Сайт викладача фізики

ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ В РІЗНИХ СЕРЕДОВИЩАХ

 

         Тема 4.3. Електричний струм в різних середовищах.

§54. Електричний струм в металах. залежність опору провідника

від температури. Надпровідність.

§55. Електричний струм в електролітах. Закони електролізу.

§56. Про невдалий “вічний двигун”, який став першим вдалим

джерелом струму.

§57. Електричний струм в газах. Види газових розрядів.

§58. Електричний струм в вакуумі. Електронно-вакуумні лампи.

§59. Загальні відомості про напівпровідники та їх електропровідність.

р-n перехід.

§60. Напівпровідникові прилади.

§61. Електричний струм в різних середовищах. Узагальнююче повторення.

 

         Тема 4.3  Електричний струм в різних середовищах.

 

В межах даної теми ми розглянемо загальні властивості та характерні  особливості електричного струму в різних середовищах, зокрема в металах, електролітах, газах, вакуумі та напівпровідниках. Говорячи про електричний струм в тому чи іншому середовищі, перш за все потрібно відповісти на чотири базових запитання:

1.Які заряджені частинки є носіями струму в даному середовищі?

2. Який механізм появи цих частинок?

3. Як змінюється сила струму в процесі зміни електричної напруги?

4.Як дане середовище застосовується в електротехніці?

Крім цього, кожне струмопровідне середовище має свої характерні особливості, які також є предметом вивчення даної теми.

 

§54. Електричний струм в металах. Залежність опору провідника від температури. Надпровідність.

 

          Коли ми говоримо про струмопровідні матеріали (провідники), то перш за все маємо на увазі метали. І це закономірно. Адже саме метали є найкращими провідниками струму та основними струмопровідними елементами електричних кіл.

Секрет високих струмопровідних властивостей металів обумовлений особливостями їх внутрішнього устрою. А ці особливості полягають в тому, що атоми металів постійно обмінюються валентними електронами. При цьому кожен атом почергово обмінюється електронами з усією сукупністю сусідніх атомів. Це означає, що валентні електрони металу є колективізованими, тобто такими, що належать всій сукупності атомів відповідного металу (мал.131а). В такій ситуації, за відсутності зовнішнього електричного поля (зовнішньої електричної напруги), рух колективізованих електронів є усереднено хаотичним. За наявності ж електричного поля, цей хаотичний рух стає хаотично-упорядкованим. Власне упорядковану складову цього хаотично-упорядкованого руху електронів ми і називаємо електричним струмом в металах.

  

Мал.131. Електричний струм в металах, представляє собою упорядкований рух електронів.

Потрібно зауважити, що швидкість того упорядкованого руху електронів, який називається електричним струмом, є надзвичайно малою і зазвичай не перевищує 1мм/с. При цьому швидкість хаотичного руху електронів в мільярди разів більша і близька до 1000км/с. Ясно, що в такій ситуації електричний струм не правильно уявляти як строго упорядкований рух електронів уздовж провідника. Адже в реальності під дією електричного поля, електрони рухаються хаотично-упорядковано. При цьому хаотична складова цього складного руху, в мільярди разів більша за упорядковану складову. По суті, в процесі проходження струму, електрони рухаючись хаотично, лише поступово зміщуються (дрейфують) в певному напрямку.

Факт того, що в процесі проходження електричного струму швидкість упорядкованого руху електронів є мізерно малою, зовсім не означає, що відповідно малою є і та швидкість з якою електричний струм поширюється від джерела струму до споживача. Адже колективізовані електрони заповнюють всі струмопровідні елементи електричного кола. А це означає, що за наявності електричної напруги лампочка загорається практично з моменту замикання відповідного кола навіть в тому випадку, коли вона знаходиться у Києві, а джерело струму і вимикач – у Львові. Якщо ж говорити про ті електрони які із Львова рухатимуться в напрямку Києва, то в кращому випадку вони досягнуть останнього років через сто. Власне дещо схоже відбувається і в процесі руху газів та рідин відповідними трубопроводами. Скажімо, коли ви відкриваєте кран системи водопостачання, то з нього практично миттєво починає витікати вода. І це при тому, що джерело цієї води може знаходитись за десятки кілометрів від вас, і що та вода яка потрапляє в систему від джерела, досягає вашої квартири через тижні, місяці чи роки.

Втім, потрібно мати на увазі, що швидкість поширення електричних сигналів не є безкінечно великою. Адже ця швидкість дорівнює швидкості поширення електричного поля і становить 3·10⁸м/с=300 000км/с. А це означає, що відстань від Львова до Києва (≈500км) електричні сигнали долають за 0,0017 секунди.

Ви можете запитати: «Якщо в металі є велика кількість вільних електронів, то чому ж ці електрони не вилітають за межі металу?» А не вилітають по перше тому, що коли ми говоримо про вільні електрони, то говоримо про частинки які вільні лише в тому сенсі, що можуть вільно «перестрибувати» від одного атома металу до будь якого іншого сусіднього атома металу. По друге, електрони це не просто частинки, а частинки заряджені. Тому при вильоті будь якого електрона за межі металу, останній автоматично набуває відповідного позитивного заряду і повертає «втікача». Втім, вище сказане зовсім не означає, що електрони провідності не можуть безповоротно вилітати за межі металу. Просто для цього вони повинні мати достатньо великий запас енергії. До числа тих явищ в яких електрони вилітають за межі металу відносяться термоелектронна емісія та фотоелектронна емісія (фотоефект). Про ці явища ми поговоримо дещо пізніше.

В §47 ми говорили про те, що опір провідника і зокрема провідника металевого, залежить від його довжини (ℓ), площі поперечного перерізу (S) та питомого опору провідника (ρ), і що цю залежність можна записати у вигляді R=ρℓ/S. При цьому ми не вказали на факт того, що питомий опір провідника (ρ), а відповідно і його електричний опір (R=ρℓ/S), залежать не лише від електропровідних властивостей відповідного матеріалу, а й від температури провідника: з підвищенням температури питомий опір металу збільшується і навпаки.

Мал.132. При збільшенні температури електричний опір металу збільшується, а при зменшенні температури – зменшується.

Гранично стисло та спрощено пояснюючи суть залежності опору провідника від його температури, можна сказати наступне. В процесі свого упорядкованого руху, носії струму постійно наштовхуються на атоми (молекули) речовини, що відповідно гальмує цей упорядкований рух. А оскільки в процесі нагрівання інтенсивність хаотичного руху атомів речовини збільшується, то відповідно збільшується і число зіткнень цих атомів з носіями струму, а отже і електричний опір провідника.

Залежність електричного опору провідника від його температури, характеризує величина яка називається температурним коефіцієнтом опору. Температурний коефіцієнт опору – це фізична величина, яка характеризує залежність опору провідника від його температури і яка визначається за формулою α=(R_t–R₀)/R₀∆t, де

R₀ – опір провідника при температурі t₀;

R_t – опір провідника при температурі t;

∆t = t–t₀ – різниця температур провідника.

Одиниця вимірювання: [α] = 1/ºС.

Температурний коефіцієнт опору провідника визначається експериментально і записується у відповідну таблицю, наприклад таку.

Температурний коефіцієнт опору деяких металів і сплавів.

Речовина	α (1/ºС)	Речовина	α (1/ºС)
Алюміній	0,0042	Срібло	0,0040
Вольфрам	0,0046	Константан	0,00002
Мідь	0,0042	Манганін	0,00003
Платина	0,0038	Нікелін	0,0001
Свинець	0,0042	Ніхром	0,0002

Не важко бачити, що для більшості хімічно чистих металів величина температурного коефіцієнту опору близька до 0,004(1/ºС) = 1/250(1/ºС). Це означає, що при збільшенні температури металу від 0ºС до 250ºС його електричний опір збільшиться від R₀ до R=2R₀. Якщо ж говорити про сплави з відносно великим питомим опором, то їх температурні коефіцієнти опору зазвичай в десятки разів менші ніж у чистих металів.

Із визначального рівняння α=(R_t–R₀)/R₀∆t випливає, що залежність опору провідника від його температури, можна представити у вигляді R_t=R₀+αR₀∆t. Наприклад якщо при температурі 20ºС опір вольфрамового провідника дорівнює 12,0(Ом), то при температурі 1020ºС, цей опір становитиме R_t = 12,0(Ом) + 0,0046(1/ºС)·12(Ом)·(1020–20)ºС = 12,0(Ом) + 4,6·12(Ом) = 67,2(Ом).

Залежність опору провідника від його температури, потрібно враховувати при проектуванні та експлуатації тих електротехнічних приладів які працюють в умовах значних температурних коливань. Наприклад, якщо в процесі експлуатації приладу, перепад температур становить 60ºС, то коливання електричного опору його металевих провідників може становити 25%. Ясно, що в багатьох випадках, подібні коливання є недопустимо великими. В таких ситуаціях передбачається певний комплекс запобіжних заходів. Скажімо, регламентують певні температурні умови експлуатації приладу.

Факт того, що електричний опір металів певним чином залежить від їх температури, корисно застосовується в приладах які називаються термометрами опору. В цих приладах, термочутливим елементом є металевий, зазвичай платиновий провідник. Платинові термометри опору є надзвичайно точними і надійними приладами. Достатньо сказати, що в інтервалі температур від –260ºС до +630ºС ці термометри вимірюють температуру з точністю 0,0001ºС. Тому не випадково, що в цьому інтервалі температур саме платинові термометри опору є еталонними.

Потрібно зауважити, що лінійний характер залежності питомого опору металу, а відповідно і його електричного опору, від температури спостерігається лише в певних визначених межах. Скажімо при температурі плавлення (Т_пл) стрибкоподібно змінюються не лише механічні та теплові властивості металу, а й величина його питомого опору (мал.133). Певні зміни питомого опору відбуваються і при температурах близьких до абсолютного нуля (–273°С). При цих наднизьких температурах, питомий опір більшості металів поступово перестає залежати від температури і стає практично незмінним (на мал.133, гілка 1). Однак деякі метали, зокрема ртуть, свинець, ніобій, алюміній та деякі сплави, при наближені до абсолютного нуля ведуть себе дивним чиним: при певній температурі, їх електричний опір різко зменшується до нуля (на мал.133, гілка 2). Це явище прийнято називати надпровідністю. Температура при якій метал стає надпровідником надзвичайно низька. Наприклад, для алюмінію вона становить 1,2К, для олова 3,7К, для ртуті 4,2К, для свинцю 7,2К. Одну з найбільш високих температур переходу речовини до надпровідного стану має германід ніобію (Nb₃Ge), для нього ця температура становить 23,2К.

Мал.133. При температурі плавлення та температурах близьких до абсолютного нуля, лінійний характер залежності питомого опору металу від температури порушується.

Надпровідність не можна пояснити на основі класичних уявлень про будову речовини: речовини складаються з молекул, молекули – з атомів, атоми – з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів, які обертаються навколо нього. Надпровідність пояснюється в тому розділі фізики який називається квантовою механікою. Більш-менш серйозне вивчення цього розділу, виходить за межі програми загальноосвітньої школи. Тому, говорячи про надпровідність, ми просто констатуємо той факт, що таке явище існує і що воно пояснюється квантовими властивостями речовини.

Як відомо, основним законом електродинаміки постійних струмів є закон Ома. Цей закон відображає факт того, що в будь який момент часу, сила струму на ділянці електричного кола прямо пропорційна тій напрузі що існує на краях цієї ділянки і обернено пропорційна її електричному опору: I=U/R. Однак, закон Ома не відображає динаміку того, як змінюється сила струму в процесі зміни напруги. Цю динаміку відображає так звана воль-амперна характеристика. Вольт-амперна характеристика, це формульне або графічне відображення динаміки того, як змінюється сила струму в провіднику (приладі), при зміні тієї напруги що створює цей струм. Дослідження показують, що вольт-амперною характеристикою металевого провідника є пряма,  кут нахилу якої залежить від: а) масштабу побудов; б) опору провідника.

Мал.134. Загальний вигляд вольт-амперної характеристики металевого провідника.

Потрібно зауважити, коли ми стверджуємо, що вольт-амперною характеристикою металевого провідника є певна пряма, то не враховуємо факту того, що в процесі проходження струму, провідник може суттєво нагріватись. А це нагрівання автоматично призводить до відповідної зміни опору провідника, а отже і до певного викривлення тієї лінії, яку називають воль-амперною характеристикою. Та як би там не було, а прийнято вважати, що вольт-амперною характеристикою металевого провідника є пряма, кут нахилу якої залежить від опору провідника (чим менший опір, тим більший кут нахилу і навпаки).

Говорячи про електротехнічні застосування металів можна сказати наступне. Метали, це найкращі провідники струму. І тому їх головне електротехнічне застосування – бути струмопровідними елементами найрізноманітніших приладів та їх систем. При цьому, в залежності від тих завдань які вирішує той чи інший прилад, застосовують і відповідні метали. Скажімо, якщо в лініях електропередач, електричну енергію потрібно передавати з мінімальними тепловими втратами, то в якості струмопровідних елементів цих ліній застосовують метали з мінімальним питомим опором (мідь, алюміній). Якщо електронагрівальні прилади створюються для перетворення енергії струму в теплоту, то в якості струмопровідних елементів цих приладів застосовують метали з максимально високим питомим опором (ніхром, фехраль). Якщо спіраль лампочки розжарювання має витримувати надвисокі температури, то цю спіраль виготовляють з тугоплавкого вольфраму. Якщо струмопровідний елемент знаходиться в хімічно агресивному середовищі, то його виготовляють з стійкого до цього середовища металу. І т.д.

Таким чином, даючи загальну характеристику електричного струму в металах можна сказати наступне. 1) Носіями струму в металах є електрони (електрони провідності). 2) Їх поява обумовлена особливостями кристалічної структури металів, які полягають в тому, що атоми металів постійно обмінюються валентними електронами. При цьому, за відсутності зовнішнього електричного поля, рух цих колективізованих електронів є усереднено-хаотичним. За наявності ж такого поля, цей рух стає хаотично-упорядкованим. 3) В широкому діапазоні струмів і напруг, залежність сили струму від напруги в металах є лінійною. 4) Метали, це найкращі провідники струму і тому їх головне електротехнічне застосування – бути струмопровідними елементами приладів та їх систем.

Задача 1. При температурі 20ºС опір вольфрамової нитки лампочки розжарювання становить 20(Ом). Визначте опір тієї ж нитки при температурі 2100ºС. (для вольфраму α=0,0005 ºС^–1)

Дано:                                          Рішення.

вольфрам                Оскільки за визначенням α=(R_t–R₀)/R₀∆t, то

t₀ = 20ºС                  R_t–R₀=R₀∆tα, звідси R_t=R₀∆tα+R₀=R₀(∆tα+1),

R₀ = 20(Ом)            де α=0,0046(1/ºС); ∆t= 2100ºC – 20ºC = 2080ºC.

t = 2100ºС               Розрахунки: R_t = 20(Ом)·(2080ºС·0,0046(1/ºС) + 1) =

R_t = ?                       = 211(Ом).

.                               Відповідь: R_t = 211(Ом).

Задача 2. На лампочці розжарювання кишенькового ліхтарика написано 3,5В; 0,28А. Яка робоча температура вольфрамової нитки розжарювання цієї лампочки, якщо при температурі 20ºС її опір 4(Ом)?

