Тақырып 12

Әртүрлі ортадағы электр тогы

Спецификация бойынша не тексеріледі:

Металдардағы ток, кедергінің температураға тәуелділігіАсқын өткізгіштікЭлектролиттердегі ток, Фарадей заңдарыГаздардағы ток: дербес және дербес емес разрядВакуумдағы ток, электрондық-сәулелік түтікЖартылай өткізгіштердегі ток: меншікті және қоспалы өткізгіштікp–n-ауысу, диод, транзистор

Бір минутта мәні

Ток әртүрлі орталарда жүре алады, бірақ олардағы заряд тасымалдаушылар әртүрлі. Металдарда — еркін электрондар, электролиттерде — иондар, газдарда — электрондар мен иондар, вакуумда — қыздырылған катодтан ұшып шыққан электрондар, жартылай өткізгіштерде — электрондар мен кемтіктер. Ортаның қасиеттері мен қолданылуы тасымалдаушылар түріне тәуелді: сымдар мен гальванопластикадан бастап диодтарға, транзисторларға және күн батареяларына дейін.

Басты формулалар

R=R0(1+αt)R=R_0(1+\alpha t)
Металл кедергісінің температураға тәуелділігі
m=kIt=kqm=kIt=kq
Фарадейдің бірінші заңы (k — электрохимиялық эквивалент)
k=MnF,F=eNA=96 500k=\dfrac{M}{nF},\quad F=eN_A=96\,500 Кл/моль
Фарадейдің екінші заңы; Фарадей тұрақтысы
mv22=eU\dfrac{mv^2}{2}=eU
U кернеумен үдетілген электрон энергиясы
I=enSvI=enSv
Тасымалдаушылар концентрациясы мен жылдамдығы арқылы ток күші

Ұғымдар мен терминдер

Асқын өткізгіштік
Кризистік температурадан төмен салқындатқанда кедергінің жойылуы (Х. Камерлинг-Оннес, сынап, 1911)
Электролит
Иондар есебінен ток өткізетін ерітінді немесе балқыма (тұздардың, қышқылдардың, сілтілердің ерітінділері)
Электролиз
Электролит арқылы ток өткенде электродтарда заттардың бөлінуі
Плазма
Ішінара немесе толық иондалған газ
Термоэлектрондық эмиссия
Қыздырылған металдардың электрондар шығаруы
Жартылай өткізгіш
Қыздырғанда және жарықтандырғанда кедергісі кемитін зат (кремний, германий)
Кемтік
Байланыстағы электронның бос орны, оң заряд ретінде әрекет етеді

Тақырыпты талдау

Металдардағы ток

Тасымалдаушылар — еркін электрондар (Толмен мен Стюарт тәжірибелері). Олардың реттелген қозғалыс жылдамдығы аз (мм/с үлестері), бірақ өріс жарық жылдамдығымен таралады, сондықтан шам бірден жанады.

Қыздырғанда металдардың кедергісі артады: тор иондары күштірек тербеліп, электрондарға кедергі жасайды. Кедергі термометрі осыған негізделген.

Асқын өткізгіштік: кризистік температурадан төмен кедергі нөлге тең. Қолданылуы — қуатты электромагниттер (МРТ, үдеткіштер), магниттік жастықтағы пойыздар, шығынсыз кабельдер.

Электролиттердегі ток

Ерігенде молекулалар иондарға ыдырайды (электролиттік диссоциация). Оң иондар (катиондар) катодқа, теріс иондар (аниондар) анодқа қарай жүреді.

Фарадей заңдары: бөлінген зат массасы өткен зарядқа пропорционал; электрохимиялық эквивалент молярлық массаға пропорционал және валенттілікке кері пропорционал.

Қолданылуы: гальваностегия (никельдеу, хромдау, алтындау), гальванопластика (көшірмелер), таза металдар алу (алюминий, мыс), аккумуляторлар. Температура өскенде электролиттердің кедергісі кемиді.

Газдардағы ток

Газ иондалмайынша диэлектрик болып табылады. Иондағыштар: қыздыру, сәуле шығару, электрондар соққысы.

Тәуелді разряд тек иондағыш әсер еткенде жүреді; тәуелсіз разряд соққылық иондану есебінен өзін-өзі қолдайды.

Тәуелсіз разряд түрлері: солғын (күндізгі жарық шамдары, жарнама), ұшқынды (найзағай, от алдыру шамдары), тәж (ЭБЖ сымдарының маңында), доғалық (дәнекерлеу, прожекторлар).

Вакуумдағы ток

Вакуумда тасымалдаушылар жоқ, сондықтан оларды қыздырылған катодтан термоэлектрондық эмиссия арқылы алады.

Вакуумдық диод токты бір бағытта өткізеді — катодтан анодқа электрондар жүреді.

