Ток в водных растворах

Вещества, водные растворы которых проводят эл. ток, называют электролитами. К ним относятся соли, кислоты, щёлочи и основания.

Молекулы воды и электролитов представляют собой эл. диполи. Так как молекулы электролитов более массивны по сравнению с молекулами воды, то последние, под действием сил кулоновского притяжения, группируются у соответствующих полюсов молекул электролита. Причём, так как у данной молекулы электролита скапливается большое количество молекул воды, то в её окрестности создаётся сильное электрическое поле (направленное противоположно полю молекулы электролита). Напряжённость результирующего поля молекул воды, сконцентрировавшихся у молекулы электролита, оказывается столь велика, что молекула электролита распадается на ионы (катионы и анионы), такой процесс распада

молекул называют электролитической диссоциацией. Обратному процессу, процессу объединения катионов и анионов в нейтральные молекулы, называемому рекомбинацией, препятствует сольватная оболочка, образованная окружающими ионы дипольными молекулами воды.

При создании в растворе эл. поля  внешним источником тока, катионы начинают направленно двигаться вдоль , а анионы – против . Таким образом в растворе возникает ток, обусловленный встречным направленным движением разноимённых ионов. Плотность такого тока равна: , где S - площадь поперечного сосуда,  - концентрации и направленные скорости катионов и анионов, соответственно.

Подходя к электродам (размещённым в растворе), ионы электролита нейтрализуются (превращаются в нейтральные атомы) и оседают на электродах (катионы - на катоде, анионы - на аноде). Выделение на электродах продуктов диссоциации, при прохождении тока через раствор, называют электролизом.

Закон Фарадея для электролиза установлен экспериментально: масса m, выделившегося на электродах вещества при электролизе, прямо пропорциональна количеству электричества (заряду) q, прошедшего через электролит:

m = k×q = k×I×Dt ,

где k - электрохимический эквивалент вещества, равный количеству вещества, выделяющемуся на электродах при прохождении через раствор заряда q =1Кл.

Применения электролиза: 1) электрорафинирование (получение химически чистых) металлов; 2) гальванопластика (получение полых копий тел); 3) никелирование (покрытие тел тонким нержавеющим слоем никеля или хрома).

Электрофорез - движение под действием электрического поля грубодисперсных (взвешенных мелких твёрдых частиц, пузырьков и т.д.) или коллоидно-дисперсных (крупные органические молекулы) заряженных частиц. Электрический заряд такие частицы приобретают или в результате ионизации, или в результате формирования на их поверхности двойного слоя элементарных зарядов. Направленная скорость таких частиц невелика »10 мкм/с.

Ионофорез - введение лекарств в организм при пропускании через него эл. тока, образованного (внутри организма) ионами лекарственного вещества, которым пропитывают тампон, подкладываемый под один из электродов.

Ток в газах

При нормальных условиях газ состоит из нейтральных молекул и поэтому не проводит электрический ток, т.е. является изолятором, что используется в воздушных линиях электропередачи (ЛЭП). Однако, если хотя бы часть молекул газа ионизирована, то он является проводником.

Ионизаторы газов: 1) различные виды электромагнитного излучения (ультрафиолетовое, рентгеновское, g-излучение и др.); 2) нагрев газа; 3) создание в газе электрического поля большой напряжённости; 4) потоки энергичных  нейтронов и других частиц. В результате воздействия на газ перечисленных факторов в нём появляются свободные электроны и ионы обоих знаков. При создании в ионизированном газе электрического поля, через газ протекает эл. ток (образованный потоками  и Θ свободных носителей заряда).

Электрический разряд в газе, прекращающийся после устранения ионизатора, называют несамостоятельным; непрекращающийся - самостоятельным.

Особый интерес представляет ионизация газов под действием эл. поля . В естественных условиях в газах (в частности в воздухе) всегда есть свободные носители заряда. Под действием  свободные электроны и ионы приобретают направленную скорость. По достижении определённой напряжённости  величины, электроны и ионы приобретают достаточную для ионизации нейтральных молекул газа кинетическую энергию. Инициируется ударная ионизация - процесс лавинообразного увеличения числа носителей заряда в сильном эл. поле, когда образующиеся при ионизации молекул ионы и электроны сами становятся ²снарядами² для обстрела нейтральных молекул газа.