Дано:                                            Рішення.

вольфрам                  Параметри U = 3,5В, I = 0,28А вказують на ту

U = 3,5В                    напругу і той струм, які відповідають ситуації

I = 0,28А                   коли лампочка світить. А це означає, що опір нитки

t₀ = 20ºС                    розжарювання лампочки при температурі t дорівнює

R₀ = 4(Ом)                R=U/I=3,5В/0,28А=12,5(Ом).

t = ?                           Оскільки за визначенням α=(R_t–R₀)/R₀∆t, то

.                                 ∆t=(R_t–R₀)/R₀α, а враховуючи, що ∆t=t–t₀, можна

.                                 записати t=(R_t–R₀)/R₀α – t₀, де α=0,0046(1/ºС).

Розрахунки: t = (12,5–4)Ом/4(Ом)·0,0046(1/ºС) – 20ºС == 462ºС – 20ºС = 442ºС.

Відповідь: t = 442ºC.

Контрольні запитання.

1.Які частинки є носіями струму в металах? Який механізм появи цих частинок?

2. Як ви думаєте, чому вільні електрони не вилітають за межі металу?

3. Які приблизні співвідношення між швидкістю упорядкованого руху електронів, швидкістю їх хаотичного руху та швидкістю поширення електричного струму?

4. Що називають воль-амперною характеристикою провідника?

5. Від чого залежить кут нахилу вольт-амперної характеристики металу?

6. Від чого залежить опір провідника?

7. Від чого залежить питомий опір провідника?

8. Чому при збільшенні температури, опір металів збільшується?

9. Як ви думаєте, надпровідність – це явище корисне чи шкідливе? Чому це явище не має широкого практичного застосування?

Вправа 54.

1. При температурі 20ºС опір вольфрамової нитки лампочки розжарювання становить 20(Ом). Опір тієї ж нитки в робочому стані 190(Ом). Визначте температуру накалу нитки (для вольфраму α=0,0005 ºС^–1).

2. Вольфрамова нитка лампочки накалювання при температурі 2100°С має опір 484(Ом). Визначте опір цієї нитки при 20°С.

3. При проходженні електричного струму через залізний провідник, його температура збільшилась на 250°С, а опір збільшився вдвічі. Визначити температурний коефіцієнт опору заліза.

4. При 0°С електричний опір нитки лампи розжарювання в десять разів більший аніж при 1900°С. Визначте температурний коефіцієнт опору матеріалу нитки.

5. За заданим графіком визначте електричний опір кожного з трьох провідників.

6. При зростанні температури графітового стержня від 50ºС до 500ºС, його опір зменшився від 5,0(Ом) до 4,5(Ом). Визначте температурний коефіцієнт опору графіту.

7. Скільки міді знадобиться для того, щоб виготовити дріт площею поперечного перерізу 0,5мм² та опором 2,5(Ом)? Якої довжини буде цей дріт?

8. До країв мідного та алюмінієвого дроту однакової площі поперечного перерізу та маси, приклали однакові напруги. В якому провіднику сила струму більша і у скільки разів?

 

§55. Електричний струм в електролітах. Закони електролізу.

 

В широкому сенсі, електролітами називають ті тверді або рідкі речовини, які проводять електричний струм і в яких носіями струму є позитивні та негативні іони. Однак тверді електроліти, по перше зустрічаються та застосовуються досить рідко, а по друге – утворюють окрему групу струмопровідних матеріалів, які прийнято називати суперіонними провідниками. Тому в побутовій та електротехнічній практиці електролітами називають такі рідини, які проводять електричний струм і в яких носіями струму є позитивні та негативні іони. В подальшому, саме в такому сенсі ми і будемо застосовувати термін електроліти.

До числа електролітів відносяться розчини та розплави солей, основ (лугів) та кислот. Тобто тих речовин, які в твердому стані мають яскраво виражену іонну структуру (солі та основи), або, будучи рідинами, складаються з молекул, фрагменти яких об’єднані таким сильно поляризованим ковалентним зв’язком, який фактично мало чим відрізняється від зв’язку іонного (кислоти). Загальну структуру тих зв’язків які об’єднують частинки солей, основ та кислот у відповідні кристали або молекули, можна представити у вигляді наступної схеми:

Солі	Основи (луги)	Кислоти
.       Na+   → °    Cl‾ .   Cu2+  → °     SO42— .   Ag+   → °    NO3 .      + →   F    ← −	.        Na+     → °      OH‾ .    Cа2+     → °     2(OH)‾ .    Li+       → °      OH‾ .     + →        F     ← −	.          H+     → °       Cl‾ .     2H+    →°      SO42— .      H+     →°      NO3— .      + →    F      ← −

Потрібно зауважити, що електрохімічні властивості тих речовин які називаються електролітами є надзвичайно різноманітними. Не менш різноманітними та складними є і ті процеси які відбуваються в електролітах при проходженні електричного струму. Тому наші пояснення відповідних властивостей та процесів будуть гранично спрощеними і максимально стислими.

Те, як певні речовини стають електролітами, розглянемо на прикладі звичайної кухонної солі (NaCl). В твердому стані сіль має достатньо високий питомий опір (ρ≅1·10⁷Ом·м) і тому цілком обгрунтовано відноситься до розряду непровідників (діелектриків). Те що кристалічна сіль не проводить струм є цілком закономірним наслідком факту того, що частинки кристалічній солі (іони натрію Na⁺ та хлору Cl‾) міцно утримуються в вузлах кристалічної решітки і тому не можуть вільно переміщуватись. Для того щоб сіль стала струмопровідною, необхідно так чи інакше зруйнувати її кристалічну структуру. Таку руйнацію можна здійснити двома шляхами: 1) шляхом зменшення сили електричної взаємодії між іонами; 2) шляхом збільшення кінетичної енергії цих іонів. І не важко збагнути, що в процесі плавлення, кристалічна структура солі руйнується за рахунок збільшення кінетичної енергії іонів, а в процесі розчинення – за рахунок зменшення сили взаємодії між ними.

Розпад молекул та кристалічних структур на іони під дією розчинника, називається електролітичною дисодіацією. Електролітична дисоціація, це складний електрохімічний процес, хід якого залежить від багатьох обставин, зокрема від здатності розчинника зменшувати силу електростатичної взаємодії іонів. Тому однією з основних вимог до розчинників солей, основ та кислот є їх висока діелектрична проникливість (ε). Наприклад для води ε=81. Це означає, що у воді сила електростатичної взаємодії зарядів (іонів) зменшується в 81 раз. Звідси ясно, чому солі, основи та кислоти добре розчиняються у воді.

 

Мал.137. Молекули води зменшують силу електричної взаємодії іонів і сприяють руйнації іонних кристалічної структури та поляризованих молекул.

Таким чином, в процесі плавлення або розчинення, солі, основи та кислоти розпадаються на відповідні іони і стають струмопровідними рідинами, – електролітами.

Питомий опір електролітів (ρ~10‾³Ом·м) суттєво більший за питомий опір металів (ρ~10‾⁸Ом·м). І це закономірно. Адже в електроліті, упорядковано рухаються не надлегкі електрони, а масивні та об’ємні іони, які до того ж  тягнуть за собою «шубу» поляризованих молекул розчинника. Крім цього, в електроліті упорядковано рухаються різнойменні іони, зустрічні потоки яких створюють додатковий електричний опір.

Дослідження показують, що питомий опір електроліту складним чином залежить від багатьох обставин, зокрема електрохімічних властивостей іонів, їх концентрації, властивостей розчинника, температури розчинника, матеріалу електродів, тощо. При цьому в процесі проходження струму, деякі з цих параметрів, наприклад концентрація іонів, можуть суттєво змінюватись. А це означає, що відповідним чином будуть змінюватись як питомий опір електорліту, так і його вольт-амперна характеристика. Однак, якщо в процесі проходження струму, параметри електроліту залишаються незмінними (а така незмінність передбачає наявність розчинного аноду), то його вольт-амперна характеристика представляє собою певну пряму, параметри якої визначаються законим Ома.

Характерною особливістю струму в електролітах є факт того, що цей струм супроводжується переносом речовини та певною сукунністю електрохмічних процесів, які прийнято називати електролізом. Ілюструючи суть цих процесів, розглянемо конкретну ситуацію. В посудину з розчином сульфату міді (CuSO₄) опустимо дві мідні пластинки які називаються електродами. Підключивши електроди до джерела постійної напруги, ви неодмінно з’ясуєте, що у відповідному колі з’являється електричний струм, і що в процесі проходження цього струму, позитивно заряджений електрод (анод) втрачає мідь, а негативно заряджений електрод (катод) – її додотково накопичує

Мал.138. Проходження струму через електроліт супроводжується: 1) переносом речовини; 2) певними електрохімічними реакціями.

Коментуючи ті процеси що відбуваються при електролізі, можна сказати наступне. Під дією зовнішнього електричного поля, позитивні іони міді рухаються в напрямку катода, а негативні сульфат іони – в напрямку анода. При цьому, на відповідних електродах відбуваються наступні події. На катоді: іони міді (купруму) отримують електрони і відновлюються, тобто перетворюються на електронейтральні атоми міді (Cu²⁺+2e→Cu⁰) і у вигляді цих атомів стають частиною кристалічної структури катода.

На аноді: сульфат іони втрачають електрони і також відновлюються (SO₄² − 2e→SO₄⁰). Однак, молекули SO₄ мають надзвичайно потужні окислювальні властивості (власне ці властивості притаманні атомам кисню). А це означає, що ці молекуме прагуть провзаємодіяти з іншими молекулами або атомами та відібрати у них певну кількість електронів. І за даних умов, цими іншими молекулами або атомами  будуть ті атоми міді з яких складається анод. Тому на аноді відбувається реакція  SO₄⁰+Cu⁰ → SO₄^2-+Cu²⁺. При цьому іони міді перестають бути частиною кристалічної структури анода і під дією зовнішнього електричного поля спрямовуються в напрямку катода.

Таким чином, в результаті низки електрохімічних процесів, кількість міді на аноді стає все меншою і меншою, а на катоді – все більшою і більшою.

Потрібно зауважити, що характер тих електрохімічних реакцій які відбуваються на аноді, значною мірою залежать від матеріалу цього аноду. Скажімо, якби у вище наведеному прикладі, в якості анода застосували не мідну, а платинову, золоту чи графітову пластинку, то хімічно активні молекули SO₄ взаємодіяли б не з атомами аноду, а з молекулами води:

2SO₄+2H₂O→2H₂SO₄+O₂↑. Втім, сьогодні ми не будемо говорити про те, чому за різних обставин в одному і тому ж електроліті можуть відбуватись різні електрохімічні реакції. Натомість ми поговоримо про ті загальні фізичні закономірності що є характерними для електролізу. А ці закономірності були експериментально встановлені Майклом Фарадеєм.

В 1834 році, на основі узагальнюючого аналізу багатьох експериментальних фактів, Фарадей сформулював закони електролізу – закони Фарадея. Перший закон Фарадея: маса тієї речовини що виділяється на електроді при електролізі, прямопропорційна величині того заряду (q) що проходить через електроліт. Іншими словами: Δm=kq або Δm=kIt , де k – електрохімічний еквівалент речовини.

Електрохімічний еквівалент речовини, це фізична величина, яка характеризує електрохімічні властивості даної речовини і яка показує, скільки цієї речовини виділиться на електроді при електролізі, якщо через електоліт пройде заряд в один кулон (виділиться за одну секунду при силі струму в один ампер).

Позначається: k

Визначальне рівняння: k=Δm/q,  або (за умови І=const)  k=Δm/It

Одиниця вимірювання: [k]=кг/Кл.

Електрохімічний еквівалент речовини визначається експериментально і записується у відповідну таблицю, наприклад таку:

Таблиця. Електрохімічні еквіваленти деяких речовин.

Речовина	k,   кг/Кл	Речовина	k,   кг/Кл
Алюміній (Аℓ+++)	9,32∙10–8	Нікель (Ni+++)	20,3∙10–8
Водень (Н+)	1,04∙10–8	Срібло (Ag+)	111,8∙10–8
Золото (Аu+++)	68,1∙10–8	Хлор (Сℓ–)	36,7∙10–8
Кисень (O– –)	8,29∙10–8	Хром (Сr+++)	18,0∙10–8
Мідь (Cu++)	32,9∙10–8	Цинк (Zn++)	33,9∙10–8

Твердження про те, що електрохімічний еквівалент срібла дорівнює 111,8∙10^–8кг/Кл означає: при проходженні через відповідний електроліт (наприклад розчин АgNO₃) заряду в 1Кл=1А·1с, на катоді виділиться 111,8∙10^–8кг= 111,8∙10^–5г= 111,8∙10^–2мг= 1,118мг срібла. Іншими словами: в процесі електролізу при силі струму 1А на катоді за 1с виділяється 1,118мг срібла.

Другий закон Фарадея: електрохімічний еквівалент речовини прямопропорційний молярній масі (М) цієї речовини і обернено пропорційна валентності (n) її іонів. Іншими словами: k=M/Fn, де  F – постійна величина яка називається сталою Фарадея. Значення цієї величини визначається експериментально. За сучасними даними  F=96484,5 Кл/моль.

Застосовуючи другий закон Фарадея, та знаючи молярну масу і валентність іонів відповідної речовини, не важко визначити її електрохімічний еквівалент. Наприклад, для алюмінію М(Аℓ)=27,0г/моль= 27,0·10^–3кг/моль; n(Aℓ⁺⁺⁺)=3, тому k=M/Fn= 27,0·10^–3(кг/моль)/96484,5(Кл/моль)·3= 9,32·10^–8(кг/Кл).

Сьогодні, спираючись на фундамент сучасних знань про будову речовини, не важко довести, що закони Фарадея є прямими наслідками цих знань. Дійсно. Оскільки всі речовини складаються з молекул (молекул, атомів, іонів), то масу тієї речовини що виділяється на електроді при електролізі, можна визначити за формулою ∆m=m₀N,  де

N – число тих молекул (іонів) що виділились на електроді;

m₀ = M/N_A – молярна маса відповідної речовини;

N_A=6,02∙10²³ (1/моль) – стала Авогадро.

З іншого боку, величина того заряду що проходить через електроліт визначається за формулою q=Nq₀=Nen і тому N=q/ne,  де

N – число тих молекул (іонів) що виділились на електроді;

q₀ – заряд відповідного іона;

n – валептність іона;

e=1,610^–19Кл – величина елементарного заряду.

Таким чином, враховуючи що m₀=M/N_A;  N=q/ne, можна записати:

∆m=m₀N=(M/N_A)(q/ne)=(M/N_Aen)q=(M/Fn)q=kq.

Або  ∆m=kq, де  k=M/Fn.

Із аналізу вище наведених теоретичних міркувань ясно, що стала Фарадея дорівнює добутку двох постійних величин – сталої Авогадро та тієї постійної величини яка називається елементарним зарядом: F=N_Ae=6,02∙10²³(1/моль)1,6∙10^–19Кл=96484,5Кл/моль. При цьому, факт того, що теоретично визначене значення сталої Фарадея в точності співпадає з експериментально виміряним значенням цієї сталої, безумовно вказує на те, що відповідна теорія є правильною. Крім цього, факт того що F=N_Ae дозволяє за відомими значеннями двох сталих величин, визначити третю. Власне величину елементарного заряду, вперше визначили саме на основі тих фактів які були відомі про сталу Фарадея F=96484,5 Кл/моль та сталу Авогадро N_A=6,02∙10²³(1/моль): e=F/N_A= 96484,5(Кл/моль)/6,02∙10²³(1/моль)= 1,6·10^–19Кл.

