого, если концентрация их достаточно мала. Тогда все образуемые внешним источником электроны и ионы достигают электродов и полная плотность тока равна Она пропорциональна длине ионизационной камеры, поскольку полное число производимых ионизатором электронов и ионов пропорционально I.

Экспериментальное изучение газового разряда. Выводы теории несамостоятельного газового разряда подтверждаются экспериментами. Для исследования разряда в газе удобно использовать стеклянную трубку с двумя металлическими электродами. Электрическая схема такой установки показана на рис. 102. Подвижности

электронов и ионов сильно зависят от давления газа (обратно пропорционально давлению), поэтому опыты удобно проводить при пониженном давлении.

На рис. 103 представлена зависимость силы тока I в трубке от приложенного к электродам трубки напряжения Ионизацию в трубке можно создать, например, рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами либо с помощью слабого радиоактивного препарата. Существенно только, чтобы внешний источник ионов оставался неизменным Линейный участок ОА вольт-амперной характеристики соответствует области применимости закона Ома.

Рис. 102. Схема установки для изучения газового разряда

Рис. 103. Экспериментальная вольт-амперная характеристика газового разряда

На участке сила тока нелинейно зависит от напряжения. Начиная с точки В ток достигает насыщения и остается постоянным на некотором участке Все это соответствует теоретическим предсказаниям.

Самостоятельный разряд. Однако в точке С снова начинается возрастание тока, сначала медленное, а затем очень резкое. Это означает, что в газе появился новый, внутренний источник ионов. Если теперь убрать внешний источник, то разряд в газе не прекращается, т. е. из несамостоятельного разряд переходит в самостоятельный. При самостоятельном разряде образование новых электронов и ионов происходит в результате внутренних процессов в самом газе.

Ионизация электронным ударом. Нарастание тока при переходе от несамостоятельного разряда к самостоятельному происходит лавинообразно и называется электрическим пробоем газа. Напряжение, при котором происходит пробой, называется напряжением зажигания. Оно зависит от рода газа и от произведения давления газа на расстояние между электродами.

Процессы в газе, ответственные за лавинообразное нарастание силы тока при увеличении приложенного напряжения, связаны с ионизацией нейтральных атомов или молекул газа свободными электронами, разогнанными электрическим полем до достаточно

больших энергий. Кинетическая энергия электрона перед очередным столкновением с нейтральным атомом или молекулой пропорциональна напряженности электрического поля Е и длине свободного пробега электрона X:

Если эта энергия достаточна для того, чтобы ионизовать нейтральный атом или молекулу, т. е. превосходит работу ионизации

то при столкновении электрона с атомом или молекулой происходит их ионизация. В результате вместо одного электрона возникают два. Они в свою очередь разгоняются электрическим полем и ионизуют встречающиеся на их пути атомы или молекулы и т. д. Процесс развивается лавинообразно и называется электронной лавиной. Описанный механизм ионизации называется ионизацией электронным ударом.

Экспериментальное доказательство того, что ионизация нейтральных атомов газа происходит в основном благодаря ударам электронов, а не положительных ионов, было дано Дж. Таунсендом. Он брал ионизационную камеру в виде цилиндрического конденсатора, внутренним электродом которого служила тонкая металлическая нить, натянутая по оси цилиндра. В такой камере ускоряющее электрическое поле сильно неоднородно, и основную роль в ионизации играют частицы, которые попадают в область наиболее сильного поля вблизи нити. Опыт показывает, что при одном и том же напряжении между электродами ток разряда больше в том случае, когда положительный потенциал подается на нить, а не на внешний цилиндр. Именно в этом случае все создающие ток свободные электроны обязательно проходят через область наиболее сильного поля.

Эмиссия электронов из катода. Самостоятельный разряд может быть стационарным лишь при условии постоянного появления в газе новых свободных электронов, так как все возникающие в лавине электроны достигают анода и выбывают из игры. Новые электроны выбиваются из катода положительными ионами, которые при движении к катоду также ускоряются электрическим полем и приобретают достаточную для этого энергию.

Катод может испускать электроны не только в результате бомбардировки ионами, но и самостоятельно, при нагревании его до высокой температуры. Такой процесс называется термоэлектронной эмиссией, его можно рассматривать как своего рода испарение электронов из металла. Обычно оно происходит при таких температурах, когда испарение самого материала катода еще мало. В случае самостоятельного газового разряда катод обычно разогревается не

нитью накала, как в электронных лампах, а из-за выделения теплоты при бомбардировке его положительными ионами. Поэтому катод испускает электроны даже тогда, когда энергия ионов недостаточна для выбивания электронов.

Самостоятельный разряд в газе возникает не только в результате перехода от несамостоятельного при повышении напряжения и удалении внешнего источника ионизации, но и при непосредственном приложении напряжения, превышающего пороговое напряжение зажигания. Теория показывает, что для зажигания разряда достаточно самого незначительного количества ионов, которые всегда присутствуют в нейтральном газе хотя бы из-за естественного радиоактивного фона.

В зависимости от свойств и давления газа, конфигурации электродов и приложенного к электродам напряжения возможны различные виды самостоятельного разряда.

Тлеющий разряд. При низких давлениях (десятые и сотые доли миллиметра ртутного столба) в трубке наблюдается тлеющий разряд. Для зажигания тлеющего разряда достаточно напряжения в несколько сотен или даже десятков вольт. В тлеющем разряде можно выделить четыре характерные области. Это темное катодное пространство, тлеющее (или отрицательное) свечение, фарадеево темное пространство и светящийся положительный столб, занимающий большую часть пространства между анодом и катодом.

Первые три области находятся вблизи катода. Именно здесь происходит резкое падение потенциала, связанное с большой концентрацией положительных ионов на границе катодного темного пространства и тлеющего свечения. Электроны, ускоренные в области катодного темного пространства, производят в области тлеющего свечения интенсивную ударную ионизацию. Тлеющее свечение обусловлено рекомбинацией ионов и электронов в нейтральные атомы или молекулы. Для положительного столба разряда характерно незначительное падение потенциала и свечение, вызываемое возвращением возбужденных атомов или молекул газа в основное состояние.

Коронный разряд. При сравнительно высоких давлениях в газе (порядка атмосферного) вблизи заостренных участков проводника, где электрическое поле сильно неоднородно, наблюдается разряд, светящаяся область которого напоминает корону. Коронный разряд иногда возникает в естественных условиях на верхушках деревьев, корабельных мачтах и т. п. («огни святого Эльма»). С коронным разрядом приходится считаться в технике высоких напряжений, когда этот разряд возникает вокруг проводов высоковольтных линий электропередачи и приводит к потерям электроэнергии. Полезное практическое применение коронный разряд находит в электрофильтрах для очистки промышленных газов от примесей твердых и жидких частиц.