Работа ионизации (равная энергии, которую должен приобрести свободный носитель заряда, чтобы ионизировать молекулу)  (где l - длина свободного пробега носителя заряда) для газов составляет » 5¸25 эВ (1 электрон-вольт равен Дж). Причём, ионизация газов свободными электронами происходит при В/м, а ионами - при Е В/м. Если у ускоренного носителя заряда недостаточно энергии для ионизации молекулы газа, то он только возбуждает её, переводя в более высокое энергетическое состояние; релаксируя (переходя в более низкое энергетическое состояние) молекула излучает электромагнитную волну (свет). Именно совокупность релаксирующих молекул продуктов сгорания и представляет собой пламя, цвет которого определяется видом топлива и температурой в языках пламени.

При создании в газе поля высокой напряжённости ( В/м) и определённых дополнительных условий в нём могут возникать следующие виды самостоятельных электрических разрядов:

1) Искровой разряд (пробой газа), возникает при В/м в результате ударной ионизации молекул газа единичными свободными носителями заряда, имеющимися в газе в результате случайных внешних воздействий (например, космического излучения) и ускоряемых в созданном электрическом поле большой напряжённости. При таком разряде температура газа повышается до , сила тока достигает , время разряда . Особенность - неравномерность (прерывистость). Примеры: а) молния, б) разряд между электродами электрофорной машины.

2) Коронный разряд, возникает в неоднородных электрических полях (вблизи заострённых проводящих предметов). Примеры: а) молниеотводы (сток с острия провода электрического заряда - вот когда происходит защита от молний, а не тогда, когда молния поражает проводник), б) огни святого Эльма (возникают на выступающих частях кораблей), в) ночное свечение вокруг проводов высоковольтных ЛЭП (сопровождается характерным потрескиванием).

3) Дуговой разряд, возникает в газе между близко расположенными электродами. Источник свободных электронов - раскалённые электроды. При этом возникает ток большой плотности А/мм². Примеры: а) дуговая электросварка; б) дуговая плавильная печь; в) дуговой фонарь; г) кварцевые лампы (оболочка которых прозрачна для ультрафиолета).

4) Тлеющий разряд, возникает при низких давлениях и больших . Сопровождается сильным возбуждением молекул газа. Примеры: а) лампы "дневного" света; б) полярное сияние; в) газовые лазеры.

Ток в полупроводниках

Известно, что сопротивление проводника рассчитывают по формуле: , где  и  - длина и площадь поперечного сечения проводника, а  - удельное эл. сопротивление материала проводника. С точки зрения величины  при нормальных условиях все вещества делят на три класса:

К полупроводниковым материалам относятся многие хим. элементы II VI групп таблицы Менделеева (Si , Ge , As , Sb , S , Se , Ga , In и др.), а также многие окислы и соединения металлов, например: GaAs , InSb , CdTe , AlSb , GaP.

Сходство проводимости полупроводников и металлов состоит в том, что и у тех и у других она обусловлена перемещением электронов, т.е. не ионная.

Отличияпроводимости полупроводников от проводимости металлов:

1) у полупроводников , а у металлов ;

2) в полупроводниках электрический ток - это направленное движение не только свободных, но и связанных (с атомами) электронов;

3) проводимость и сопротивление полупроводников очень сильно зависят от концентрации примесей в них.

Собственная проводимость: характерна только для химически чистых полупроводников (чистота 99,99999999%, т.е. на 10¹⁰ атомов Ge всего 1 атом примеси, такие материалы можно получать только в космическом вакууме). Вследствие тепловых колебаний атомов кристаллической решётки случаются разрывы ковалентных связей и валентные электроны, образовывавшие эти связи, становятся свободными. Разорванную ковалентную связь называют "дыркой". Поскольку валентные электроны коллективизированы атомами решётки, то место электрона, ставшего свободным, может занять электрон из другой ковалентной связи и "дырка" получается не стабильной, а мигрирующей. Таким образом, в результате разрушения одной ковалентной связи образуются два свободных носителя заряда: электрон и "дырка". Поэтому говорят, что химически чистые полупроводники обладают электронно-дырочной проводимостью, причём число свободных электронов равно числу "дырок". Проводимость, обусловленную перемещением электронов, называют проводимостью n-типа (negative - отрицательный). Проводимость, обусловленную перемещением "дырок", называют проводимостью p-типа (от слова positive - положительный).