Потрібно зауважити, що в часи Фарадея вчені ще не знали ні про будову атома, ні про суть того що називають електричним зарядом та електричним струмом. Власне Фарадей першим заговорив про те, що електрика це не якась окремо існуюча речовинна субстанція, а невід’ємна складова тих частинок (атомів) з яких складається речовина. Дослідження Фарадея відіграли важливу роль не лише в розвитку вчення про атоми, а й в усвідомленні того, що атоми мають певну внутрішню будову, яка передбачає наявність в структурі атома елементарного електричного заряду. Подальший розвиток науки повністю підтвердив передбачення Фарадея.

Електроліз має широке застосування в різних сферах промислового виробництва. Прикладами такого застосування є рафінування металів, гальваностегія та гальванопластика. Рафінування металів – це технологія електролізного очищення метлів від домішок. Суть цієї технології полягає в наступному. У ванну з відповідним електролітом опускають два електроди. При цьому анодом слугує товста пластина  неочищеного металу, а катодом – тонка пластинка чистого металу (мал.139а). В процесі електролізу, атоми (іони) металу поштучно переганяються від аноду до катоду. При цьому домішкові атоми осідають на дно електролітичної ванни, або стають частиною розчину. В промислових масштабах шляхом рафінування отримують хімічно чисті мідь, алюміній, свинець, срібло та деякі інші метали.

Мал.139.  Рафінування металів (а) та гальванопластика (б) – важливі застосквання електролізу.

Гальваностегія – це технологія електролізного нанесення тонкого шару потрібного металу на вироби (хромування, нікелювання, цинкування, золочення, сріблення, тощо). Суть технології очевидно проста. Відповідний виріб опускають у ванну з електролітом, складовою частиною якого є потрібний метал, та в якості катода включають цей виріб в електричне коло, анодом якого є пластина потрібного металу (мал.139б). В процесі проходження струму, виріб покривається тонким шаром потрібного металу та набуває бажаних якостей.

Гальванопластика – це технологія одержання копій виробів, шляхом електролізного нанесення шару металу на матрицю (відбиток) цього виробу. Суть технології полягає в наступному. На матрицю (відбиток) відповідного виробу наносять тонкий шар спеціальної графітової фарби. (Графіт, з одного боку проводить електричний струм, а з іншого – дозволяє відділити отриману копію від матриці). В якості катода, матрицю опускають у відповідний електроліт і в процесі проходження струму наносять на неї потрібний шар металу. Отриману точну копію виробу відділяють від матриці (мал.139б).

В металургії, електролізом відповідних розплавів отримують алюміній, мідь, цинк, нікель, кобальт, марганець та багато інших металів. В хімічній промисловості, шляхом електролізу із води отримуєть водень (Н₂) та кисень (О₂); із розчину кам’яної солі, отримують хлор (Сl₂) та натрій гідроксид (NaOH), тощо. В електротехніці, електроліти є активними елементами хімічних джерел струму, електролітичних конденсаторів та інших приладів. А в живих організмах, електроліти є тим активним середовищем в якому відбувається безліч фізико-хімічних та біологічних процесів.

Задача 1. Скільки електроенергії витрачається на те, щоб одержати 1кг алюмінію, якщо електроліз солі алюмінію відбувається при напрузі 5,5В?

Дано:                                              Рішення.

∆m(Aℓ) = 1кг        Оскільки за визначенням U=A_ел/q, то A_ел=Uq.

U = 5,5В                Оскільки у відповідності з першим законом Фарадея

Е_ел=А_ел=?               ∆m=kq, то q=∆m/k, де k(Aℓ)= 9,32∙10^–8(кг/Кл).

.                               Таким чином A_ел=Uq= U∆m/k.

Розрахунки. А_ел= 5,5(Дж/Кл)·1кг/9,32·10^{р –8}(кг/Кл)= 0,59·10⁸Дж= 59·10⁶Дж.

Відповідь: А_ел= 59·10⁶Дж.

Задача 2. У двох електролітичних ваннах, з’єднаних послідовно, знаходиться розчин мідного купоросу CuSO₄ і розчин хлористої міді CuCℓ. Порівняйте кількості тієї міді, що виділиться у ваннах при проходженні через них струму.

Рішення. Оскільки у відповідності з першим законом Фарадея ∆m=kq, то ∆m₁/∆m₂=k₁q₁/k₂q₂. Оскільки електролітичні ванни зєднані послідовно, то кількість того електричного заряду який проходить через кожну з них є однаковою: q₁=q₂, тому ∆m₁/∆m₂=k₁/k₂.

Оскільки у відповідності з другим законом Фарадея k=M/Fn, де F=const, та враховуючи, що в умовах нашої задачі молярні маси іонів купруму в обох ванних є однаковими (М₁=М₂), а валентності цих іонів є різними (для Cu⁺²SO₄^–2  валентність n₁=2; для Cu⁺¹Cℓ^–1 валентність n₂=1), можна записати: ∆m₁/∆m₂= k₁/k₂= M₁·Fn₂/Fn₁·M₂= n₂/n₁=1/2. Таким чином: ∆m₂ = 2∆m₁.

Відповідь: в процесі електролізу у ванній з розчином CuCℓ, міді виділиться у два рази більше ніж у ванні з розчином CuSO₄.

Контрольні запитання.

1.Які речовини відносяться до числа електролітів? Які характерні особливості цих речовин?

2. Чому кристалічні солі та луги не проводять струм? Що потрібно зробити для того, щоб ці речовини стали струмопровідними?

3. Чому вода є добрим розчинником для солей, лугів та кислот?

4. Чому питомий опір електролітів набагато більший за питомий опір металів?

5. Дайте загальну характеристику електричного струму в електролітах (які носії струму, звідки вони беруться, яка вольт-амперна характеристика, які застосування).

6. Електрохімічний еквівалент міді 32,9∙10^–8кг/Кл. Що це означає?

7. Від чого залежить електрохімічний еквівалент речовини?

8. На основі аналізу мал.139 поясніть суть а) рафінування металів, б) гальванопластики.

          Вправа 55.

1. Яка кількість срібла виділиться з розчину солі срібла за 10хв, при силі струму в електроліті 4А?

2. При проходженні через електроліт струму 1,5А за 5хв на катоді виділилось 137мг речовини. Визначте електрохімічний еквівалент речовини. Що це за речовина?

3. На основі другого закону Фарадея визначте електрохімчний еквівалент а) золота (Аu⁺⁺⁺); б) кисню (О^{– –}); в) срібла (Ag⁺).

4. Дві однакові електролітичні ванни зєднані послідовно. В одній з них розчин CuCℓ, в другій – CuCℓ₂. Порівняйте кількості тієї міді, що виділиться у ваннах при проходженні через них струму.

5. Амперметр, включений в коло електролітичної ванни показує 0,2А. Чи правильними є показання амперметру якщо за 25хв на катоді виділилось 250мг срібла?

6. Визначте масу срібла яке виділилось на катоді при електролізі азотнокислого срібла за 2 години, якщо напруга між електродами 2В, а електричний опір електроліту 5(Ом).

7. Скільки цинку одержано при електролізі відповідного розчину, якщо витрачено 3,6·10⁶Дж енергії? Напруга між електродами 4В.

8. Електролізом добуто 1кг міді. Скільки срібла можна отримати, якщо через відповідний електроліт пройде аналогічна кількість заряду?

9. Нікілювання металевої пластини з площею поверхні 50см² тривало 4год, при силі струму 0,2А. Визначте товщину шару нікелю. Валентність нікелю – 2.

 

§56. Про невдалий «вічний двигун», який став першим вдалим джерелом струму.

 

В 1786 році, італійський професор анатомії Луїджі Гальвані (1737–1798), звернув увагу на те, що коли фрагмент м’язової тканини жаби стає частиною замкнутого кола залізо–мідь–м’яз–залізо, відбувається судомне скорочення м’язів. Гальвані був фізіологом і тому вирішив, що в його експериментах метали є лише провідниками тієї електрики яку генерує м’язова тканина жаби.

Мал.140. В 1786 році, Гальвані експерементально встановив, що в замкнутому колі залізо–мідь–м’яз–залізо, відбувається судомне скорочення м’язів.

Дослідження Гальвані зацікавили багатьох вчених, зокрема італійського фізика Алессандро Вольта (1745–1827). Повторюючи досліди Гальвані, Вольта дійшов висновку, що в них джерелом електричного струму є не м’язова тканина, а контакт двох різнойменних металів. Пояснюючи механізм появи «металічної» електрики, Вольта виходив з того, що в кожному металі є певна кількість електричної рідини (флюіду), концентрація якої в різних металах різна. При цьому він експериментально встановив, що концентрація флюіду в металі є тим більшою, чим раніше розташований цей метал в наступному ряду: цинк (Zn), залізо (Fe), олово (Sn), свинець (Pb), мідь (Cu), срібло (Ag), золото (Au), платина (Pt). Сьогодні подібний ряд називають рядом стандартних електронних потенціалів металів.

У відповідності з теорією Вольта, кількість флюіду в металі певного сорту є збалансованою і тому він не проявляє електричних властивостей. Якщо ж різні метали контактують між собою, то електрична рідина (флюід) перетікає від металу з її більшою концентрацією до металу з меншою концентрацією. Наприклад від цинку до міді. При цьому втрачаючи флюід, цинк набуває від’ємного заряду, а отримуючи флюід, мідь набуває додатнього заряду.

В загальних рисах погляди Алессандро Вольта на ті процеси які відбуваються на межі контакту різнойменних металів були правильними. Звичайно за умови, що в реальності тим електричним флюїдом яким обмінюються контактуючі метали, є їх вільні електрони. Адже в різних металах концентрація вільних електронів дійсно різна і тому при контакті металів певна кількість електронів від металу з їх більшою концентрацією дійсно переходить до металу з меншою концентрацією. При цьому метал який втрачає електрони набуває позитивного заряду, а метал який отримує електрони заряджається негативно. А це означає, що на межі контакту двох різнойменних металів виникає певна електрична напруга, яку прийнято називати контактною різницею потенціалів (позначається ∆φ).

Мал.141. В результаті дифузії вільні електрони з металу де їх концентрація більша (n₁>n₂) переходять до металу де ця концентрація менша.

А якщо між двома контактуючими металами існує певна різниця потенціалів (певна електрична напруга), то можна передбачити, що в замкнутому електричному колі ця різниця має створювати відповідний електричний струм. Однак, якщо ви дійсно зберете відповідне електричне коло, то неодмінно з’ясуєте, що ніякого струму в цьому колі не з’являється. Виникає питання – чому?

Стисло та гранично спрощено пояснюючи даний факт, можна сказати наступне. Контактна різниця потенціалів є результатом двох взаємопов’язаних природних процесів. Дійсно. З одного боку, в результаті дифузії вільні електрони з того металу де їх концентрація більша, переходять до металу де ця концентрація менша. З іншого ж боку, дифузійний перехід електронів призводить до того, що початково незаряджені метали стають зарядженими. Зарядженими таким чином, що під дією електричних сил електрони змушені повертатися до того  металу який вони залишили в результаті дифузії. А це означає, що на межі контакту двох різнойменних металів в результаті дифузійних та електричних процесів, та за наявності певної різниці потенціалів, між цими металами відбувається постійний кругообіг електронів. При цьому наявна між металами електрична напруга не призводить до появи струму в зовнішньому електричному колі. Ця напруга по суті спричиняє циркуляцію тих внутрішніх струмів які виникають на межі контакту різнойменних металів.

.                             q=0            q=0                                      q = +         q = –

        .              дифузія → →                                                   ← ←електрика

мал.142.  На межі контакту різнойменних металів, в результаті дифузійних та електричних процесів, відбувається постійна циркуляція  електричних зарядів.

Таким чином, не дивлячись на те, що між контактуючими металами дійсно існує певна різниця потенціалів, реалізувати цю різницю у вигляді відповідного електричного струму не можливо. І це закономірно. Адже було б дивним, якби дві контактуючі пластинки без будь яких енергетичних затрат постійно генерували енергію електричного струму. Звичайно, це було б здорово, якби в Природі існував подібний «вічний двигун». Однак, Природа влаштована таким чином, що в ній отримати енергію з нічого неможливо.

Втім, Вольта щиро вірив у те, що вічне джерело струму можна створити, і що таким джерелом є зона контакту різнойменних металів. Була лише одна, але дуже суттєва проблема – «вічний» електричний двигун Вольта не працював. Спочатку Вольта подумав, що успішній роботі його вічного джерела струму заважають ті оксидні плівки які неминуче утворюються на поверхнях металів. Намагаючись позбутися цих плівок, вчений випробував багато різних методів. Однак результат залишався незмінним – вічний двигун не працював.

Нарешті, в 1799 році Вольта здогадався, що в дослідах Гальвані, м’язи жаби з розчиненими в них солями і кислотами, це не просто чутливий індикатор струму, а необхідний елемент його появи. Ця здогадка змусила вченого розділити цинкову та мідну пластинки шматком матерії змоченої в розчині звичайної кухонної солі (NaCl). І, о диво – «вічний двигун» запрацював. Щоправда, дуже швидко зясувалося, що те джерело струму яке створив Вольта навряд чи можна назвати «вічним». Адже в процесі його роботи одна з пластин неминуче хімічно руйнувалась. Тим не менше вище описане джерело струму надійно та ефективно працювало. Таким чином, в 1799 році італійський фізик Алессандро Вольта створив перше хімічне джерело струму, тобто прилад, який перетворював енергію хімічних взаємодій в енергію постійного електричного струму: Е_хім → Е_ел.

Мал.143.  В 1799 році Алессандро Вольта створив перше хімічне джерело струму.

Зважаючи на те, що в сучасних елементах Вольта в якості електроліту застосовують розчин сірчаної кислоти, принцип дії цього елементу можна пояснити наступном чином. Під дією розчинника (Н₂О+H₂⁺SO₄^2–), кристалічна структура цинку руйнується, при цьому атоми цинку, втрачаючи електрони перетворюються на відповідні іони: Zn⁰ – 2e→Zn⁺². Ті ж надлишкові електрони які виділяються при іонізації атомів цинку, через зовнішнє електричне коло направляються в сторону позитивно зарядженої мідної пластинки, де на межі контакту з електролітом, взаємодіють з позитивно зарядженими іонами водню та відновлюють їх: 2Н⁺ + 2е→Н₂⁰. А це означає, що у відповідній системі відбувається кругообіг електронів: ті вільні електрони які генеруються на межі цинк–електроліт, рухаючись зовнішнім електричним колом опиняються на межі мідь–електроліт, де рекомбінують з іншими іонами, створюючи тим самим умови для генерації нових вільних електронів. При цьому певна частина тієї хімічної енергії яка була зосереджена в атомах кристалічної структури цинку, перетворюється в енергію упорядкованого руху електронів (енергію електричного струму).

Звичайно, спираючись на теорію електричного флюіду, Вольта не міг правильно пояснити ті процеси які відбувались в ним же створеному джерелі струму. Однак це жодним чином не применшує заслуг вченого перед людством. Відзначаючи ці заслуги, вдячне людство одиницю вимірювання напруги назвало на честь того, хто створив перший надійний та ефективний прилад, який дозволяв створювати та використовувати цю саму напругу.