При увеличении напряжения между электродами коронный разряд переходит в искровой с полным пробоем промежутка между

электродами. Он имеет вид пучка ярких зигзагообразных разветвляющихся каналов, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток и прихотливо сменяющих друг друга. Искровой разряд сопровождается выделением большого количества теплоты, ярким голубовато-белым свечением и сильным потрескиванием. Его можно наблюдать между шариками электрофорной машины. Пример гигантского искрового разряда — естественная молния, где сила тока достигает 5-105 А, а разность потенциалов — 109 В.

Поскольку искровой разряд происходит при атмосферном (и более высоком) давлении, то напряжение зажигания весьма велико: в сухом воздухе при расстоянии между электродами 1 см оно составляет около 30 кВ.

Электрическая дуга. Специфическим практически важным видом самостоятельного газового разряда является электрическая дуга. При соприкосновении двух угольных или металлических электродов в месте их контакта выделяется большое количество теплоты из-за большого сопротивления контакта. В результате начинается термоэлектронная эмиссия и при раздвижении электродов между ними возникает ярко светящаяся дуга из сильно ионизованного хорошо проводящего газа. Сила тока даже в небольшой дуге достигает нескольких ампер, а в большой дуге — нескольких сотен ампер при напряжении порядка 50 В. Электрическая дуга широко применяется в технике как мощный источник света, в электропечах и для электросварки. слабое задерживающее поле с напряжением около 0,5 В. Это поле препятствует попаданию на анод медленных электронов. Электроны испускаются катодом К, подогреваемым электрическим током.

На рис. 105 показана полученная в этих опытах зависимость силы тока в анодной цепи от ускоряющего напряжения Эта зависимость имеет немонотонный характер с максимумами при напряжениях кратных 4,9 В.

Дискретность уровней энергии атома. Объяснить такую зависимость тока от напряжения можно лишь наличием у атомов ртути дискретных стационарных состояний. Если бы дискретных стационарных состояний у атома не было, т. е. его внутренняя энергия могла бы принимать любые значения, то неупругие столкновения, сопровождающиеся увеличением внутренней энергии атома, могли бы происходить при любых энергиях электронов. Если же дискретные состояния есть, то столкновения электронов с атомами могут быть только упругими, пока энергия электронов недостаточна для перевода атома из основного состояния в наинизшее возбужденное.

При упругих столкновениях кинетическая энергия электронов практически не меняется, так как масса электрона много меньше массы атома ртути. В этих условиях число электронов, достигающих анода, монотонно увеличивается с ростом напряжения. Когда ускоряющее напряжение достигает значения 4,9 В, столкновения электронов с атомами становятся неупругими. Внутренняя энергия атомов скачком увеличивается, а электрон в результате соударения теряет почти всю свою кинетическую энергию.

Задерживающее поле не пропускает также медленные электроны к аноду и сила тока резко уменьшается. Она не обращается в нуль лишь потому, что часть электронов достигает сетки, не испытав неупругих соударений. Второй и последующие максимумы силы тока получаются потому, что при напряжениях, кратных 4,9 В, электроны на пути к сетке могут испытать несколько неупругих столкновений с атомами ртути.

Итак, необходимую для неупругого соударения энергию электрон приобретает только после прохождения разности потенциалов 4,9 В. Это означает, что внутренняя энергия атомов ртути не может измениться на величину, меньшую эВ, что и доказывает дискретность энергетического спектра атома. Справедливость этого вывода подтверждается еще и тем, что при напряжении 4,9 В разряд начинает светиться: возбужденные атомы при спонтанных

переходах в основное состояние излучают видимый свет, частота которого совпадает с вычисленной по формуле

В классических опытах Франка и Герца методом электронного удара были определены не только потенциалы возбуждения, но и ионизационные потенциалы ряда атомов.

Приведите пример опыта по электростатике, из которого можно сделать вывод о том, что сухой воздух — это хороший изолятор.

Где в технике используются изолирующие свойства воздуха?

Что такое несамостоятельный газовый разряд? При каких условиях он протекает?

Поясните, почему скорость убывания концентрации, обусловленная рекомбинацией, пропорциональна квадрату концентрации электронов и ионов. Почему эти концентрации можно считать одинаковыми?

Почему для закона убывания концентрации, выражаемого формулой (3), не имеет смысла вводить понятие характерного времени, широко используемого для экспоненциально затухающих процессов, хотя и в том и в другом случае процессы продолжаются, вообще говоря, бесконечно долго?

Как по-вашему, почему в определениях подвижностей в формулах (4) для электронов и ионов выбраны противоположные знаки?

Как сила тока при несамостоятельном газовом разряде зависит от приложенного напряжения? Почему с ростом напряжения происходит переход от закона Ома к току насыщения?

Электрический ток в газе осуществляется как электронами, так и ионами. Однако на каждый из электродов приходят заряды лишь одного знака. Как это согласуется с тем, что во всех участках последовательной цепи сила тока одинакова?

Почему в ионизации газа в разряде из-за соударений наибольшую роль играют электроны, а не положительные ионы?

Опишите характерные признаки различных видов самостоятельного газового разряда.

Почему результаты опытов Франка и Герца свидетельствуют о дискретности уровней энергии атомов?

Опишите физические процессы, происходящие в газоразрядной трубке в опытах Франка и Герца, при повышении ускоряющего напряжения.

Образуется направленным движением свободных электронов и что при этом никаких изменений вещества, из которого проводник сделан, не происходит.

Такие проводники, в которых прохождение электрического тока не сопровождается химическими изменениями их вещества, называются проводниками первого рода . К ним относятся все металлы, уголь и ряд других веществ.

Но есть в природе и такие проводники электрического тока, в которых во время прохождения тока происходят химические явления. Эти проводники называются проводниками второго рода . К ним относятся главным образом различные растворы в воде кислот, солей и щелочей.

Если в стеклянный сосуд налить воды и прибавить в нее несколько капель серной кислоты (или какой-либо другой кислоты или щелочи), а затем взять две металлические пластины и присоединить к ним проводники опустив эти пластины в сосуд, а к другим концам проводников подключить источник тока через выключатель и амперметр, то произойдет выделение газа из раствора, причем оно будет продолжаться непрерывно, пока замкнута цепь т.к. подкисленная вода действительно является проводником. Кроме того, пластины начнут покрываться пузырьками газа. Затем эти пузырьки будут отрываться от пластин и выходить наружу.

При прохождении по раствору электрического тока происходят химические изменения, в результате которых выделяется газ.

Проводники второго рода называются электролитами , а явление, происходящее в электролите при прохождении через него электрического тока, — .

Металлические пластины, опущенные в электролит, называются электродами; одна из них, соединенная с положительным полюсом источника тока, называется анодом , а другая, соединенная с отрицательным полюсом,- катодом .