Электрондық-сәулелік түтік: электрондар шоғы үдетіліп, өрістермен ауытқиды және экранды жарқыратады (ескі теледидарлар, осциллографтар). Электрон шоғын электрондық микроскоптарда және дәнекерлеуде қолданады.

Жартылай өткізгіштер

Меншікті өткізгіштік: қыздырғанда электрондар атомдардан бөлініп, «электрон — кемтік» жұптары түзіледі. Температура мен жарықтану артқанда кедергі күрт кемиді (терморезисторлар, фоторезисторлар).

Қоспалық өткізгіштік: донорлық қоспа (кремнийдегі фосфор, күшән, валенттілігі 5) артық электрондар береді — n-типті жартылай өткізгіш; акцепторлық қоспа (бор, индий, валенттілігі 3) — кемтіктер, p-тип.

p–n ауысу токты тек бір бағытта өткізеді: тура бағытта (p «+»-қа) — ток үлкен, кері бағытта — нөлге жуық. Бұл — жартылай өткізгіштік диод, түзеткіш.

Транзистор (екі p–n ауысу) сигналдарды күшейтеді және кілт ретінде жұмыс істейді; процессорларда миллиардтаған транзистор бар. Жарықдиодтар, күн батареялары, датчиктер — бұлар да жартылай өткізгіштік аспаптар.

Шешімі бар есеп мысалдары

Есеп 12 А токта 1 сағ ішінде катодта қанша мыс бөлінеді (k = 3,3 · 10⁻⁷ кг/Кл)?
  1. t=3600t=3600 с, q=It=7200q=It=7200 Кл.
  2. m=kq=3,3⋅10−7⋅7200≈2,4⋅10−3m=kq=3{,}3\cdot10^{-7}\cdot7200\approx2{,}4\cdot10^{-3} кг.
Жауабы ≈ 2,4 г
Есеп 2Мыс орамның 0 °C-тағы кедергісі 10 Ом. 100 °C-та ол қандай болады (α = 0,0043 К⁻¹)?
  1. R=R0(1+αt)=10⋅(1+0,43)=14,3R=R_0(1+\alpha t)=10\cdot(1+0{,}43)=14{,}3 Ом.
Жауабы 14,3 Ом
Есеп 3100 В потенциалдар айырымымен үдетілген электрон қандай жылдамдық алады?
  1. v=2eUm=2⋅1,6⋅10−19⋅1009,1⋅10−31≈5,9⋅106v=\sqrt{\dfrac{2eU}{m}}=\sqrt{\dfrac{2\cdot1{,}6\cdot10^{-19}\cdot100}{9{,}1\cdot10^{-31}}}\approx5{,}9\cdot10^6 м/с.
Жауабы ≈ 5,9 · 10⁶ м/с

ҰБТ-дағы жиі қателіктер

  • Металдардың кедергісі қыздырғанда артады, жартылай өткізгіштер мен электролиттердікі — кемиді.
  • Донорлық қоспа n-тип (электрондар), акцепторлық — p-тип (кемтіктер) береді.
  • p-аймақ «+»-қа қосылғанда диод ток өткізеді.
  • Электролиз кезінде металдар катодта (−) бөлінеді.
  • Асқын өткізгіштің кедергісі жай ғана аз емес, нөлге тең.

Есте сақта

Металдар — электрондар, электролиттер — иондар, газдар — иондар мен электрондар, вакуум — электрондар, жартылай өткізгіштер — электрондар мен кемтіктер. m = kIt.

Өзіңді тексер

1. Металдарда токты қандай бөлшектер тудырады?
  1. Иондар
  2. Еркін электрондар
  3. Протондар
  4. Кемтіктер
Жауабын көрсету

Еркін электрондар Толмен–Стюарт тәжірибесі.

2. Жартылай өткізгіштің кедергісі қыздырғанда қалай өзгереді?
  1. Артады
  2. Кемиді
  3. Өзгермейді
  4. Алдымен артады
Жауабын көрсету

Кемиді Тасымалдаушылар көбейеді.

3. Найзағай — бұл разряд:
  1. Солғын
  2. Ұшқынды
  3. Тәж
  4. Доғалық
Жауабын көрсету

Ұшқынды Қысқа мерзімді қуатты разряд.

4. Гальваностегия дегеніміз не?
  1. Көшірмелер алу
  2. Бұйымдарды металл қабатымен қаптау
  3. Болат балқыту
  4. Дәнекерлеу
Жауабын көрсету

Бұйымдарды металл қабатымен қаптау Никельдеу, хромдау.

5. Кремнийдегі фосфор қоспасы қандай өткізгіштік тудырады?
  1. p-типті
  2. n-типті
  3. меншікті
  4. асқын өткізгіштік
Жауабын көрсету

n-типті Фосфорда 5 валенттік электрон бар.

Байланысты тақырыптар

11. Тұрақты ток22. Атомдық және кванттық физика24. Нанотехнология және наноматериалдар

Деңгейіңді біл: ҰБТ-ға тегін диагностика