Створені на основі елементу Вольта джерела струму мали ряд суттєвих чеснот. По перше, вони були надзвичайно простими та технологічними. Адже кожен хто мав потрібні металеві пластинки міг без особливих проблем створити своє джерело струму. По друге, почергово складаючи пластинки та розділяючи їх шарами електроліту, можна було створювати джерела з достатньо високою напругою. Власне такі багатошарові джерела струму (їх називали вольтовими стовпчиками) і використовувались на практиці. По третє, збільшуючи площу пластин, можна було збільшувати потужність відповідного джерела струму.

             

Мал.144.  Вольтові стовпчики – перші джерела постійного струму.

Не важко збагнути, що вольтові стовпчики мали і ряд суттєвих недоліків. По перше, в процесі роботи приладу цинкові (або інші) пластини руйнувались і потребували періодичної заміни. По друге, в процесі руйнації пластин, внутрішній опір системи швидко збільшувався і вона потребувала частих «ремонтів». По третє, наявний в системі електроліт достатньо швидко випаровувався і тому система потребувала періодичних поповнень втраченої вологи.

На сьогоднішній день, певними аналогами створених Алессандро Вольта хімічних джерел струму є сучасні гальванічні елементи, які зазвичай називають батарейками (мал.145). В подібних гальванічних елементах, анодом є цинковий корпус елементу, катодом – графітовий стержень, а електролітом – желеподібна паста, яка складається з хлoриду амонію (NH₄Cl), оксиду марганцю (MnO₂) та графітового порошку. В такій системі, на межі контакту цинкового корпусу з електролітом, відбувається реакція окислення (розчинення) цинку: Zn⁰ – 2e→Zn²⁺, а на межі контакту графітового стержня з електролітом, відбувається реакція відновлення марганцю, в результаті якої марганець із стану MnO₂ (де Mn⁴⁺), переходить до стану Mn₂O₃ (де Mn³⁺): Mn⁴⁺+e→Mn³⁺. При цьому між цинковим корпусом гальванічного елементу та його графітовим стержнем виникає напруга величиною 1,5В.

 

Мал.145. Схема загального устрою гельванічного елементу.

Потрібно звернути увагу на той малоприємний факт, що в тих приладах які є споживачами електроенергії, анодом називають той електрод потенціал якого «+», а катодом – той електрод потенціал якого «–». Якщо ж мова йде про джерела струму, то в них навпаки, анодом називають електрод з від’ємним потенціалом «–», а катодом – електрод з дадатним потенціалом «+». Наприклад в зображених на мал.138 електролітичних ваннах, анод має заряд «+», а катод – «–». Натомість в зображеному на мал.145 гальванічному елементі, цинковий анод має заряд «–», а графітовий катод – «+».

Як автономні джерела постійного струму, гальванічні елементи широко застосовуються в багатьох приладах, починаючи від кишенькових ліхтариків та дитячих іграшок і закінчуючи годинниками, мобільними телефонами та комп’ютерами. Натепер існує велике різноманіття гальванічних джерел струму. Будова та складові компоненти цих джерел можуть бути різними. Однак принцип дії будь якого з них мало чим відрізняється від принципу дії того першого джерела струму яке понад двісті років тому створив Алессандро Вольта. А цей принцип дії полягає в тому, що в будь якому гальванічному елементі енергія хімічних зв’язків перетворюється на енергію електричного струму Е_хім → Е_ел.

Гальванічні елементи мають той суттєвий недолік, що є приладами одноразового вокористання. Адже в процесі роботи, певні складові частини гальванічного джерела струму безповоротно хімічно руйнуються. І коли ступінь цієї руйнації досягає певної критичної межі, гальванічний елемент стає непридатним для подальшої експлуатації. Проблему багаторазового використання хімічного джерела струму успішно вирішує прилад який називається акумулятором (від лат. accumulare – накопичувати). Електричний акумулятор, це хімічне джерело струму багаторазового використання, яке в режимі зарядки перетворює енергію постійного електричного струму в енергію хімічних взаємодій, а в режимі розрядки, навпаки – енергію хімічних взаємодій, в енергію постійного електричного струму.

За своїм принциповим устроєм, акумулятор мало чим відрізняються від гальванічного елементу. Власне це і є гальванічний елемент, тільки багаторазового використання. Найпростіший акумулятор представляє собою систему двох свинцевих пластин (електродів) занурених в 30% розчин сульфатної кислоти.

 

Мал.146. Загальний устрій свинцевого акумулятора.

Коментуючи ті процеси які відбуваються в акумуляторі, можна сказати наступне. При взаємодії свинцю з сульфатною кислотою, на поверхні пластин утворюється сульфат свинцю: Pb+H₂SO₄ → PbSO₄+O₂. Якщо акумулятор поставити на зарядку, тобто до його електродів підключити зовнішнє джерело струму, то на аноді відбуватиметься реакція окислення свинцю, а на катоді – реакція його відновлення. При цьому, на аноді свинець, втрачаючи електрони переходить від стану Pb²⁺ до Pb⁴⁺: PbSO₄ – 2e→ PbO₂;  (PbSO₄+2H₂O+2e→ PbO₂+4H⁺+SO₄^2–), а на катоді свинець, отримуючи електрони переходить від стану Pb²⁺ до Pb⁰: PbSO₄ + 2e → Pb⁰ + SO₄^2–. Таким чином, в процесі зарядки акумулятора, початково однакові електроди стають різними. При цьому енергія електричного струму перетворюється на енергію хімічних зв’язків, а між електродами виникає напруга 2В.

Якщо електроди зарядженого акумулятора замкнути зовнішнім електричним колом, то існуюча між ними напруга буду реалізована у вигляді відповідного електричного струму. При цьому на електродах відбуватимуться зворотні окислювально-відновні реакції в ході яких енергія хімічних зв’язків буде перетворюватись в енергію електричного струму. Після повної розрядки акумулятора, система повертається до початкового стану, в якому електроди знову стають однаковими.

Звичайно, сучасні свинцеві акумулятори влаштовані дещо складніше та ефективніше за вище описану модель. Ця ефективність забезпечується багатьма технологічними засобами, зокрема:

1. З метою збільшення площі активного шару, електроди акумулятора виготовляють не з суцільних свинцевих пластин, а з пресованого свинцевого порошку (губчатого свинцю);

2. Анод акумулятора з самого початку виготовляють не з чистого свинцю, а з оксиду свинцю.

3. В електролітичну ванну акумулятора занурюють не два електроди, а систему електродів (багатосекційні акумулятори).

Мал.147. Загальний устрій реального акумулятора.

Потрібно зауважити, що окрім свинцевих (кислотних) акумуляторів існує велика група так званих лужних акумуляторів. В них, в якості електроліту застосовують не розчин кислоти, а розчин основи (лугу), зазвичай 20% розчин калій гідроксиду (КОН). Загалом же, конструкції та технології виготовлення акумуляторів постійно удосконалюються. І тому загальний устрій сучасних акумуляторних систем може суттєво відрізнятись від вище представленого. Втім, принципова частина цього устрою залишається незмінною.

Акумулятори широко застосовуються в сучасній техніці, починаючи від потужних силових укумуляторних батарей транспортних засобів і закінчуючи широким спектром побутових приладів.

Контрольні запитання.

1. Який компонент за думкою Гальвані був джерелом струму в колі залізо–мідь–м’яз–залізо? Чи була ця думка правильною?

2. Який компонент за думкою Вольта був джерелом струму в колі залізо–мідь–м’яз–залізо? Чи була ця думка правильною?

3. Як пояснював Вольта факт того, що при контакті цинку з міддю, цинк набуває заряду «+», а мідь – заряду «–»?

4. Відомо, що при контакті мідної та цинкової пластин, між ними виникає певна електрична напруга. Чому ж ця напруга не реалізується у вигляді відповідного струму?

5. Чому створене Алессандро Вольта джерело струму не є вічним джерелом струму? Чи можна впринципі створити таке джерело? Чому?

6. Які чесноти (переваги) притаманні створеному Вольта джерелу струму?

7. Які недоліки притаманні тому джерелу струму яке створив Вольта?

8. Поясніть будову та принцип дії свинцевого акумулятора.

9. Які технологічні прийоми суттєво покращують ефективність роботи свинцевого акумулятора.

 

§57. Електричний струм в газах. Види газових розрядяв.

 

За звичайних умов, практично всі гази не проводять електричний струм. Дійсно, якби ті гази що входять до складу повітря (N₂, O₂, CO₂, Ar, Ne, He, H₂, H₂O, тощо) були струмопровідними, то чи могла б працювати система ліній електропередач, в якій між оголеними дротами існує певна електрична напруга? Чи могли б працювати розетки, вимикачі та різноманітні електричні схеми, між оголеними частинами яких є певна різниця потенціалів? Відповідь очевидна – гази не проводять електричний струм. Не проводять тому, що складаються з електронейтральних частинок – молекул (атомів).

З іншого боку, всі молекули складаються з заряджених частинок і тому за певних умов будь який газ можна зробити струмопровідним. Для цього газ потрібно іонізувати, тобто перетворити значну частину його молекул на іони. І не важко збагнути, що процес іонізації молекул газу полягає в тому щоб від відповідної молекули відірвати один або декілька електронів. Процес при якому від молекули (атому) газу відривається один або декілька електронів називається іонізацією газу (мал.148а).

Ту кількість енергії яку необхідно витратити на те, щоб відірвати електрон від обособленої молекули (атома) газу, називають енергією (роботою) іонізації (Е_іон). Зазвичай цю енергію характеризують величиною яка називається потенціалом іонізації (U_іон=Е_іон/е, де е=1,6·10^–19Кл).

Оскільки різнойменні заряди притягуються, то одночасно з процесом іонізації молекул, неминуче відбувається і зворотній процес, який називається рекомбінацією іонів (мал.148б). В результаті рекомбінації, позитивні іони об’єднуються з вільними електронами та утворюють відповідні електронейтральні молекули (атоми). При цьому, якщо потужність іонізуючого чинника є незмінною, то між процесом іонізації молекул та процесом рекомбінації іонів, встановлюється динамічна рівновага. Це означає, що за однакові проміжки часу, кількість іонізованих молекул і кількість рекомбінованих іонів є однаковою. В такій ситуації, загальна кількість носіїв струму в газі є обмеженою і незмінною.

а)   б)

Мал.148. Під дією певних енергетичних чинників, в газі відбувається як процес іонізації молекул (а) так і процес рекомбінації іонів (б).

За характером тих енергетичних впливів які призводять до іонізації газу, виділяють три основні види іонізації: теплова іонізація, радіаційна іонізація та ударна іонізація. Теплова іонізація, це така іонізація, яка відбувається в процесі інтенсивного теплового (хаотичного) руху молекул газу. Теплова іонізація молекул газу стає масовою лише при температурах понад 1000°С. Втім, не будемо забувати, що температура характеризує середню кінетичну енергію хаотичного руху молекул, і що при одній і тій же температурі в речовині зустрічаються як “холодні” так і “гарячі” молекули.

Радіаційна іонізація, це така іонізація, яка відбувається під дією так званого іонізуючого випромінювання або радіації. До числа іонізуючих випромінювань відносяться α-випромінювання, β-випромінювання, γ-випромінювання, рентгенівське випромінювання. Джерелом такого випромінювання є ті ядерні, термоядерні та інші процеси що відбуваються на Землі, на Сонці та в космічному просторі. Однією з різновидностей радіаційної іонізації є  фотоіонізація, тобто така іонізація, яка відбувається при опроміненні газу рентгенівським та γ- випромінюванням (видиме світло молекули повітря не іонізує).

Ударна іонізація, це така іонізація, яка відбувається під дією потужного зовнішнього електричного поля, яке розганяє наявні в газі заряджені частинки (а незначна кількість таких частинок в газі завжди присутня) до таких енергій, при яких ті, в процесі удару об молекули іонізують їх. Зазвичай ударна іонізація має лавиноподібний характер. Це означає, що в процесі ударної іонізації, кількість носіїв струму в газі, лавиноподібним чином збільшується (мал.149)

Мал.149. В процесі ударної іонізації, кількість носіїв струму в газі лавиноподібним чином збільшується.

Процес проходження електричного струму через газове середовище прийнято називати газовим розрядом. В залежності від того, яку роль в цьому процесі виконують сили зовнішнього електричного поля, газові розряди поділяються на самостійні та несамостійні.

Самостійним газовим розрядом називають такий розряд, який відбувається за відсутності стороннього іонізатора і в якому електричне поле не лише упорядковує рух носіїв струму, а й фактично є основним енергетичним джерелом цих носіїв. Причиною самостійного газового розряду є ударна іонізація газу.

Несамостійним газовим розрядом називають такий розряд, при якому поява носіїв електричого струму обумовлена іонізуючою дією стороннього іонізатора. При цьому електричне поле лише упорядковує рух тих електричних зарядів які створює іонізатор. Наприклад, в зображеній на мал.141 ситуації, внесення в міжелектродний простір джерела вогню, призводить до появи струму в електричному колі. По суті це означає що той газ який знаходиться між електродами системи стає струмопровідним і джерелом цієї струмопровідності є полум’я. Втім, потрібно зауважити, що в даному випадку, полум’я не стільки іонізує молекули повітря, скільки саме є джерелом заряджених частинок. Адже полум’я, це не що інше як в тій чи іншій мірі іонізована плазма, тобто певна суміш позитивно та негативно заряджених частинок.

Мал.150.  Полум’я збагачує міжелектродне газове середовище носіями струму і це сеседовище стає струмопровідним.

Дослідження показують, що за відсутності та за наявності сторонньго іонізатора, вольт-амперна характеристика газового розряду є суттєво різною (мал.151). Спрощено пояснюючи суть тих процесів які відбуваються в газорозрядному приладі за відсутності стороннього іонізатора (мал.151а), можна сказати наступне. Ослільки за звичайних умов кількість носіїв струму в газі мізерно мала, то в процесі зростання напруги, величина сили струму залишається незмінною і практично рівною нулю (ділянка 0<U<U_кр). З іншого боку, по мірі зростання напруги, а відповідно і напруженості електричного поля, величина тієї електричної сили що діє на заряджені частинки газу стає все більшою і більшою. А це означає, що ці частинки на тій відстані яку називають довжиною вільного пробігу, встигають набути все більшої і більшої енергії. Коли ж, при певній критичній напрузі (U_кр), величина цієї енергії досягає рівня енергії іонізації молекул, починається інтенсивна, лавиноподібна ударна іонізація молекул газу. При цьому кількість вільних заряджених частинок лавиноподібно збільшується, а відповідно збільшується і сила струму в газі (ділянка U>U_кр).

а)                                                             б)

Мал.151. Вольт-амперна характеристика газового розряду: а) за відсутності стороннього іонізатора; б) за наявності стороннього іонізатора.