Чем же обусловливается прохождение электрического тока в жидком проводнике? Оказывается, в таких растворах (электролитах) молекулы кислоты (щелочи, соли) под действием растворителя (в данном случае воды) распадаются на две составные части, причем одна частица молекулы имеет положительный электрический заряд, а другая отрицательный.

Частицы молекулы, обладающие электрическим зарядом, называются ионами . При растворении в воде кислоты, соли или щелочи в растворе возникает большое количество как положительных, так и отрицательных ионов.

Теперь должно стать понятным, почему через раствор прошел электрический ток, ведь между электродами, соединенными с источником тока, создана , иначе говоря, один из них оказался заряженным положительно, а другой отрицательно. Под действием этой разности потенциалов положительные ионы начали перемешаться по направлению к отрицательному электроду — катоду, а отрицательные ионы — к аноду.

Таким образом, хаотическое движение ионов стало упорядоченным встречным движением отрицательных ионов в одну сторону и положительных в другую. Этот процесс переноса зарядов и составляет течение электрического тока через электролит и происходит до тех пор, пока имеется разность потенциалов на электродах. С исчезновением разности потенциалов прекращается ток через электролит, нарушается упорядоченное движение ионов, и вновь наступает хаотическое движение.

В качестве примера рассмотрим явление электролиза при пропускании электрического тока через раствор медного купороса CuSO4 с опущенными в него медными электродами.

Явление электролиза при прохождении тока через раствор медного купороса: С — сосуд с электролитом, Б — источник тока, В — выключатель

Здесь также будет встречное движение ионов к электродам. Положительным ионом будет ион меди (Си), а отрицательным — ион кислотного остатка (SO4). Ионы меди при соприкосновении с катодом будут разряжаться (присоединяя к себе недостающие электроны), т. е. превращаться в нейтральные молекулы чистой меди, и в виде тончайшего (молекулярного) слоя отлагаться на катоде.

Отрицательные ионы, достигнув анода, также разряжаются (отдают излишние электроны). Но при этом они вступают в химическую реакцию с медью анода, в результате чего к кислотному остатку SO4 присоединяется молекула меди Сu и образуется молекула медного купороса СuS О4 , возвращаемая обратно электролиту.

Так как этот химический процесс протекает длительное время, то на катоде отлагается медь, выделяющаяся из электролита. При этом электролит вместо ушедших на катод молекул меди получает новые молекулы меди за счет растворения второго электрода — анода.

Тот же самый процесс происходит, если вместо медных взяты цинковые электроды, а электролитом служит раствор цинкового купороса Zn SO4. Цинк также будет переноситься с анода на катод.

Таким образом, разница между электрическим током в металлах и жидких проводниках заключается в том, что в металлах переносчиками зарядов являются только свободные электроны, т. е. отрицательные заряды, тогда как в электролитах переносится разноименно заряженными частицами вещества — ионами, двигающимися в противоположных направлениях. Поэтому говорят, что электролиты обладают ионном проводимостью.

Явление электролиза было открыто в 1837 г. Б. С. Якоби, который производил многочисленные опыты по исследованию и усовершенствованию химических источников тока. Якоби установил, что один из электродов, помещенных в раствор медного купороса, при прохождении через него электрического тока покрывается медью.

Это явление, названное гальванопластикой , находит сейчас чрезвычайно большое практическое применение. Одним из примеров тому может служить покрытие металлических предметов тонким слоем других металлов, т. е. никелирование, золочение, серебрение и т. д.

Газы (в том числе и воздух) в обычных условиях не проводят электрический ток. Например, голые , будучи подвешены параллельно друг другу, оказываются изолированными один от другого слоем воздуха.

Однако под воздействием высокой температуры, большой разности потенциалов и других причин газы, подобно жидким проводникам, ионизируются , т. е. в них появляются в большом количестве частицы молекул газа, которые, являясь переносчиками электричества, способствуют прохождению через газ электрического тока.

Но вместе с тем ионизация газа отличается от ионизации жидкого проводника. Если в жидкости происходит распад молекулы на две заряженные части, то в газах под действием ионизации от каждой молекулы всегда отделяются электроны и остается ион в виде положительно заряженной части молекулы.

Стоит только прекратить ионизацию газа, как он перестанет быть проводящим, тогда как жидкость всегда остается проводником электрического тока. Следовательно, проводимость газа — явление временное, зависящее от действия внешних причин.

Однако есть и другой , называемый дуговым разрядом или просто электрической дугой. Явление электрической дуги было открыто в начале 19-го столетия первым русским электротехником В. В. Петровым.

В. В. Петров, проделывая многочисленные опыты, обнаружил, что между двумя древесными углями, соединенными с источником тока, возникает непрерывный электрический разряд через воздух, сопровождаемый ярким светом. В своих трудах В. В. Петров писал, что при этом «темный покой достаточно ярко освещен быть может». Так впервые был получен электрический свет, практически применил который еще один русский ученый-электротехник Павел Николаевич Яблочков.

«Свеча Яблочкова», работа которой основана на использовании электрической дуги, совершила в те времена настоящий переворот в электротехнике.

Дуговой разряд применяется как источник света и в наши дни, например в прожекторах и проекционных аппаратах. Высокая температура дугового разряда позволяет использовать его для . В настоящее время дуговые печи, питаемые током очень большой силы, применяются в ряде областей промышленности: для выплавки стали, чугуна, ферросплавов, бронзы и т.д. А в 1882 году Н. Н. Бенардосом дуговой разряд впервые был использован для резки и сварки металла.

В газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения, для получения электронных и ионных пучков используется так называемый тлеющий газовый разряд .

Искровой разряд применяется для измерения больших разностей потенциалов с помощью шарового разрядника, электродами которого служат два металлических шара с полированной поверхностью. Шары раздвигают, и на них подается измеряемая разность потенциалов. Затем шары сближают до тех пор, пока между ними не проскочит искра. Зная диаметр шаров, расстояние между ними, давление, температуру и влажность воздуха, находят разность потенциалов между шарами по специальным таблицам. Этим методом можно измерять с точностью до нескольких процентов разности потенциалов порядка десятков тысяч вольт.

Электрический заряд: положительный, отрицательный. Элементарный, дискретность, электрон, протон, точечный. Модель атома. Закон сохранения

Тестирование онлайн

• Электрический заряд. Основные понятия

Электрический заряд

Нам приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные и доставаемые из сушилки вещи, или когда мы никак не можем привести в порядок наэлектризованные и буквально встающие дыбом волосы. А кто не пробовал подвесить воздушный шарик к потолку, после трения его о голову? Подобное притяжение и отталкивание является проявлением статического электричества. Подобные действия называются электризацией.

Статическое электричество объясняется существованием в природе электрического заряда. Заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц. Заряд, который возникает на стекле при трении его о шелк, условно называют положительным, а заряд, возникающий на эбоните при трении о шерсть, — отрицательным.