Примесная проводимость. В природе нет идеально чистых веществ, а искусственная их очистка сложна и практически невозможна. Более того, в электронике часто специально вводят в полупроводник инородные атомы (примеси) с целью сообщения ему преимущественной проводимости либо n-либо р-типа. Примеси, обогащающие полупроводник свободными электронами, называют донорными, а полупроводник, обогащённый донорной примесью, - полупроводником n-типа. Примеси, обогащающие полупроводник "дырками", называют акцепторными, а полупроводник, обогащённый акцепторной примесью, - полупроводником р-типа. Например, для Ge (элемента 4-й группы) донорными примесями являются элементы 5¸6 групп (As , P , Sb и др.), а акцепторными - элементы 2¸3 групп (In , Ga и др.).

В полупроводниках p-типа основными носителями заряда (о.н.з.)являются "дырки", неосновными носителями заряда (н.н.з.) - электроны. В полупроводниках n-типа, наоборот: о.н.з. – электроны, н.н.з. - "дырки".

Незадействованные в химических связях валентные электроны атомов донорной примеси легко (в результате тепловых колебаний атомов) становятся свободными: всего 0,0001% примеси As увеличивает число свободных электронов в Ge в 1000 раз, при этом число "дырок" остаётся прежним (как до введения примеси). Именно вследствие сильной зависимости числа свободных носителей заряда от температуры сопротивление полупроводников (содержащих примесь) уменьшается с ростом T (несмотря на увеличение при этом вероятности столкновений свободных электронов с атомами полупроводника).

Замечание: Высокую зависимость сопротивления полупроводников от T используют для создания полупроводниковых термометров - термистеров, приёмная часть которых имеет размер всего ~0,1 мм. Преимущества термистеров:     1) точность измерений DT равна »10^-6 K; 2) малая инерционность, что позволяет выполнять измерения за малое время;   3) возможность измерять T очень малых объектов, в связи с малой собственной теплоёмкостью термистеров.

p - n переход. Полупроводниковый диод

При тесном контакте двух полупроводниковых образцов с разной проводимостью, вследствие диффузии носителей заряда, приграничный слой р-полупроводника насыщается Θ зарядами, а приграничный слой n-полупроводника - Å за рядами. Таким образом, в контакте (p - n переходе) образуется двойной заряженный слой, толщиной ~0,1 мкм с контактной разностью потенциалов ~0,1 В. Возникающее внутри этого слоя электрическое поле  препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда из одного образца в другой. Пограничный двойной электрический слой называют запирающим. Важным свойством запирающего слоя является возможность регулировать его толщину (а значит и электрическое сопротивление) с
помощью внешнего поля .

Возможно двоякое подключение p - n перехода (называемого также полупроводниковым диодом) к источнику тока: прямое и обратное.

При обратном включении p – n перехода запирающий слой утолщается и сила тока через диод мала, поскольку этот ток обусловлен движением через переход только неосновных носителей заряда (для них  является ускоряющим).

При прямом включении диода запирающий слой сужается и его сопротивление уменьшается. При определённом напряжении U, запирающий слой вообще исчезает и сила тока (обусловленного встречными потоками основных носителей заряда) через контакт лавинообразно нарастает.

График зависимости силы тока I, протекающего через п/п диод, от приложенного к нему напряжения U называют вольт-амперной характеристикой диода.

Внутренним сопротивлением  п/п диода называют величину: , причём .

Основное свойство диода - односторонняя проводимость.

Назначение п/п диодов: 1) преобразование переменного тока в постоянный (пульсирующий) ток; 2) реализация компьютерной логики, основанной на двоичной системе счёта.