Якщо ж говорити про суть тих процесів які відбуваються в газорозрядному приладі за наявності стороннього іонізатора (мал.151б), то вона полягає в наступному. Іонізатор постійно іонізує певну кількість молекул, які через певний час рекомбінують з вільними електронами. В такій ситуації, в газі міститься певна, достатньо велика але обмежена кількість носіїв струму (позитивних іонів та вільних електронів). При збільшенні електричної напруги, швидкість упорядкованого руху наявних в газі носіїв струму збільшується. При цьому, все більша і більша кількість цих носіїв, не встигнувши рекомбінувати досягає електродів газорозрядного приладу. А це означає, що в процесі зростання напруги, сила струму у відповідному електричному колі практично лінійним чином збільшується (ділянка 0<U<U_н). Це збільшення продовжується до тих пір поки напруга не досягне певної величини, яку називають напругою насичення (U_н). При цій напрузі, всі іонізовані заряджені частинки, не встигнувши рекомбінувати досягають відповідних електродів. І не важко збагнути, що подальше збільшення напруги не може призвести до збільшення сили струму. Адже якщо наприклад, іонізатор за одну секунду створює 100 заряджених частинок, то не може бути так, щоб за ту ж секунду до електродів газового приладу дійшло 120 чи скажімо 200 таких частинок.

Таким чином, на ділянці U_н<U<U_кр за будь якої величини напруги, сила струму залишається незмінною. Ця незмінність зберігається до тих пір, поки напруга не досягне певної критичної величини (U_кр). При цій критичній напрузі, починається ударна іонізація газу і сила струму різко збільшується (ділянка U>U_кр).

Ясно, що той електричний струм що протікає в газорозрядному приладі при докритичних напругах (U<U_кр) є несамостійним газовим розрядом. А той струм що протіка при закритичних напругах (U>U_кр) є самостійним газовим розрядом.

До числа найбільш поширених та практично значимих самостійних газових розрядів відносяться іскровий, тліючий, дуговий та коронний.

Іскровий розряд, це такий короткотривалий самостійний газовий розряд, який відбувається при нормальному атмосферному тиску та надвисоких напруженостях електричного поля (р=1атм; Е=30 000В/см). Іскровий розряд характеризується високою густиною електричного струму, сильним та стрімким нагріванням струмопровідного каналу, яке спричиняє  стрімке розширення цього каналу та відповідний звуковий сигнал (тріск, грім). При іскровому розряді, струмопровідність газу забезпечується його ударною іонізацією.

Штучно створити іскровий розряд досить просто. Для цього потрібно взяти не надто потужне джерело високої напруги (наприклад електорфорну машину) і подавши цю напругу на відповідні електроди, поступово зближати їх (мал.152). На певному етапі зближення, між електродами почне проскакувати короткотривалий електричний розряд, який і називають іскровим.

 

Мал.152. При напруженості електричного поля близькій до 30кВ/см, між електродами проскакує іскровий розряд, причиною якого є ударна іонізація молекул газу.

Пояснюючи суть тих подій які відбуваються при іскровому розряді можна сказати наступне. В процесі наближення електродів, напруженість існуючого між ними електричного поля збільшується. При цьому збільшується і та електрична сила (F_ел=Eq₀), яка надає наявним в газі вільним зарядженим частинкам відповідного прискорення. А це означає, що ці частинки на довжині свого вільного пробігу, набувають все більшої і більшої енергії. Коло ж величина цієї енергії досягає певної критичного значення (енергії іонізації), починається ударна іонізація газу. В процесі цієї іонізації, кількість вільних заряджених частинок лавиноподібно збільшується і між електродами проскакує іскровий розряд.

Мінімальне значення тієї напруженості електрично поля при якій відбувається іскровий розряд називають напруженястю пробою. Величина цієї напруженості складним чином залежить від багатьох обставин: хімічного складу газу, його тиску, температури, наявності твердих та рідких домішок, тощо. Наприклад, за нормальних умов (р=1,013∙10⁵Па, t=0°С) напруженість пробою сухого, чистого повітря становить 30 000В/см. Але, якщо це повітря є вологим та має тверді чи рідкі домішки (пил, краплини води, тощо) то напруженість його пробою може знижуватись в сотні разів.

Загально відомим прикладом потужного, природного іскрового розряду є блискавка. Довжина блискавки вимірюється кілометрами, сила струму в ній – десятками тисяч ампер, а потужність – сонями мільйонів ват. Менш ефектними проявами  іскрових розрядів є ті мікроіскри які іноді виникають в процесі розчісування волосся, при носінні синтетичного одягу, при замиканні та розмиканні електричних кіл, тощо.

Іскрові розряди широко застосовують в сучасні науці і техніці. З їх допомогою ініціюють вибухи та процеси горіння, вимірюють високі напруги, обробляють метали, регіструють іонізуючі випромінювання. Іскрові розряди застосовують в свічках запалювання двигунів внутрішнього згорання, в електро та п’єзо запальничках, в електрошокерах, тощо.

Необхідну для ударної іонізації енергію можна отримати не лише шляхом збільшення напруженості електричного поля, а й шляхом збільшення довжини вільного пробігу частинок, тобто шляхом розрідження газу. Реалізуючи цю ідею, проведемо наступний експеримент. До електродів демонстраційної газорозрядної трубки підключимо джерело високої напруги, а до виходу її скляного корпусу – вакуумний насос (мал.144). Подавши на електроди наявну напругу (U=25кВ) ви не помітите ознак самостійного газового розряду. І це природньо. Адже відстань між електродами трубки близька до 50см і тому напруженість існуючого між ними поля близька до 500В/см. А це приблизно в 60 разів менше за напруженість пробою сухого повітря. З іншого боку, згідно з нашими логічними передбаченнями, в процесі розрідження газу, довжина вільного пробігу його молекул, електронів та іонів буде збільшуватись. А отже збільшукватиметься і та енергія яку на цій довжині будуть отримувати заряджені частинки. Коли ж величина цієї енергії зрівняється з енергієї іонізації молекул газу, почнеться ударна іонізація та відповідний газовий розряд.

Мал.153. Схема установки, для демонстрації тліючого розряду.

Проводячи вище описаний експеримент ви неодмінно з’ясуєте, що при певному розрідженні повітря, між електродами газорозрядної трубки, з’являється нестійкий шнуроподібний розряд, який прийнято називати плазмовим шнуром. В процесі подальшого зниження тиску, поперечні розміри плазмового шнура поступово збільшуються і при тиску близькому до 0,01атм він займе практично увесь міжелектродний простір та перетвориться на той газовий розряд який називають тліючим.

Потрібно зауважити, що більша частина того світла яке в процесі тліючого розряду випромінює повітря, є світлом невидимим (ультрафіолетовим). Тому повітряний тліючий розряд є досить тмяним. Зважаючи на цей факт, даний експеримент потрібно проводити в затемненому приміщенні.

Тліючий розряд, це такий самостійний газовий розряд, який відбувається при низькому тиску газу та помірних напруженостях електричного поля (р≅0,01атм; Е≅300В/см). Тліючий розряд характеризується низькою густиною струму, не супроводжується значним нагріванням газу і не призводить до суттєвих звукових ефектів. При тліючому розряді, струмопровідність розрідженого газу забезпечується його ударною іонізацією.

Тліючі розряди застосовують в сучасній освітлювальній техніці. Прикладом такого застосування є рекламні газорозрядні трубки та лампи денного світла (мал.145). Порівняно з зображеною на мал.153 демонстраційною газорозрядною трубкою, лампи денного світла мають дві суттєві відмінності. Перша полягає в тому, що в них окрім розрідженого повітря містяться пари металу (зазвичай ртуті). Атоми металів мають відносно низьку енергію іонізації і тому за їх наявності, тліючий розряд відбувається при відносно низькій напруженості електричного поля. Друга відмінність полягає в тому, що внупрішня поверхня скляного корпусу лампи денного світла, покрита шаром спеціального люмінісцируючого матеріалу. Цей матеріал перетворює невидиме ультрафіолетове світло в світло видиме. Головною перевагою ламп денного світла є їх енергетична ефективність (економічність). К.к.д. цих ламп близький до 20%, що майже в 5 разів перевищує к.к.д. традиційних ламп розжарювання.

  

Мал.154. Лампи денного світла – один з прикладів застосування тляючого розріду.

Ще однією практично важливою різновидністю самостійного газового розряду є так званий дуговий розряд. Дуговий розряд, це такий самостійний газовий розряд, який відбувається при нормальному атмосферному тиску та низькій напруженості електричного поля (р=1атм; Е≅30В/см). Дуговий розряд характеризується високою густиною струму та сильним нагріванням як струмопровідного газового каналу так і відповідних електродів. При дуговому розряді, струмопровідність газу забезпечується його тепловлю іонізацією та інтенсивним випаровуванням (еміссією) заряджених частинок з розжарених електродів.

Спрощено пояснюючи технологію створення дугового розряду, можна сказати наступне. Від потужного джерела струму, відносно невелика напруга (30 – 40В) подається на відповідні електроди. При короткотривалому контакті та наступному незначному віддалені цих електродів, між ними виникає потужний іскровий розряд, в процесі якого краї електродів та міжелектродний простір розігріваються до тисяч градусів. В такій ситуації, з одного боку відбувається інтенсивна теплова іонізація міжелектродного простору. А з іншого – інтенсивне випаровування (емісія) заряджених частинок з розжарених електродів. В результаті цих процесів, в міжелектродному просторі утворюється високотемпературний плазмовий канил який називається електричною дугою (мал.155). Така назва обумовлена тим, що в результаті конвекційних процесів, струмопровідний плазмовий канал має характерну дугоподібну форму.

Мал.155. Дуговий розряд, це результат певної сукупності таплових, світлових, електричних та інших процесів.

Дуговий розряд застосовують в електрозварювальних технологіях та в електродугових плавильних печах. Був час, коли дуговий розряд використовували як потужне джерело світла.

Четвертою, загально прийнятою різновидністю самостійного газового розряду є так званий коронний розряд. Коронний розряд, це такий самостійний газовий розряд, який відбувається при нормальному атмосферному тиску та надвисоких місцевих напруженостях електричного поля, що виникають в місцях з яскраво вираженою неоднорідністю цього поля. Характерною особливістю коронного розряду є те, що при такому розряді іонізаційні процеси відбуваються не по всій довжині  міжелектродного простору, а лише в невеликій його частині – поблизу загострених виступів електродів. Наприклад, в зображеній на мал.156а ситуації, один електрод представляє собою достатньо об’ємний металевий диск, а інший – загострений стержень. Ясно, що напруженість електричного поля поблизу загостреного стержня, в десятки а то й сотні разів більша за ту напруженість яка існує біля дископодібного електрода. В такій ситуації, за певної величини напруженості електричного поля, в безпосередніх околицях загостреного електрода, відбувається ударна іонізація газу яка створює відповідний струм та місцеве світіння газу. Власне цей струм та те світіння яке його супроводжує і називають коронним розрядом.

  

Мал.156. Коронний розряд виникає місцях з яскраво вираженою неоднорідністю електричного поля.

Коронний розряд має певні ознаки як іскрового розряду (відбувається при нормальному атмосферному тиску та надвисоких напруженностях електричного поля), так і розряду тліючого (характеризується малою густиною струму та відсутністю суттєвого нагрівання газу).

Коронний розряд часто (особливо в дощову погоду) спостерігається в певних місцях високовольтних ліній електропередач (мал.156б). В природних же умовах, коронний розряд, зазвичай в грозових та догрозових умовах, можна спостерігати на загострених кінцівках височіючих над поверхнею землі об’єктів, як то стовпи ліній електропередач, шпилеподідні верхівки соборів та церков, верхівки поодиноких дерев, щогли вітрильників, тощо. Природні коронні розряди часто називають вогнями Ельма (названо на честь покровителя моряків – святого Ельма).

В системах ліній електропередач, різноманітні прояви коронного розряду призводять до певних втрат електроенергії і в цьому сенсі є шкідливими. Якщо ж говорити про корисні застосування коронного розряду, то цей розряд застосовують в різноманітних системах очистки газів від домішок та пилу. А також в системах електричного нанесення на поверхні виробів різноманітних покриттів.

Контрольні запитання.

1.Наведіть докази того, що за звичайних умов гази не проводять струм.

2. Що потрібно зробити для того, щоб газ став струмопровідним? Як це можна зробити?

3. Поясніть суть теплової іонізації газу.

4. Поясніть суть ударної іонізації газу.

5. Чому в газі за звичайних умов завжди є мізерна кількість заряджених частинок?

6. Чому іскровий розряд супроводжується гучним тріском?

7. Чому при іскровому розряді ударна іонізація повітря відбувається при напруженості поля 30 000В/см, а при тліючому розряді – 300В/см?

8. Які відмінності має лампа денного світла порівніно з демонстраційною газорозрядною трубкою?

9. Дайте загальну характеристику електричного струму в газах (які носії струму, звідки вони беруться, яка вольт-амперна характеристика, які застосування).

                   Вправа 57.

1.Чим іонізація газу відрізняється від дисоціації електролітів?

2. Чому при дуговому розряді для проходження струму через газовий проміжок не потрібна висока напруга?

3. Чи можливий несамостійний розряд між проводами ліній електропередач?

4. Чому під дією стороннього іонізатора кількість іонів в газі збільшується лише до певної величини, а потім залишається незмінною?

5. Повітряний конденсатор підключено до джерела напруги 6кВ. При якій відстані між пластинками відбудеться пробій конденсатора, якщо ударна іонізація повітря відбувається при напруженості поля 3МВ/м?

6. Визначити потенціал іонізації атомів літію, якщо енергія їх іонізації 8,6·10^–19Дж.

7. Яку мінімальну швидкість повинен мати електрон для іонізації атому неона, якщо потенціал іонізації цього атомв 21,5В?

 

§58. Електричний струм у вакуумі. Електронно-вакуумні лампи.

 

Слово “вакуум” в перекладі з латинської означає “пустота”. Якщо виходити з того, що вакуум це дійсно пустий простір, який характеризується повною відсутністю будь яких частинок речовини, то можна стверджувати, що вакуум не проводить і не може проводити електричний струм. Тому, коли ми говоримо про електричний струм в вакуумі, то маємо на увазі певну умовну пустоту, в якій нема атомів, молекул та іонів, але є певна кількість надзвичайно дрібненьких заряджених частинок, про які не можна сказати що вони є частинками певної речовини. І не важко збагнути, що цими наддрібненькими зарядженими частинками є електрони. Наявність електронів не дає підстав стверджувати, що у відповідній частині простору знаходяться частинки певної речовини. З іншого ж боку, ці вільні електрони роблять фактично безречовинний простір (вакуум) струмопровідним.

На Землі нема тих місць, які б не були заповнені тими чи іншими частинками і про які можна було б сказати що в них знаходиться вакуум. Тому, говорячи про електричний струм в вакуумі, ми будемо говорити про певні прилади, в яких цей вакуум створюється штучни. Ці прилади називають електронно вакуумними лампами. Сьогодні вже пройшли ті часи, коли базовими елементами телевізорів, радіоприймачів, підсилювачів, електронно– обчислювальних мащин та інших приладів були електронно-вакуумні лампи. Однак, це зовсім не означає, що освітньо-пізнавальна значимість цієї теми стала менш важливою та актуальнорю.

Одним з основних елементів будь якої електронно-вакуумної лампи є спеціальний електрод (зазвичай катод) який називається електронним емітером, що в буквальному перекладі означає “випромінювач електронів” (від лат. emissio – випромінювати).