Рассмотрим атом. Атом состоит из ядра и, летающих вокруг него, электронов (на рисунке синие частицы). Ядро состоит из протонов (красные) и нейтронов (черные).

.

Носителем отрицательного заряда является электрон, положительного — протон. Нейтрон — нейтральная частица, не имеет заряда.

Величина элементарного заряда — электрона или протона, имеет постоянное значение и равна

Весь атом нейтрально заряжен, если количество протонов соответствует электронам. Что произойдет, если один электрон оторвется и улетит? У атома станет на один протон больше, то есть положительных частиц больше, чем отрицательных. Такой атом называют положительным ионом. А если присоединится один электрон лишний — получим отрицательный ион. Электроны, оторвавшись, могут не присоединятся, а некоторое время свободно перемещаться, создавая отрицательный заряд. Таким образом, в веществе свободными носителями заряда являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.

Для того, чтобы имелся свободный протон, необходимо, чтобы разрушилось ядро, а это означает разрушение атома целиком. Такие способы получения электрического заряды мы рассматривать не будем.

Тело становится заряженным, когда оно содержит избыток одних или иных заряженных частиц (электронов, положительных или отрицательных ионов).

Величина заряда тела кратна элементарному заряду. Например, если в теле 25 свободных электронов, а остальные атомы являются нейтральными, то тело заряжено отрицательно и его заряд составляет . Элементарный заряд не делим — это свойство называется дискретностью

Одноименные заряды (два положительных или два отрицательных) отталкиваются, разноименные (положительный и отрицательный) — притягиваются

Точечный заряд — это материальная точка, которая имеет электрический заряд.

Закон сохранения электрического заряда

Замкнутая система тел в электричестве — это такая система тел, когда между внешними телами нет обмена электрическими зарядами.

Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц остается постоянной при любых процессах, происходящих в электрически замкнутой системе.

На рисунке пример закона сохранения электрического заряда. На первой картинке два тела разноименного заряда. На втором рисунке те же тела после соприкосновения. На третьем рисунке в электрически замкнутую систему внесли третье нейтральное тело и тела привели во взаимодействие друг с другом.

В каждой ситуации алгебраическая сумма заряда (с учетом знака заряда) остается постоянной.

Главное запомнить

1) Элементарный электрический заряд — электрон и протон
2) Величина элементарного заряда постоянна
3) Положительный и отрицательный заряды и их взаимодействие
4) Носителями свободных зарядов являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы
5) Электрический заряд дискретен
6) Закон сохранения электрического заряда

Носители заряда — определения в электронике

В физике носитель заряда — это частица или квазичастица, которая может свободно перемещаться, неся электрический заряд, особенно частицы, которые несут электрические заряды в электрических проводниках. Примеры — электроны, ионы и дырки. В проводящей среде электрическое поле может воздействовать на эти свободные частицы, вызывая результирующее движение частиц через среду; это то, что составляет электрический ток. В проводящих средах частицы служат для переноса заряда:

• Во многих металлах носителями заряда являются электроны.Один или два валентных электрона от каждого атома могут свободно перемещаться внутри кристаллической структуры металла. Свободные электроны называются электронами проводимости, а облако свободных электронов называется ферми-газом. Многие металлы имеют электронные и дырочные зоны. У некоторых большинство носителей — дырки.
• В электролитах, таких как соленая вода, носителями заряда являются ионы, которые представляют собой атомы или молекулы, которые приобрели или потеряли электроны, поэтому они электрически заряжены. Атомы, получившие электроны и получившие отрицательный заряд, называются анионами, а атомы, потерявшие электроны и получившие положительный заряд, называются катионами.Катионы и анионы диссоциированной жидкости также служат носителями заряда в расплавленных ионных твердых телах (см., Например, процесс Холла-Эру в качестве примера электролиза расплавленного ионного твердого вещества). Протонные проводники — это электролитические проводники, использующие в качестве носителей положительные ионы водорода.
• В плазме, электрически заряженном газе, который находится в электрических дугах в воздухе, неоновых вывесках, Солнце и звездах, электроны и катионы ионизированного газа действуют как носители заряда.
• В вакууме свободные электроны могут действовать как носители заряда.В электронном компоненте, известном как вакуумная трубка (также называемый клапаном , ), мобильное электронное облако создается нагретым металлическим катодом с помощью процесса, называемого термоэлектронной эмиссией. Когда электрическое поле прикладывается достаточно сильным, чтобы втягивать электроны в пучок, его можно назвать катодным лучом, и оно является основой дисплея на электронно-лучевой трубке, широко используемого в телевизорах и компьютерных мониторах до 2000-х годов.
• В полупроводниках, которые являются материалом для изготовления электронных компонентов, таких как транзисторы и интегральные схемы, ведут себя так, как если бы через них движутся «эффективные частицы», известные как электронные дырки с положительным зарядом, вызывая электрические свойства.«Дырки» ведут себя как бегущие вакансии в электронном населенном пункте валентной зоны полупроводника и рассматриваются как носители заряда. Электроны и дырки являются носителями заряда в полупроводниках.

Можно видеть, что в некоторых проводниках, таких как ионные растворы и плазма, есть положительные и отрицательные носители заряда, поэтому электрический ток в них состоит из двух полярностей носителей, движущихся в противоположных направлениях. В других проводниках, таких как металлы, есть только носители заряда одной полярности, поэтому электрический ток в них просто состоит из носителей заряда, движущихся в одном направлении.

Эпизод 103: Токи и носители заряда

Заряд

Электричество и магнетизм

Эпизод 103: Токи и носители заряда

Урок для 16-19

• Время активности 50 минут
• Уровень Передовой

В этом эпизоде ​​есть две основные цели: представить ряд примеров, включающих различные типы носителей заряда, а также измерить токи и связать измеренный ток со скоростью потока заряда.

Краткое содержание урока

• Демонстрация: идентификация носителей заряда (20 минут)
• Демонстрация: электронный луч (15 минут)
• Демонстрация: студенты проводят электричество (15 минут)

Эпизод состоит из серии демонстраций, которые можно организовать как цирк перед уроком. Затем учеников можно проводить по мере обсуждения каждого из них.

Демонстрация: идентификация носителей заряда

Студенты привыкли думать о металлах как о хороших проводниках.Однако они должны понимать, что существуют другие ситуации, более или менее знакомые, в которых протекает ток.

В лампе накаливания: Проводник: металл (вольфрам). Носители заряда: электроны. Напомните им модель свободных электронов (то есть в металле существует свободных электронов, которые могут перемещаться внутри металла). Обсудите поведение носителей заряда при увеличении напряжения питания. (Они движутся быстрее, чтобы усилить ток.) ​​

Искра в воздухе: Уровень здесь переменный.Основная идея связана с ионизацией. Вы можете спросить, почему воздух обычно является хорошим изолятором и что должно произойти, чтобы сломал и стал проводником. Носителями заряда являются положительные ионы и электроны. Они движутся в противоположных направлениях. Свяжите это с молнией.

Люминесцентная лампа: Проводник: Плазма. Носители заряда: ионы и электроны. Плазма — это 4 ^-е состояние материи и является наиболее распространенной фазой материи во Вселенной (например, в звездах).

Электролиз раствора сульфата меди с медными электродами: Проводник: Электролит. Носители заряда: положительные (медь) и отрицательные (сульфат) ионы.

Итак, и электроны, и ионы являются носителями заряда ; когда они двигаются, течет ток.

Эпизод 103-1: Идентификация носителей заряда (Word, 39 КБ)

Демонстрация: электронный луч

Покажите путь пучка электронов в вакуумной трубке. Вам нужно будет попрактиковаться в настройке; следуйте инструкциям производителя.

Проводник: заряженный пучок в вакууме. Носители заряда: электроны. Высокая скорость и низкая плотность заряда в луче могут быть противопоставлены низкой скорости и высокой плотности носителей заряда в металле (это помогает привести к выводу I = n A q v если этого требует ваша спецификация).

Эпизод 103-2: Ток и заряд в электронных пучках (Word, 53 КБ)

Демонстрация: студенты проводят электричество

Может использоваться, чтобы показать влияние последовательных и параллельных цепей.Это также может привести к обсуждению поражения электрическим током и электробезопасности. Чтобы убить человека, нужно несколько десятков миллиампер. Автомобильный аккумулятор может выдавать сотни ампер, если он закорочен, но 12 В недостаточно, чтобы протолкнуть через человека ощутимый ток. Величина тока зависит от контактного сопротивления и пути тока через тело. Мы проводим, потому что большая часть нашего тела представляет собой ионный электролит (например, соленую воду).

Эпизод 103-3: Дирижирование студентов (Word, 122 КБ)

Носителей заряда в полупроводниках

предыдущийследующий

Когда к металлу прикладывают электрическое поле, отрицательно заряженные электроны ускоряются и переносят возникающий ток.В полупроводнике заряд переносится не только электронами. Положительно заряженные , отверстия также несут заряд. Их можно рассматривать либо как вакансии в заполненной иначе валентной зоне, либо, что эквивалентно, как положительно заряженные частицы.

Поскольку распределение Ферми-Дирака является ступенчатой ​​функцией при абсолютном нуле, чистые полупроводники будут иметь все состояния в валентных зонах, заполненных электронами, и будут изоляторами при абсолютном нуле. Это изображено на диаграмме E — k ниже; закрашенные кружки представляют заполненные импульсные состояния, а пустые кружки — незаполненные импульсные состояния.На этой диаграмме k , а не k , было использовано для обозначения того, что волновой вектор на самом деле является вектором, то есть тензором первого ранга, а не скаляром.

Если ширина запрещенной зоны достаточно мала и температура повышается от абсолютный ноль, некоторые электроны могут быть термически возбуждены в зону проводимости, создание пары электрон-дырка. Это результат размазывания Распределение Ферми-Дирака при конечной температуре.Электрон также может перейти в зона проводимости из валентной зоны, если она поглощает фотон, соответствующий разности энергии между заполненным состоянием и незаполненным состоянием. Любое такое фотон должен иметь энергию, которая больше или равна ширине запрещенной зоны между валентная зона и зона проводимости, как показано на диаграмме ниже.

В результате термического или фотонного индуцирования в зоне проводимости появляется электрон, а в валентной зоне — свободное состояние.

Если теперь к материалу приложить электрическое поле, все электроны в твердом теле почувствуют силу электрического поля. Однако, поскольку никакие два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, электрон не может получить какой-либо импульс от электрического поля, если нет свободного импульсного состояния, смежного с состоянием, занимаемым электроном. На приведенной выше схеме электрон в зоне проводимости может получить импульс от электрического поля, как и электрон, примыкающий к вакантному состоянию, оставленному в валентной зоне.На диаграмме ниже оба этих электрона показаны движущимися вправо.

Результатом этого является то, что у электронов есть некоторый чистый импульс, и, таким образом, происходит полное движение заряда. Этот небольшой дисбаланс положительного и отрицательного импульса можно увидеть на диаграмме ниже, и он вызывает электрический ток.

Свободное место в валентной зоне, которое переместилось влево, можно рассматривать как частицу, которая несет положительный электрический заряд, равный заряду электрона.Следовательно, это отверстие . Следует понимать, что эти схемы не представляют «прыжки» электронов с места на место в реальном пространстве, потому что электроны не локализованы в определенных местах в пространстве. Эти схемы находятся в импульсном пространстве. По существу, дырки не следует рассматривать как движущиеся через полупроводник, как дислокации, когда металлы пластически деформируются — достаточно рассматривать их просто как частицы, несущие положительный заряд.

Процесс, противоположный созданию пары электрон-дырка, называется рекомбинацией .Это происходит, когда энергия электрона падает из зоны проводимости в валентную зону. Так же, как создание пары электрон-дырка может быть вызвано фотоном, рекомбинация может произвести фотон. Это принцип, лежащий в основе полупроводниковых оптических устройств, таких как светоизлучающие диоды (светодиоды), в которых фотоны представляют собой свет видимой длины волны.

Charge Carrier — обзор

Переходные процессы фототока и фотоэдс с малой модуляцией для исследования переноса и рекомбинации электронов

Информация о переносе и времени жизни носителей заряда в DSC может быть получена путем мониторинга переходных процессов тока и напряжения после небольшой модуляции интенсивность света.На рисунке 15a показаны нормализованные переходные процессы фототока твердотельной ДСК и ДСК с жидким электролитом, измеренные в условиях короткого замыкания при одинаковой интенсивности света смещения [107]. Из-за малой амплитуды модуляции переходные процессы могут быть достаточно хорошо описаны одним экспоненциальным затуханием:

Рисунок 15. (a) Нормализованные затухания тока двух ДСК при одинаковой интенсивности света смещения (560 Вт · м ⁻² ) после небольшой модуляции интенсивности света вниз. (b) Время отклика фототока, полученное из фитингов при различной интенсивности света, в зависимости от J _SC .Пунктирные линии показывают соответствие данных.

(Взято из рисунка 5.17 в [107].)

(23) J (t) = JSC + ΔJ⋅e − t / τresp

, где τ _{соответственно} — характерная постоянная времени распада . График τ _или , измеренный при различных интенсивностях света смещения, можно увидеть на рисунке 15b. Время отклика по фототоку твердотельной ДСК значительно меньше, чем соответствующие постоянные времени для ДСК с жидким электролитом при том же токе короткого замыкания.