Говорячи про електронну емісію можна сказати наступне. Як відомо, в будь якому металі міститься велка кількість відносно вільних електронів провідності. За звичайних умов, електрони провідності не мають того запасу енергії який би дозволяв їм безповоротно вилітати (емітувати) за межі металу. Але якщо електрони отримують відповідну кількість енергії, то вони емітуюють, а простіше кажучи вилітають, випромінюються, випаровуються. При цьому, в залежності від того за рахунок чого електрони отримують необхідну для емісії енергію, розрізняють два основні види електронної емісії: термоелектронна емісія – випромінювання електронів обумовлене нагріванням речовини; фотоелектронна емісія – випромінювання електронів обумовлене дією на речовину світла.

Зазвичай електронний емітер представляє собою металевий електрод, поверхневий шар якого має малу роботу виходу електронів. Нагадаємо, роботою виходу електрона (А_в), називають ту мінімальну кількість енергії, яку необхідно витратити на те, щоб відірвати електрон від поверхні даного тіла. робота виходу визначається експериментально і записується у відповідну таблицю (дивись табл. ). Дослідження показують, що роботу виходу електрона з даного металу можна суттєво зменшити, якщо тонкий шар цього металу нанести на метал зі значно більшою роботою виходу. Наприклад, якщо цезій (А_в=1,8еВ) нанести на вольфрам (А_в=4,5еВ), то робота виходу електронів з цезію стане суттєво меншою і чисельно рівною 1,4еВ. Цей факт широко застосовується при виготовлені електронних емітерів.                     Таблиця

Робота виходу електронів з деяких металів.

Речовина	Робота виходу (еВ)	Речовина	Робота виходу (еВ)
Барій	2,4	Оксид барію	1,0
Вольфрам	4,5	Барій на вольфрамі	1,1
Золото	4,3	Цезій	1,8
Нікель	4,5	Цезій на вольфрамі	1,4
Платина	5,3	Цезій на платині	1,3
Срябло	4,3	рубідій	2,2

До числа базових електронно-вакуумних ламп відносяться вакуумний діод, вакуумний тріод та електронно-променева трубка. Гранично стисло описуючи будову принцип дії та функціональні можливості цих приладів можна сказати наступне.

Вакуумний (електровакуумний) діод, це електронно-вакуумна лампа, яка представляє собою герметичний корпус в якому створено глибокий вакуум і розміщено два електроди – анод та катод.

Мал.157.  Загальний устрій, умовне позначення та схема принципу дії вакуумного діода.

Принцип дії вакуумного діода гранично простий. При нагріванні катода, який по суті є термоелектронним емітером, з його поверхні випромінюються електрони. При цьому: 1). Якщо потенціал катода негативний, а потенціал анода позитивний (пряме включення), то у відповідному колі тече струм.   2). Якщо потенціал катода позитивний, а потенціал анода негативний (зворотнє включення), то у відповідному колі струм не тече. Іншими словами, вакуумний діод має односторонню провідність: при прямому включенні діод проводить струм, при зворотньому включенні – не проводить струм.

Констатуючи факт того, що вакуумний діод при прямому включенні є провідником, а при зворотньому – непровідником, його вольт-амперна характеристика складається з двох несиметричних частин (мал.158). Одна з цих частин характеризує залежність сили струму від напруги при прямому включенні діода, інша – при його зворотньому включенні.

Мал.158. Узагальнено спрощений вигляд вольт-амперної характеристики вакуумного діода.

Максимально стисло та спрощено пояснюючи суть тих подій, графічним відображенням яких є вольт-амперна характеристика вакуумного діода, можна сказати наступне. При прямому включенні діода, його катод випромінює електрони і вони, рухаючись в напрямку анода, створюють відповідний струм. Величина цього струму певним чином залежить від тієї електричної напруги що існує між анодом та катодом. В загальному випадку ця залежність є нелінійною. Вдаватися в подробиці цієї нелінійності ми не будемо. Зауважимо тільки, що емісійні можливості катода є обмеженими і тому при певній напрузі настає такий момент, коли всі емітовані електрони досягають анода. А це означає, що подальше збільшення напруги не призводить до збільшення сили струму в колі.

При зворотньому включенні діода, електрони якщо й емітують з позитивно зарядженого катода, то лише для того щоб на цей же катод і повернутись. А це означає, що за будь якої величини зовнішньої напруги, сила струму у відповідному електричному колі дорівнюватиме нулю.

Факт односторонньої провідності діода, можна застосовувати в найрізноманітніших системах, зокрема тих, які складають основу електронно обчислювальної техніки. Але найпростішим та найочевиднішим застосуванням діода є різноманітні випрямлячі – прилади, які перетворюють змінний струм в струм постійний.

Ще одним базовим електронно-вакуумним приладом є трьох електродна вакуумна лампа, яку називають вакуумним тріодом. Тріод відрізняється від діода тим що має додатковий електрод – керуючу сітку. Цей електрод представляє собою металеву спіраль або сітку, що оточує катод.

 

Мал.159 Загальний устрій, умовне позначення та схема принципу дії вакуумного тріода.

Принцип дії тріода полягає в наступному. Оскільки керуюча сітка розташована в безпосередній близькості від катода, то її електричний вплив на емітовані електрони є набагато більшим за вплив анода. Скажімо, якщо відстань між сіткою і катодом в 5 разів менша за відстань між анодом та катодом, то силова дія заряду сітки на емітовані електрони буде в 25 разів більшою за дію заряду анода: F_ел =kq₁q₂/r². А це означає, що малим від’ємним потенціалом сітки, можна керувати великим додатнім потенціалом анода. Іншими словами, якщо в коло керуючої сітки включити слабкий вхідний сигнал, то в колі анода ми отримаємо такий же за формою, але більший за потужністю вихідний сигнал. Цю визначальну властивість тріода застосовують в різноманітних підсилювальних системах – підсилювачах. Спрощена схема найпростішого підсилювача представлена на мал.160.

Мал.160  Схема гранично простого лампового підсилювача.

Пояснюючи загальний устрій та принцип дії підсилювача можна сказати наступне. Основним елементом підсилювача є тріод, на базі якого створюють два електричні кола: коло керуючої сітки та коло анода. При цьому, напруга в колі анода є набагато більшою за напругу в колі сітки (U_a>>U_c). В коло сітки включають джерело тих коливань які потребують підсилення, наприклад мікрофон. Ці коливання призводять до відповідних коливань негативного потенціалу сітки, які в свою чергу створюють аналогічні коливання струму в колі анода. А оскільки U_a>>U_c , то потужність (P=UI) створеного в анодному колі сигналу буде відповідно більшою за потужність вхідного сигналу.

В недалекому минулому, вакуумні діоди і тріоди були основою всієї радіо-телевізійної техніки. Основою інформаційних та обчислювальних систем. Основою всієї тогочасної електроніки. Однак сьогодні ви практично не зустріните працюючих лампових підсилювачів, телевізорів, радіол, електронно обчислювальних машин, тощо. Сьогодні, ці та їм подібні прилади стали напівпровідниковими. Напевно єдиною, ще вам знайомою електронно-вакуумною лампою є кінескоп телевізора, який в свою чергу є однією з різновидностей електронно-променевої трубки.

Електронно-променева трубка, це електронно-вакуумна лампа, яка дозволяє перетворювати електричні сигнали у відповідне візуальне зображення. Електронно-променева трубка (мал.161) складається з скляного герметичного корпусу (1) в якому створено глибокий вакуум; електронної гармати (2) яка формує сфокусовано направлений потік електронів (електронний промінь), системи управління електронним променем (3) та спеціального екрану (4) який світиться під ударами електронів.

Мал.161.  Електронно-променева трубка з електростатичною системою управління.

Гранично стисло та спрощено про принцип дії електронно-променевої трубки можна сказати наступне. Електронна гармата формує направлений потік електронів (електронний промінь), які пролітаючи через систему управління, певним чином відхиляються і “малюють” на екрані відповідне зображення. В залежності від способу управління електронним променем, електронно-променеві трубки поділяються на 1) трубки з електростатичним управлінням (в них управління здійснюється шляхом зміни параметрів того електричного поля яке створюється за допомогою двох пар спеціальних електродів); 2) трубки з електромагнітним управлінням (в них управління здійснюється шляхом зміни параметрів того магнітного поля яке створюється за допомогою спеціальної котушки індуктивності).

До числа базових електронно-вакуумних ламп можна віднести і вакуумний фотоелемент (від грец. photos – світло). Ця лампа представляє собою скляну герметичну колбу в якій створено вакуум (мал.153). Більша частина внутрішньої поверхні колби покрита тонким шаром металу з малою роботою виходу електронів. Цей метал є катодом лампи, а заодно і її фотоелектродним емітером. Анодом же лампи, є розташоване в її центральній частині тонке металеве кільце.

  

Мал.162. Загальний устрій, умовне позначення та схема принципу дії вакуумного фотоелемента.

Принцип дії вакуумного фотоелемента гранично простий. При включенні фотоелемента в електричне коло, між його електродами з’являється певна електрична напруга. За відсутності світла, електрони не вилітають з катода і у відповідному колі струму нема. За наявності ж світла, електрони емітують (випромінюються) з катода і у відповідному колі з’являється електричний струм.

В свій час, вакуумні фотоелементи широко застосовувались в різноманітних автоматизованих системах управління, звуковому кіно, вимірювальній техніці, тощо. Натепер же, аналогічні функції виконують відповідні напівпровідникові елементи.

Завершуючи розмову про електронно-вакуумні лампи, в котре зауважимо. Факт того що практична значимість цих ламп стає все меншою і меншою, зовсім не означає, що зменшується і їх науково пізнавальна значимість. Не означає по перше тому, що фундаментальні знання, завжди базуються на розумінні того еволюційного шляху який пройшло людство в процесі вирішення тієї чи іншої проблеми. І в цьому сенсі тема «електронно-вакуумні лампи» була, є і буде важливим і невід’ємною складовою процесу наукового пізнання Природи.

По друге, пояснити та зрозуміти принцип дії електронно-вакуумних ламп, набагато легше аніж їх напівпровідникових аналогів. (Власне тому лампові телевізори та ЕОМ з’явились набагато раніше за відповідні напівпровідникові прилади. І це при тому що виготовити ламповий діод що найменше в сотню разів важче та дорожче аніж діод напівпровідниковий). Тому, вивчаючи будову та принцип дії вакуумних діодів, тріодів та фотоелементів, ви не лише робите перші кроки на шляху вивчення сучасних напівпровідникових аналогів цих ламп, а й на шляху пізнання суті всієї сучасної електроніки.

Контрольні запитання.

1.Що в буквальному перекладі означає “електронний емітер”?

2. Як можна зменшити роботу виходу електронів з даного металу?

3. Поясніть будову та принцип дії вакуумного діода.

4. Поясніть вольт-амперну характеристику вакуумного діода.

5. Поясніть будову та принцип дії вакуумного тріода.

6. Поясніть принцип дії зображеного на мал.151 підсилювача.

7. Поясніть будову та принцип дії електронно-променевої трубки.

8. Поясніть будову та принцип дії вакуумного фотоелемента.

 

§59. Загальні відомості про напівпровідники та їх електропровідність. р-n перехід.

 

За здатністю проводити чи не проводити електричний струм, речовини поділяються на провідники, напівпровідники та непровідники (діелектрики). І не важко збагнути, що електропровідні властивості напівпровідників мають бути кращими аніж у діелектриків але гіршими аніж у провідників. Іншими словами, питомий опір напівпровідників має бути набагато більшим за питомий опір провідників, але набагато меншим за питомий опір діелектриків: ρ_пр < ρ_н/пр < ρ_діел.

Загалом, дане твердження є правильним. Адже якщо питомий опір хороших провідників (металів) знаходяться в інтервалі (10^–8–10^–6)Ом∙м, а діелектриків – в інтервалі (10¹⁰ – 10¹⁸)Ом∙м, то для напівпровідників величина питомого опору може становити від 10^–5Ом∙м до 10⁷Ом∙м. З іншого боку, існує величезна кількість речовин, питомий опір яких знаходяться в межах (10^–5–10⁷)Ом∙м і які не є напівпровідниками. По суті, це означає, що питомий опір не є тим базовим критерієм, застосування якого дозволяє обгрунтовано розділяти речовини на провідники, напівпровідники та діелектрики.        Напевно головною та найбільш універсальною ознакою напівпровідності матеріалу є факт того, що з підвищенням температури, опір напівпровідника не збільшується як у металів, а навпаки – швидко зменшується.

Мал.154. В процесі нагрівання електричний опір напівпровідника не збільшується як у металів, а навпаки – швидко зменшується.

Гранично стисло та спрощено пояснюючи даний факт можна сказати наступне. Дослідження показують, що електричний опір провідника, певним чином залежить від: 1) концентрації носіїв струму (чим більша концентрація – тим менший опір); 2) кількості зіткнень цих носіїв з атомами кристалічної структури провідника (чим більше зіткнень – тим більший опір). При цьому в металах, концентрація носіїв струму є гранично великою і такою, що не залежить від температури. В такій ситуації, опір провідника залежить лише від того, як часто в процесі свого упорядкованого руху, носії струму зіштовхуються з атомами кристалічної структури провідника. А ця частота (частість) залежить від інтенсивності теплового руху атомів, а отже від температури речовини: чим більша температура, тим більше зіткнень, а відповідно і більший електричний опір.

Якщо ж мова йде про напівпровідники, то в них кількість носіїв струму є обмеженою і такою що надзвичайно сильно залежить від температури: чим більша температура напівпровідника, тим більша концентрація носіїв струму в ньому і навпаки. А це означає, що при підвищенні температури, концентрація носіїв струму в напівпровіднику швидко збільшується, а його електричний опір швидко зменшується. Звичайно, це не означає, що тепловий рух атомів напівпровідника не заважає упорядкованому руху його носіїв струму. Просто вплив цього теплового опору є значно меншим за вплив факту збільшення концентрації носіїв струму.

Ще однією характерною ознакою напівпровідників є факт того, що їх питомий опір визначальним чином залежить від наявності домішок. При цьому, домішки не лише змінюють (зазвичай зменшують) питомий опір напівпровідника, а й впливають на характер його електропровідності. Про суть цього впливу, поговоримо дещо пізніше. Наразі ж додамо, що третьою визначальною ознакою напівпровідників є те, що їх електропровідність не пов’язана з переносом речовини і по суті є результатом упорядкованого руху електронів. Втім, характер цього руху суттєво відрізняється від характеру руху електронів провідності в металах.

Узагальнюючи вище сказане, можна дати наступне визначення. Напівпровідниками називають такі речовини, питомий опір яких набагато більший аніж у металів, але набагато менший аніж у діелектриків (ρ_мет ˂˂ ρ_н/пр ˂˂ ρ_діел) і які мають наступні характерні особливості:

1) в процесі збільшення температури питомий опір напівпровідника швидко зменшується;

2) наявність домішок впливає не лише на величину питомого опору напівпровідника, а й на характер його електропровідності;

3) електропровідність напівпровідника не пов’язана з переносом речовини і по суті є результатом упорядкованого руху електронів.

В тій чи іншій мірі, напівпровідникові властивості притаманні багатьом речовинам, які можуть бути кристалічними, аморфними чи рідкими. Однак, якщо говорити про ті речовини, напівпровідникові властивості яких є найбільш яскраво вираженими, найбільш дослідженими та найбільш очевидними, то цими речовинами є кристалічний германій (Ge) та кристалічний кремній (силіціум Si).