Постоянная времени затухания тока зависит от того, насколько быстро система приспосабливается к уменьшению инжекции зарядов в TiO ₂ . Следовательно, это зависит от скорости рекомбинации и от скорости, с которой носители заряда могут транспортироваться из ячейки. Учитывая, что и дырки, и электроны должны транспортироваться из ячейки независимо, это будет зависеть от одного из этих двух типов переноса заряда. Для ДСК с жидким электролитом это перенос электронов в TiO ₂ .Переносом I ₃ ^— к противоэлектроду обычно можно пренебречь, поскольку в электролите имеется избыток I ₃ ^— . Тогда τ _или можно связать со временем переноса электронов в TiO ₂ ( τ _tr ) и со временем жизни электронов ( τ _e ) следующим образом:

(24) 1τresp = 1τtr + 1τe

Для оптимизированных ячеек с жидким электролитом в условиях короткого замыкания τ _e намного больше, чем τ _tr , и время отклика фототока становится прямой мерой времени переноса электронов в TiO ₂ .Коэффициент химической диффузии, D _e , можно рассчитать из времени переноса электронов с помощью уравнения (25):

(25) De = d2C⋅τtr

, где d — толщина слоя мезопористая оксидная пленка и C — это константа со значением около 2,5, которое слабо зависит от коэффициента поглощения пленки и направления освещения [118–119].

Для sDSC кажется возможным, что перенос заряда может быть ограничен переносом дырок к заднему контакту, если концентрации окисленного спиро-MeOTAD очень низкие [см. Ссылку 107 и ссылки в ней].Однако в таком случае можно ожидать увеличения τ _или по сравнению с сопоставимым методом ДСК с жидким электролитом. Причина более короткого времени транспортировки sDSC неясна.

Один из методов измерения τ _e — это измерение затухания фотоэдс, метод затухания В _OC [21,120]. Здесь потенциал холостого хода DSC отслеживается как функция времени, когда свет выключен.Время жизни электронов рассчитывается из наклона переходного процесса V _OC :

(26) τe = −kTq (dVOCdt) −1

Преимущество этого метода состоит в том, что время жизни может быть определено в широкий диапазон потенциалов за одно измерение. Это также может быть выполнено без использования света путем приложения отрицательного потенциала перед распадом холостого хода [121].

Эффективность сбора заряда, η _CC , может быть оценена из измерений переноса и времени жизни электронов следующим образом [122]:

(27) ηCC = 1 − τrespτe = 11 + τtr / τe

Для правильного расчета эффективности сбора заряда время переноса и время жизни должны быть измерены на одном и том же квазиуровне Ферми (концентрация электронов) в мезопористом электроде.Если τ _или (измерено при коротком замыкании) и τ _e (измерено при разомкнутой цепи) используются для расчета η _CC , то полученное значение будет занижено. η _CC значение в условиях короткого замыкания. Для определения последнего необходимо определить τ _e в условиях, когда квазиуровень Ферми в мезопористом оксиде равен таковому в условиях короткого замыкания.Это может быть достигнуто путем (1) измерения квазиуровня Ферми в условиях короткого замыкания (см. Следующее обсуждение) и определения τ _e из соотношения между τ _e и V _{. OC} или (2) измерение извлеченного заряда в условиях короткого замыкания и определение τ _e из отношения между τ _e и извлеченным зарядом (см. Ниже).Электрохимическая спектроскопия импеданса [123] и измерения нарастания или спада фотоэдс (см. Следующее обсуждение) могут быть использованы для одновременного определения τ _tr и τ _e на одном и том же квази-уровне Ферми. Эффективность сбора заряда также может быть определена из IPCE с использованием уравнения 15.

Длина диффузии электронов, L , в DSC тесно связана с эффективностью сбора заряда. L — параметр, не зависящий от длины волны, тогда как η _CC зависит от длины волны.Södergren et al. полученные выражения для IPCE мезопористых ДСК как функции диффузионной длины, коэффициента поглощения и толщины пленки, предполагая количественную инжекцию электронов [44], см. ниже. В недавних работах Halme et al. [113] и Barnes et al. [114] эти соотношения были использованы для определения длины диффузии электронов в ДСК в различных условиях. Динамические методы малой амплитуды (спектроскопия импеданса, измерения переноса электронов и времени жизни) также могут быть использованы для определения длины диффузии электронов [124,125].

(28) L = Deτe

, где D _e — эффективный коэффициент диффузии электронов. Интересно, что значения L , определенные таким образом, были как минимум в 2 раза больше, чем полученные из измерений IPCE [126]. Бискерт и Мора-Серо [127] продемонстрировали в ходе моделирования, что это можно объяснить тем фактом, что кинетика рекомбинации в ДСК нелинейно зависит от концентрации электронов в зоне проводимости, тогда как в методе IPCE предполагается линейность.Недавно было проведено тщательное сравнение значений диффузионной длины, полученных с помощью импедансной спектроскопии и измерений IPCE на передней или задней стороне с использованием света смещения, что показало, что методы согласуются, если измерения проводятся близко к разомкнутой цепи, чтобы гарантировать, что электрон концентрация по всей пленке практически постоянна [128].

Альтернативным методом, разработанным для измерения времени переноса электронов в ДСК, является метод нарастания фотоэдс [129]. Здесь ячейка находится в условиях разомкнутой цепи, и характеристическая постоянная времени для повышения фотоэдс измеряется после применения короткого светового импульса, наложенного на постоянное смещенное освещение.Время переноса электронов рассчитывается по времени нарастания с использованием значений емкости мезопористого оксида и границы раздела подложка-электролит, которые необходимо измерять независимо. Время жизни электронов определяется в том же эксперименте по спаду напряжения. Преимущество этого метода заключается в том, что он может выполняться в условиях, когда постоянная времени сопротивления-емкости (RC) ДСК, возникающая из-за последовательного сопротивления мезопористого оксида и проводящей подложки и большой емкости мезопористой пленки, не изменяется. ограничить транспортные измерения.

Носитель заряда — обзор

3.22.2.4 Электрические свойства

Носители заряда в графене ведут себя как безмассовые релятивистские частицы и демонстрируют баллистический перенос в субмикронном масштабе при комнатной температуре. Была продемонстрирована исключительно высокая подвижность графена 200000 см ² V ⁻¹ s ⁻¹ , связанная с удержанием носителей и когерентностью (Болотин и др., 2008). Как оптические, так и электрические свойства графена не изменяются даже после радикального изгиба и растяжения (Сон, Ким, Шим и др., 2010). При низких температурах и сильных магнитных полях исключительная подвижность графена позволяет наблюдать квантовый эффект Холла как для электронов, так и для дырок.

Электропроводность и оптическая прозрачность графена — два наиболее важных свойства для его применения в гибкой электронике. Таблица 2 суммирует сопротивление листа и оптическое пропускание пленок графена, синтезированных различными методами. Графен может быть получен на подложках различными методами, включая сборку Ленгмюра-Блоджетт (Cote, Kim, & Huang, 2009), нанесение покрытия распылением (Blake, Brimicombe, Nair, et al., 2008; Li, Muller, & Gilje, 2008), вакуумная фильтрация (Eda, Fanchini, & Chhowalla, 2008; De, King, Lotya, et al., 2010), нанесение покрытия методом центрифугирования (Yamaguchi, Eda, Mattevi, et al., 2010; Zhu, Cai, Piner, et al., 2009) и сборка жидкость-жидкость (Biswas & Drzal, 2009) графеновых пластинок или оксида графена с последующим процессом восстановления и термическим отжигом. Эти обрабатываемые в растворе графеновые покрытия можно легко масштабировать для изготовления прозрачных проводников большого размера. В настоящее время значения сопротивления слоев (10 ² -10 ⁷ Ом кв ^-1 ) пленок на основе оксида графена варьируются в широком диапазоне из-за неоднородности функциональных свойств поверхности и дефектов, вносимых в процесс синтеза.

Таблица 2. Сводная информация о листовом сопротивлении и оптическом пропускании графеновых пленок

90

Метод синтеза графеновой пленки	Листовое сопротивление (Ω sq −1 )	Коэффициент пропускания при 550 нм (%)	Ссылка
LB сборка оксида графена / восстановление	1,9 × 10 7	95	Cote et al. (2009)
Распыление модифицированного оксида графена при pH 10	2.0 × 10 7	96	Ли и др. (2008)
Вакуумная фильтрация оксида графена / восстановление	4,3 × 10 4	73	Eda et al. (2008)
Самосборка восстановленного оксида графена с помощью спина	1,1 × 10 4	87	Zhu et al. (2009)
Спин-покрытие из восстановленного оксида графена	5 × 10 3 -1 × 10 6	80	Zhu et al.(2009)
Спин-покрытие восстановленного оксида графена	1 × 10 3	70	Yamaguchi et al. (2010)
Вакуумная фильтрация графеновых пластинок	3 × 10 3	75	De et al. (2010)
Распыление графеновых пластинок	5 × 10 3	90	Blake et al. (2008)
Жидкостно-жидкая сборка графеновых пластинок	100	70	Бисвас и Дрзал (2009)
Перенос CVD MLG из Ni	770-1 × 10 4	Reina et al.(2009)
Перенос CVD MLG из Ni	280	80	Kim et al. (2009)
Перенос CVD MLG из Ni	230	72	Лин, Пенчев и др. (2010)
LBL-перенос CVD-графена из Cu (четыре слоя)	350	90	Li et al. (2009)
LBL-перенос CVD-графена из Cu (четыре слоя) после HCl + HNO 3 легирования	80	90	Wang et al.(в печати)
RTR-перенос CVD-графена из Cu (четыре слоя) после HNO 3 легирования	30	90	Bae et al. (2010)

MLG, многослойный графит; РТР, катайся к рулону.

Для сравнения, выращивание графена методом CVD на фольге Ni или Cu демонстрирует значительно более высокую электропроводность (Bae, Kim, Lee, et al., 2010; Kim, Zhao, Jang, et al., 2009; Li, Zhu, Cai, et al., др., 2009; Лин, Пенчев, Ван и др., 2010; Рейна, Цзя, Хо и др., 2009; Wang, Tong, Xu, et al., В печати), чем пленки на основе оксида графена. Cai et al. показали, что пластовое сопротивление и коэффициент пропускания графена, выращенного методом CVD, соответствуют соотношению, предсказанному законом Бера-Ламберта. Графеновая пленка с листовым сопротивлением 200 Ом sq ^-1 имеет коэффициент пропускания 85% на длине волны 550 нм (Cai, Zhu, Li, et al., 2009). Сопротивление слоя графена определяется выражением Rs = (σ2DN) −1, где σ2D — проводимость двумерного листа, а N — количество слоев.Внутреннее сопротивление однослойного графена составляет ∼6 кОм, что ниже, чем у ITO (10-20 Ом на кв. ^-1 ). В принципе, увеличение толщины (увеличение N ) графена с использованием послойной укладки (LBL) и легирования графена (увеличение σ2D за счет увеличения концентрации носителей) может позволить снизить значения внешнего сопротивления слоя до минимума 20 Ом sq ⁻¹ , хотя в настоящее время достичь этого предела нетривиально.

Процесс переноса LBL при наложении нескольких слоев графена CVD был недавно описан Ли и др.(2009). В этом процессе ПММА применялся в качестве материала подложки для удержания ультратонкого графена. Последовательность переноса включает: (1) нанесение одного слоя графена, полученного методом CVD, на обе стороны медной фольги; (2) покрытие PMMA на одной стороне графеновой пленки с последующим травлением Cu; (3) переносить отдельно стоящую стопку графен / ПММА на целевую подложку; и (4) растворяют ПММА в ацетоне. Повторяя шаги (1) — (4) четыре раза, можно получить четыре слоя графеновых пленок с листовым сопротивлением 350 Ом sq ^-1 при коэффициенте пропускания 90%.В отличие от метода, описанного Li et al. где PMMA необходимо нанести центрифугированием и удалить N раз для переноса слоев N (Li et al., 2009), Wang et al. разработали метод центрифугирования ПММА на первом слое графена (Wang et al., в печати). Графен, покрытый ПММА (первый слой), затем напрямую переносится на второй слой графена на медной фольге. После травления медной фольги двухслойная графеновая пленка может быть непосредственно перенесена на третий слой графена на медной фольге, образуя трехслойную графеновую пленку.Четырехслойная графеновая пленка LBL имеет листовое сопротивление 180 Ω sq ⁻¹ и коэффициент пропускания 90%. На рисунке 15 показаны LBL-многослойные графеновые пленки от одного до восьми слоев, перенесенные на кварц. Отдельные слои были легированы соляной кислотой во время процесса переноса с последующим легированием азотной кислотой на поверхности пленки после удаления верхнего ПММА. LBL-легированные кислотой четырехслойные графеновые пленки имеют поверхностное сопротивление ∼80 Ω sq ⁻¹ и коэффициент пропускания 90%.

Рис. 15. Оптическое изображение одного-восьми слоев графеновых пленок с переносом LBL.

Bae et al. расширили процесс переноса до 30-дюймового рулонного процесса с использованием терморазлагаемой ленты (Bae et al., 2010). Перед травлением медной фольги графен механически поддерживался термоотверждающейся лентой. Вставив гибкую подложку со стопкой графен / лента в рулоны и подвергнув мягкой термообработке, была получена высокопрозрачная (90%) графеновая пленка с низким сопротивлением листа 30 Ом на кв. ^-1 .