З курсу хімії ви знаєте, що германій і кремній – це елементи четвертої групи періодичної системи хімічних елементів. Що в цій групі, окрім германію і кремнію знаходяться вуглець (карбон С), олово (станум Sn) та свинець (плюмбум Pb). Що на зовнішньому (валентному) енергетичному рівні цих атомів, знаходиться по чотири валентних електрони, які відповідальні за їх хімічні властивості. Напевно знаєте і про те, що у вуглецю, валентні електрони достатньо міцно “прив’язані” до його атомів і що тому вуглець схильний проявляти неметалічні властивості. У свинцю та олова, навпаки – валентні електрони слабо “прив’язані” до своїх атомів і тому ці атоми схильні проявляти металічні властивості. Якщо ж говорити про германій та кремній, то в них зв’язок валентних електронів (у всякому разі одного з них) з відповідним атомом є не таким міцним як у неметалів і не таким слабким як у металів. А це означає, що за наявності більш менш суттєвих енергетичних впливів (температура, освітлення, електричні та магнітні поля, домішки, тощо) електрони германію та кремнію відносно легко відриваються від своїх атомів і стають електронами провідності.

Пояснюючи суть струмопровідних властивостей напівпровідників, розглянемо фрагмент кристалічної структури кремнію (силіцію)  (мал.155). Як відомо, на зовнішньому енергетичному рівні атома силіцію знаходяться чотири валентні електрони. Закони ж Природи вимагають того, щоб цих електронів було вісім. Виконуючи ці вимоги, кожен атом силіцію в процесі кристалізації оточує себе чотирма сусідами, з кожним з яких вступає в ковалентний зв’язок. В такій ситуації зовнішній енергетичний рівень кожного атома силіцію стає заповненим, тобто таким на якому міститься 8 валентних електронів: 4 – “своїх” і 4 – “чужих”.

Мал.155. Коли під дією того чи іншого енергетичного фактору, електрон залишає свій ковалентний зв’язок, то утворюються два носії струму: електрон і дірка.

Оскільки енергія зв’язку валентного електрону з атомом силіцію є відносно малою, то під дією тих чи інших енергетичних впливів (тепловий рух частинок, освітлення, радіаційний фон, тощо), будь який з цих електронів відносно легко відривається від свого атома (покидає свій ковалентний зв’язок) і стає вільним. При цьому у відповідному місці кристалічної структури утворюється так звана дірка. Діркою називають те місце в кристалічній структурі напівпровідника де відсутній повноцінний ковалентний зв’язок, тобто не вистачає валентного електрона.

Дірка не є реальною частинкою. Але її поведінка аналогічна поведінці реальної, вільної, позитивно зарядженої частинки. Дійсно. Оскільки в тому місці кристалічної структури германію яке прийнято називати діркою, не вистачає валентного електрона, то за будь яких сприятливих обставин, цей електрон буде “вкрадено” в одного з сусідніх ковалентних зв’язків. При цьому дірка автоматично переміститься в те місце звідки “вкрадено” електрон. Нова дірка “вкраде” новий електрон і відповідно переміститься в нове місце і т.д.

За відсутності зовнішнього електричного поля, дірка з однаковим успіхом може “вкрасти” електрон у будь якого сусіднього атома. А це означає, що рух дірки буде усереднено хаотичним. Якщо ж зовнішнє поле з’являється, то під його дією валентні електрони атомів будуть зміщеними в сторону позитивного потенціалу поля. Ясно, що в такій ситуації, дірці легше “вкрасти” той  електрон який зміщений в її сторону і який прагне полетіти в цю сторону. А це означає, що в зовнішньому електричному полі, рух дірок стає упорядкованим і направленим в сторону від’ємного полюса поля. Характер цього упорядкованого руху представлено на мал.156.

Мал.156. В зовнішньому електричному полі рух вільних електронів і дірки стає упорядкованим.

Таким чином, поведінка дірки є аналогічною поведінці вільної позитивно зарядженої частинки: за відсутності зовнішнього електричного поля, дірка рухається хаотично, а за наявності такого поля, її рух стає упорядкованим і таким що направлений в сторону від’ємного потенціалу поля. Однак, потрібно пам’ятати, що в процесі як упорядкованого так і хаотичного руху дірки, фактично рухаються лише електрони. Але не вільні електрони провідності, а валентні електрони напівпровідника.

Враховуючи вище сказане, будемо вважати, що носіями струму в напівпровідниках є електрони (електрони провідності) та дірки. При цьому в подальшому ми не будемо наголошувати на тому, що дірка – це частинка віртуальна. Адже в електричному сенсі поведінка цієї віртуальної частинки абсолютно аналогічна поведінці реальної, вільної, позитивно зарядженої частинки.

Дослідження показують, що електричні властивості напівпровідників визначально залежать не лише від зовнішніх енергетичних впливів, а й від наявності домішок. При цьому домішки впливають як на величину питомого опору напівпровідника, так і на характер його електропровідності. Пояснюючи суть цього впливу можна сказати наступне.

В чистому напівпровіднику, наприклад чистому германію, кількість вільних електронів і кількість дірок є однаковою. Однаковою тому, що поява або зникнення вільного електрона неминуче супроводжується появою або зникненням  відповідної дірки. Ясно, що в такій ситуації електропровідність напівпровідника в рівній мірі забезпечується як рухом вільних електронів так і рухом вільних дірок. Таку електропровідність називають електронно-дірковою провідністю. Якщо ж в напівпровіднику містяться домішки, то ситуація кардинально змінюється. І характер цих змін залежить від валентності домішкових атомів. При цьому можливі два варіанти домішок: домішка з більшою валентністю, або домішка з меншою валентністю.

Ілюструючи вплив домішок на характер електропровідності напівпровідника, розглянемо фрагмент кристалічної решітки германію, в якому міститься домішковий атом з більшою валентністю, наприклад атом  арсену Аs (елемент п’ятої групи) (мал.157). Будучи частиною кристалічної структури германію, п’ятивалентний арсен утворює з сусідніми атомами чотири повноцінні ковалентні зв’язки. При цьому п’ятий валентний електрон виявляється “зайвим” і тому неминуче стає вільним електроном провідності. І не важко збагнути, що поява цього вільного електрона не призводить до появи дірки. Вона призводить до появи позитивного іону арсену, але не призводить до появи тієї вільної позитивно зарядженої частинки яку прийнято називати діркою. Адже даний позитивний іон арсену не приєднає до себе вільного електрона і не “вкраде” валентного електрона у сусіднього атома. Не приєднає і не вкраде тому, що для нього цей електрон фактично буде дев’ятим а отже зайвим. Ge(4) + 0,001%As(5)

 

Мал.157. Домішкові атоми з більшою валентністю є джерелом додаткових електронів провідності, поява яких не супроводжується появою дірок.

Таким чином, якщо в напівпровіднику містяться домішкові атоми з більшою валентністю, то в ньому є відповідна кількість вільних електронів. А це означає, що в такому напівпровіднику основними носіями струму будуть електрони. Про напівпровідник в якому основними носіями струму є електрони (негативно заряджені частинки), говорять що він має електронну провідність або провідність n-типу (n – від слова “негативний”). При цьому сам напівпровідник називають напівпровідником n–типу, а ту домішку, яка забезпечує появу додаткових вільних електронів, називають донорною, тобто такою що віддає (віддає вільні електрони).

Тепер розглянемо ситуацію коли в кристалічній структурі германію міститься домішковий атом з меншою валентністю, наприклад атоми трьох валентного індію In (мал.158). Оскільки на зовнішньому енергетичному рівні індію міститься три валентних електрони, то вони утворять лише три повноцінні ковалентні зв’язки з трьома сусідніми атомами германію. При цьому, один ковалентний зв’язок неминуче виявиться незаповненим, тобто таким в якому не вистачає валентного електрона, а отже таким який прийнято називати діркою.  Зауважте, що в даній ситуації поява дірки не призводить до фактичної появи позитивного заряду. І тим не менше, ця фактично незаряджена дірка веде себе як повноцінна, позитивно заряджена частинка, яка може “вкрасти” електрон у того чи іншого сусіднього атома, або приєднати до себе вільний електрон.           Ge(4) + 0,001%In(3)

  

Мал.158 Домішкові атоми з меншою валентністю є джерелом додаткових дірок, поява яких не супроводжується появою вільних електронів.

Таким чином, якщо в напівпровіднику містяться домішкові атоми з меншою валентністю, то в ньому є відповідна кількість надлишкових дірок. В такій ситуації, основними носіями струму в напівпровіднику будуть дірки. Про напівпровідник в якому основними носіями струму є дірки (позитивно заряджені частинки), говорять що він має діркову провідність або провідність р-типу (р – від слова “позитивний”). При цьому сам напівпровідник називають напівпровідником р-типу, а ту домішку яка забезпечує появу додаткових дірок, називають акцепторною тобто такою що приєднує (приєднує вільні електрони).

На завершення зауважимо, що в напівпровіднику донорами і акцепторами можуть бути не лише певні атоми та молекули, а й певні природні чи штучно створені дефекти кристалічної структури. Загалом, ті процеси що відбуваються в напівпровіднику є надзвичайно складними. І тому ви маєте розуміти, що наші пояснення цих надскладних процесів є гранично спрощеними і такими що відображають лише їх загальну суть.

Сам по собі факт існування напівпровідників з різним типом електропровідності не є таким, що може пояснити устрій та принцип дії сучасного різноманіття напівпровідникових приладів. Щоб зрозуміти цей устрій та принцип дії, потрібно мати уявлення про ті процеси, що відбуваються на межі контакту напівпровідників з різним типом провідності, або, як прийнято говорити, в області р-n переходу. Та перш ніж говорити про ці складні процеси, доречно зробити три суттєві зауваження.

Перше. Потрібно пам’ятати, що твердження “в напівпровіднику n-типу є надлишок вільних електронів”, зовсім не означає, що відповідний напівпровідник негативно заряджений. Адже в ньому, поява “домішкового” електрона завжди супроводжується появою відповідного позитивного іону домішки. Цей іон не є носієм струму. Але він є носієм електричного заряду, наявність якого потрібно враховувати. Аналогічне можна сказати і про напівпровідники р-типу, в яких поява “домішкових” дірок не призводить до порушення загальної електро нейтральності напівпровідника.

Друге. Потрібно розуміти і пам’ятати, що в будь якому напівпровіднику, окрім вільних електронів та вільних дірок є в тисячі разів більша кількість електронейтральних атомів. Фактично в напівпровіднику, будь який вільний електрон і будь яка дірка так би мовити блукають в “густому лісі” незаряджених атомів. І якщо, пояснюючи ті чи інші процеси ми не будемо згадувати про ці незаряджені атоми, то лише для того щоб не ускладнювати і без того складні пояснення. І якщо графічно ілюструючи ті процеси що відбуваються в напівпровіднику, ми будемо зображати лише вільні електрони і дірки, то тільки для того, щоб максимально доступно передати суть відповідних процесів.

Третє. Потрібно розуміти і пам’ятати, що в напівпровідниках р та n типу, окрім основних носіїв струму, завжди присутня і певна кількість неосновних носіїв. Скажімо, в напівпровіднику р-типу основними носіями струму є дірки. Але в цьому ж напівпровіднику міститься і певна кількість вільних електронів. І це закономірно. Адже в напівпровіднику, під дією тих чи інших енергетичних впливів (тепловий рух частинок, освітлення, радіація, тощо) постійно відбуваються процеси генерації та рекомбінації пар електрон-дірка. Зазвичай, кількість неосновних носіїв струму є незначною. І тому при наближених поясненнях враховувати наявність цих носіїв ми не будемо. Однак ви маєте знати, що такі носії існують і що за певних обставин їх вплив може стати суттєвим.

Враховуючи вище сказане, гранично стисло і максимально спрощено розглянемо та пояснимо ті процеси що відбуваються на межі контакту р-n областей. Припустимо, що є два напівпровідники, один з яких має електропровідність n-типу (електронна провідність), інший – електропровідність р-типу (діркова провідність). З’єднаємо ці напівпровідники і проаналізуємо ті процеси що відбуваються на межі їх контакту.

Оскільки в напівпровіднику n-типу є надлишок вільних електронів, а в напівпровіднику р-типу – надлишок дірок, то в результаті дифузійних процесів вільні електрони будуть переходити в область діркової провідності, а вільні дірки – в область електронної провідності (мал.159а). Ясно, якби мова йшла про незаряджені частинки, то в результаті дифузійних процесів концентрація дірок і вільних електронів в обох частинах напівпровідника стала б однаковою. Але електрони і дірки – частинки заряджені. Тому перехід електронів в область діркової провідності, а дірок – в область електронної провідності неминуче призводить до того, що область діркової провідності набуває негативного заряду, а область електронної провідності – заряджається позитивно (мал.159б).

В такій ситуації, на ті заряджені частинки, які в результаті дифузії переходять в область протилежної провідності, починають діяти електричні сили, які змушують ці частинки повертатись в зону своєї провідності. Іншими словами, дифузійні процеси змушують заряджені частинки рухатись в одному напрямку, а породжені цим рухом електричні процеси, примушують ці ж частинки рухатись в зворотньому напрямку.

.                       q=0            q=0                                               q = +         q = –

   

.               дифузія → →                                                        ← ←електрика

мал.159.  На межі р-n областей, в результаті дифузійних та електричних процесів відбувається постійна циркуляція  електричних зарядів.

Таким чином, на межі р-n областей, в результаті дифузійних та електричних процесів, відбувається постійний кругообіг електричних зарядів. Констатуючи цей факт, говорять про те, що на межі p-n областей утворюється р-n перехід. Дослідження показують, що електричні властивості р-n переходу, еквівалентні певному додатковому електричному опору – опору р-n переходу. Поява цього опору є цілком закономірною. Адже абсолютно очевидно, що упорядковано рухатись через ту частину напівпровідника де відбувається інтенсивна дифузійно-електрична “колотнеча” набагато важче, аніж через ті його області де такої колотнечі нема.

Характерною та найважливішою властивістю  р-n переходу є факт того, що величина його електричного опору залежить від способу включення переходу в електричне коло. При цьому: 1. При прямому включенні р-n переходу (мал.160а), тобто при подачі потенціалу «+» на область р-провідності, а потенціалу «-» на область n-провідності, опір р-n переходу зменшується і напівпровідник стає провідником (R_p–n зменшується, а отже I=U/R – збільшується). 2. При зворотньому включенні p-n переходу (мал.160б), тобто при подачі потенціалу «+» на область n-провідності, а потенціалу «-» на область р-провідності, опір р-n переходу збільшується і напівпровідник стає непровідником (R_p–n збільшується, а отже I=U/R – зменшується).

 

.                                            

Мал.160. При прямому включенні (а) електричний опір р-n переходу зменшується і напівпровідник стає провідником, а при зворотньому включенні (б), опір р-n переходу збільшується і напівпровідник стає непровідником.

Пояснюючи ті процеси що відбуваються в області р-n переходу, можна говорити не лише про електричний опір р-n переходу, а й про ширину його запираючої зони, висоту потенціального бар’єру, контактну різницю потенціалів, тощо. Але в будь якому випадку, суть цих пояснень зводиться до того, що електричний опір р-n переходу певним чином залежить від способу включення цього переходу в електричне коло. І ця залежність така, що подібно до вакуумного діода, р-n перехід має односторонню провідність.