Графеновая пленка, выращенная методом CVD, демонстрирует хорошую механическую растяжимость (Kim et al., 2009; Li et al., 2009). Графен, перенесенный на полидиметилсилоксановые подложки, может выдерживать растягивающую деформацию 6,5% с незначительным увеличением сопротивления, а исходное сопротивление может быть восстановлено после растягивающей деформации 18,7% (Kim et al., 2009). Однослойный графен, перенесенный на подложки из полиэтилентерефталата, показал сопротивление, которое не зависит от изгиба при растяжении до 5% деформации даже после 100 циклов изгиба (Li et al., 2009).

Движение носителей заряда в электрическом и магнитном полях

Страница из

НАПЕЧАТАНО ИЗ ОНЛАЙН-СТИПЕНДИИ ОКСФОРДА (oxford.universitypressscholarship.com). (c) Авторские права Oxford University Press, 2021. Все права защищены. Отдельный пользователь может распечатать одну главу монографии в формате PDF в OSO для личного использования. дата: 09 ноября 2021 г.

Глава:

(стр.89) 4 Движение носителей заряда в электрических и магнитных полях

Источник:

Детекторы частиц

Автор (ы):

Герман Коланоски

Норберт Вермес

Издательство:

Oxford University Press

.1093 / oso / 9780198858362.003.0004

Для обнаружения заряженных частиц многие принципы детекторов используют ионизацию в чувствительных слоях и сбор генерируемых зарядов электрическими полями на электродах, откуда можно выводить сигналы. В газах и жидкостях носителями заряда являются электроны и ионы, в полупроводниках — электроны и дырки. Для описания упорядоченного и неупорядоченного движения носителей заряда в электрическом и магнитном полях введено уравнение переноса Больцмана и получены приближенные решения.На основе уравнения переноса обсуждаются дрейф и диффузия сначала в целом, а затем для приложений к газам и полупроводникам. Оказывается, что, по крайней мере для простых приближений, обработка обеих сред очень похожа, например, также для описания движения в магнитных полях (угол Лоренца и эффект Холла) или критической энергии (Нернста-Таунсенда- Соотношение Эйнштейна).

Ключевые слова: Уравнение переноса Больцмана, носители заряда, движение в полях, дрейф, диффузия, газ, полупроводник, угол Лоренца, эффект Холла, критическая энергия

Для получения доступа к полному тексту книг в рамках службы для получения стипендии

Oxford Online требуется подписка или покупка.Однако публичные пользователи могут свободно искать на сайте и просматривать аннотации и ключевые слова для каждой книги и главы.

Пожалуйста, подпишитесь или войдите для доступа к полному тексту.

Если вы считаете, что у вас должен быть доступ к этому заголовку, обратитесь к своему библиотекарю.

Для устранения неполадок, пожалуйста, проверьте наш FAQs , и если вы не можете найти там ответ, пожалуйста связаться с нами .

Мажоритарные и неосновные носители заряда

Что такое носитель заряда?

Как правило, Перевозчик относится к любому объекту, несущему другой объект из одного места в другое. Например, в такие страны, как Индия, Сингапур и Бразилия: Tiffin коробки или переноски Tiffin широко используются для переноски еды из одного места в другое.Здесь коробка Тиффина действует как носитель, который переносит еду из одного места в другое место.

Пусть возьмем другой пример; Люди используют такие транспортные средства, как автобусы, поезда, самолеты и т. д., чтобы путешествовать из одного места в другое место. Здесь автомобили выступают в роли перевозчиков. которые переносят людей из одного места в другое.В аналогичным образом частицы, такие как свободные электроны и отверстия переносят заряд или электрический ток из одного места в другое место.

отрицательный носители заряда

отрицательные носители заряда, такие как бесплатные электроны являются носителями заряда, которые несут отрицательные заряжаться ими при переходе с одного места на другое место.Свободные электроны — это электроны, которые отщепляются. от родительского атома и свободно перемещается с одного места на другое место.

Положительных носители заряда

Положительный заряд носители, такие как дыры, носители заряда, несущие с собой положительный заряд при переходе с одного места на другое.Отверстия — это вакансии в валентной зоне, которая перемещается с места на место другое место в валентной зоне.

Большинство определение неосновных носителей заряда

носителями заряда, которые присутствуют в большом количестве, являются называется мажоритарными носителями заряда. Большинство обвинений носители несут большую часть электрического заряда или электрического ток в полупроводнике.Следовательно, основные носители заряда в основном ответственны за электрический ток в полупроводнике.

носителями заряда, присутствующими в небольшом количестве, являются называемые неосновными носителями заряда. Обвинение меньшинства носители несут очень небольшое количество электрического заряда или электрический ток в полупроводнике.

Заряд носители в собственном полупроводнике

полупроводники, находящиеся в чистом виде, называются собственные полупроводники.В собственном полупроводнике общее количество отрицательных носителей заряда (бесплатно электронов) равно общему количеству положительного заряда носители (дырки или вакансии).

Всего отрицательных носителей заряда = Всего носителей положительного заряда

Большинство и неосновные носители заряда в полупроводнике n-типа

Когда пятивалентные атомы, такие как фосфор или мышьяк добавляются к собственному полупроводнику, n-тип полупроводник.В n-типе полупроводник, большое количество свободных электронов настоящее время. Следовательно, свободные электроны являются основным зарядом. носители в полупроводнике n-типа. Свобода электроны (основные носители заряда) несут большую часть электрический заряд или электрический ток в n-типе полупроводник.

В Полупроводник n-типа, очень малое количество дырок настоящее время.Следовательно, дырки являются неосновными носителями заряда. в полупроводнике n-типа. Дыры (меньшинство носители заряда) переносят лишь небольшое количество электрического заряд или электрический ток в n-типе полупроводник.

общее количество отрицательных носителей заряда (свободных электронов) в Полупроводник n-типа больше, чем общее количество положительные носители заряда (дырки) в n-типе полупроводник.

Всего отрицательные носители заряда > Всего носителей положительного заряда

Большинство и неосновных носителей заряда в p-типе полупроводник

Когда трехвалентные атомы, такие как бор или галлий, добавляются к собственный полупроводник, p-тип полупроводник.В полупроводнике p-типа присутствует большое количество отверстий. Следовательно, дыры — это основные носители заряда в полупроводнике p-типа. В дыры (основные носители заряда) несут большую часть электрического заряд или электрический ток в полупроводнике p-типа.

В Полупроводник p-типа, очень небольшое количество свободных электронов настоящее время.Следовательно, свободные электроны являются неосновным зарядом. носители в полупроводнике p-типа. Свободные электроны (неосновные носители заряда) несут лишь небольшое количество электрический ток в полупроводнике p-типа.

Общая количество отрицательных носителей заряда (свободных электронов) в p-типе полупроводник меньше, чем общее количество положительного заряда носители (дырки) в полупроводнике p-типа.

Всего отрицательные носители заряда <Всего носителей положительного заряда

.