Контрольні запитання.

1.Поясніть, чому в процесі нагрівання електричний опір металів збільшується, а напівпровідників – зменшується?

2. Назвіть основні ознаки напівпровідності матеріалу.

3. В атомі свинцю(Pb) і в атомі вуглецю (С) по чотири валентні електрони. Чому ж відірвати валентний електрон від атому свинцю набагато легше аніж від атома вуглецю?

4. Поясніть механізм появи та зникнення дірок в кристалі германію.

5. Поясніть твердження: рух дірок пов’язаний з естафетним переміщенням валентних електронів в напівпровіднику.

6. Чи означає факт того, що в напівпровіднику n-типу є надлишок вільних електронів, що цей напівпровідник негативно заряджений?

7. Поясніть суть тих процесів що відбуваються на межі контакту р-n областей.

8. Чому перехід дірок в область електронної провідності, а електронів в область діркової провідності не призводить до масової рекомбінації цих частинок?

9. Поясніть, чому р-n перехід має властивості певного додаткового опору?

10. Поясніть, чому при прямому включенні, опір р-n переходу зменшується?

 

§60. Напівпровідникові прилади.

 

Уявити сучасне цивілізоване життя без напівпровідникових приладів практично не можливо. Ці прилади перетворюють змінний струм на постійний і навпаки. Підсилюють, генерують та трансформують електричні сигнали. Перетворюють тепло, світло, зображення та звук в електрику, а електрику в тепло, світло, зображення та звук. Вимірюють час, температуру, тиск, силу світла, силу струму та безліч інших величин. Запам’ятовують, аналізують та систематизують інформацію. Виконують математичні та логічні операції, курують складними технологічними процесами, навчають дітей і вчаться самі. Радіо і телебачення, комп’ютери і мобільний зв’язок, побутова техніка і медичне обладнання, музикальні інструменти і наукове та навчальне обладнання, сучасний транспорт і сучасні засоби виробництва, – це далеко не повний перелік тих сфер нашого життя, сучасне функціонування яких не можливо уявити без застосування напівпровідників.

Різноманіття напівпровідникових приладів таке величезне, що годі й думати про те, щоб бодай коротко ознайомитись з будовою та принципом дії всіх його складових. Але серед цього різноманіття, можна виділити ряд простих приладів які мають не лише самостійне застосування, а й є базовими елементами більш складних напівпровідникових систем. До числа цих базових приладів відносяться напівпровідникові діоди, транзистори, терморезистори, фоторезистори та фотоелементи.

Діод (напівпровідниковий діод) – це напівпровідниковий прилад, з одним р-n переходом та односторонньою провідністю. Внутрішній устрій типового напівпровідникового діода представлено на мал.162. Цей діод представляю собою монокристал германію (кремнію чи іншого базового напівпровідника), в тіло якого впаяна металева (зазвичай вольфрамова чи бронзова) дротина з краплю індію (астату чи іншої домішки) на кінці. В процесі впаювання, за рахунок теплової дифузії, певна кількість атомів індію проникає в середину германію і створює зону діркової провідності. При цьому між дірковою (р) та електронною (n) областями виникає відповідний р-n перехід.

Мал.161. Загальний вигляд, внутрішній устрій та умовне позначення напівпровідникового діода.

В попередньому параграфі ми з’ясували, що р-n перехід, а отже і напівпровідниковий діод, мають односторонню провідність. Цю струмопровідність можна охарактеризувати відповідною воль-амперною характеристикою.

а) б)

Мал.162.  Вольт-амперна характеристика а) напівпровідникового діода; б) вакуумного діода.

Порівняно з вольт-амперною характеристикою вакуумного діода, дана характеристика має ряд відмінностей. По перше, вона не має ділянки насичення струму, тобто того максимального струму, величина якого обмежена емісійними можливостями емітера. При надмірно великих струмах, напівпровідник загалом та його р-n перехід зокрема, можуть надмірно нагрітись і вийти з ладу (розплавитись). Але принципових обмежень щодо величини того струму який проходить через р-n перехід не існує.

По друге. Вольт-амперна характеристика прямого включення є не лінійною, а параболічною. Це пояснюється тим, що загальний опір напівпровідника складається з двох частин: опору р-n переходу та опору самого напівпровідника. При цьому, в процесі зростання напруги, кожен з цих опорів так чи інакше зменшується. Результатом цього зменшення і є параболічність відповідної вольт-амперної характеристики.

По третє. Величина того струму що відповідає зворотньому включенню р-n переходу не є строго нулевою. Це пояснюється тим, що в напівпровіднику, окрім основних носіїв струму, завжди є певна кількість неосновних носіїв. Власне ці неосновні носії і створюють певний зворотній струм. Зазвичай, величина цього струму є несуттєвою. Однак за певних обставин наявність цього зворотнього струму потрібно враховувати.

Факт односторонньої провідності діода застосовують в випрямлячах струму – приладах, які перетворюють змінний електричний струм в струм постійний. Схема найпростішого випрямляча струму представлена на мал.163. Принцип дії цієї системи полягає в наступному. Діод, маючи односторонню провідність, проводить струм лише в ті моменти (напівперіоди) коли напрям струму співпадає з напрямком його провідності (відповідає прямому включенню р-n переходу). Це означає, що на виході діода ми отримаємо дискретні імпульси (пульсації) струму одного напрямку, але змінної величини.

Мал.163. Схема напівперіодного випрямляча струму.

Недоліки представленої на мал.163 випрямної схеми є очевидними. Адже в ній фактично використовується лише половина енергії змінного струму. Зважаючи на ці обставини, на практиці застосовують дещо складніші схеми, зокрема так звану мостову схему (мал.164). В мостовій схемі чотири діоди з’єднані таким чином, що в незалежності від напрямку вхідного струму, напрям вихідного струму буде одним і тим же. Дійсно. Припустимо, що в даний момент часу вхідна червона клема має потенціал (+), а вхідна чорна клема потенціал (–). В такій ситуації потенціал (+) пройде через діод (1) і опиниться на верхній вихідній клемі. Натомість потенціал  (–) пройде через діод (3) і опиниться на нижній вихідній клемі. Якщо ж полярність вхідної напруги зміниться на протилежну (червона клема (–), чорна (+)), то в цьому випадку, потенціал (+) пройде через діод (2) і знову опиниться на верхній вихідній клемі, а потенціал (–), пройде через діод (4) і знову опиниться на нижній вихідній клемі. По суті це означає, що в мостовому випрямлячі, струм одного напрямку проходить через одні діоди, а струм протилежного напрямку – через інші. При цьому на виході випрямного містка ми  отримуємо неперервні співнаправлені пульсації струму. За наявності в колі конденсатора (мал.164б), ці пульсації згладжуються і струм стає не лише постійним за напрямком, а й майже постійним за величиною.

 

Мал.164. Мостова схема випрямляча струму.

За своїми функціональними можливостями напівпровідникові діоди мало відрізняються від діодів лампових. Однак за іншими показниками, вони мають ряд безумовних переваг: висока технологічність, низька ціна, високий к.к.д., малі розміри, довговічність, надійність в роботі, механічна міцність, тощо. Якщо ж говорити про недоліки напівпровідникових діодів і напівпровідникових приладів загалом, то основними з них є чутливість до температурних впливі та напругових перевантажень.

Транзистор (напівпровідниковий тріод) – це напівпровідниковий прилад з двома р-n переходами, який застосовують для підсилення, генерації та трансформації електричних коливань. Технологія виготовлення транзистора схожа на технологію виготовлення діода. Різниця лише в тому, що до базового напівпровідника (мал.165) з протилежних сторін приєднують два електроди (емітер і колектор) з наявними в них атомами домішок. При цьому отримують систему з двома p-n переходами та трьома електродами: база, емітер, колектор. Дані назви певним чином відображають суть тих функціональних обов’язків які виконують відповідні електроди: емітер – той хто випромінює (емітує, постачає) носії струму; колектор – той хто приймає ці носії; база – напівпровідникова основа приладу.

Мал.165. Принциповий устрій та умовне позначення транзистора.

Функціональні властивості транзистора значною мірою аналогічні властивостям вакуумного тріода. Найочевиднішою з цих властивостей є здатність підсилювати електричні сигнали. Пояснюючи суть цієї здатності, розглянемо представлену на мал.166 схему простого підсилювача. В цьому підсилювачі, на базі транзистора зібрано два електричні кола: коло емітера і коло колектора. При цьому, величина тієї напруги що існує в колі колектора є набагато більшою за ту напругу, що існує в колі емітера (U_k>>U_e). Знаки ж потенціалів є такими, що на вході емітера знак зовнішнього потенціалу співпадає з знаком основних носіїв струму, а на вході колектора цей знак є протилежним знаку його основних носіїв.

За наявної схеми включення, ті носії струму які є основними в області емітера (в даному випадку дірки), будуть рухатись від емітера до колектора. Проходячи через базу (область з електронною провідністю) частина дірок рекомбінує з її вільними електронами. Але оскільки товщина бази є малою, а її електричний потенціал – нулевим, то число таких рекомбінацій буде незначним. А це означає, що ті струми які протікають в колі колектора та колі емітера будуть практично однаковими (І_к≈І_е). Зважаючи ж на факт того що U_k>>U_e, рівність струмів фактично означає, що малопотужні електричні коливання в колі емітера, автоматично створюють аналогічні за формою але значно більші за потужністю коливання в колі колектора (І_кU_k>>І_еU_e). Таким чином, включивши в коло емітера мікрофон, а в коло колектора гучномовець, ми отримаємо прилад який підсилює звукові сигнали.

Мал.166. Принципова схема підсилювача електричних сигналів.

Якщо один р-n перехід є випрямлячем струму, а два – підсилювачем електричних сигналів, то що можна сказати про систему сотень, тисяч і мільйонів таких переходів? Ясно одне – можливості подібних систем практично безмежні.

Інтегральна мікросхема – це складний напівпровідниковий прилад, який представляє собою сукупність великої кількості р-n переходів та інших допоміжних елементів, виготовлених на базі цілісного напівпровідникового кристалу, і розташованих в певній функціонально визначеній послідовності. На електричних схемах позначається символом       ІМС

Інтегральна мікросхема, це розумне серце будь якого сучасного електронного приладу, починаючи від годинників, калькуляторів та дитячих іграшок і закінчуючи телевізорами, цифровими відеокамерами, мобільними телефонами і звичайно ж комп’ютерами. Застосування інтегральних мікросхем по суті призвело до науково – технічної революції в сфері інформаційних технологій. Судіть самі. Лампові електронно обчислювальні машини (ЕОМ) першого покоління, були розміром з трьох поверховий будинок. Функціонування такої машини забезпечувала багаточисельна бригада фахівців та невелика електростанція. Сучасні ж міні-комп’ютери – розміром з книгу. І це при тому, що їх функціональні можливості в тисячі разів більші за можливості супер ЕОМ першого покоління.

Мал.167. Загальний вигляд інтегральної мікросхеми.

Терморезистор (термоопір) – це напівпровідниковий прилад, електричний опір якого визначеним чином залежить від температури. В основі принципу дії терморезистора лежить факт того, що в процесі підвищення температури, опір напівпровідника швидко зменшується. Зазвичай, терморезистори виготовляють з напівпровідникових матеріалів які є сумішшю оксидів деяких металів, зокрема титану, магнію, нікелю, кобальту, літію. Прогнозована зміна опору терморезисторів в процесі їх нагрівання або охолодження, дозволяє використовувати ці прилади для вимірювання температури, автоматизованого підтримування заданого температурного режиму, контролю пожежної безпеки, тощо.

   

Мал.168. Загальний вигляд та умовне позначення терморезисторів.

Напівпровідниковими фотоприладами – називають велику групу напівпровідникових приладів, принцип дії яких базується на загальних властивостях напівпровідників та явищі внутрішнього фотоефекту. Внутрішній фотоефект – це явище, суть якого полягає в тому, що при поглинанні світла речовиною, електрони відриваються від атомів цієї речовини, але не вилітають за її межі.

Найпростішим напівпровідниковим фотоприладом є фоторезистор –прилад, електричний опір якого визначеним чином залежить від величини того світлового потоку що на нього потрапляє. Основною деталлю фоторезистора є чутливий до світла напівпровідник, зазвичай PbS; CdS; CdSe. Принцип дії фоторезистора гранично простий. За відсутності світла, електричний опір напівпровідника є достатньо великим і тому у відповідному колі струму нема. За наявності світла, опір напівпровідника зменшується і у відповідному колі з’являється електричний струм, величина якого залежить від інтенсивності освітлення.

Фоторезистори є основними елементами різноманітних фотореле. Ці прилади в потрібний час включають та виключають світло на вулицях міст і сіл. Включають і виключають ліхтарі маяків та бакенів. Сортирують деталі за їх розмірами та кольором. Вмикають та вимикають електродвигуни та інше технологічне обладнання. Контролюють потік пасажирів в метро, слідкують за дотриманням техніки безпеки на виробництві, тощо.

   

Мал.168. Загальний вигляд та умовне позначення фоторезистора.

Ще одним важливим напівпровідниковим фотоприладом є так звана сонячна батарея або фотоелемент. Фотоелемент (сонячна батарея) – це напівпровідниковий прилад, який перетворює енергію світла в енергію електричного струму.

Електрогенеруючим елементом сонячної батареї є напівпровідникова (зазвичай кремнієва) пластина з одним поздовжнім р-n переходом (мал.169). Принцип дії цієї фотопластини полягає в наступному. При потраплянні світла на область діркової провідності (р-провідності), в ній генеруються як вільні електрони так і дірки. Це означає, що в області р-провідності створюється певний надлишок як фотоелектронів так і фотодірок. А оскільки існуюче в районі р-n переходу електричне поле, сприяє дифузії електронів і протидіє дифузії дірок, то між р і n областями утворюється певна різниця потенціалів (~0,5В), яку можна реалізувати у вигляді відповідного струму. В наш час, напівпровідникові фотоелементи застосовуються не лише як малопотужні допоміжні джерела струму, а і як цілком ефективні джерела струму промислової потужності.

Мал.169. Загальний устрій фотоелемента (сонячної батареї).

На завершення вкотре зауважимо. Ті процеси, які відбуваються в напівпровідниках є надзвичайно складними. По суті, вони є результатом багатьох теплових, дифузійних, електричних, світлових, хімічних, квантово механічних та інших явищ. Тому ви маєте розуміти, що наші пояснення цієї складної системи явищ є максимально спрощеними. Втім, ви маєте розуміти і те, що “спрощеними” не означає “поганими”, чи скажімо, “неправильними”.

Контрольні запитання.

1.Поясніть принцип дії зображеного на мал.163 випрямляча струму. Які недоліки цього випрямляча?

2. Поясніть принцип дії випрямляча мостової схеми.

3. Поясніть принцип дії транзисторного підсилювача.

4. Поясніть принцип дії терморезистора.

5. Поясніть принцип дії фоторезистора.

6. Поясніть принцип дії сонячної батареї.

7. Які переваги мають напівпровідникові прилади порівняно з приладами електронно вакуумними?

 

§61. Електричний струм в різних середовищах.

                   Узагальнююче повторення.

 

Електричний струм в металах. Носіями струму в металах є електрони провідності. Їх поява обумовлена особливостями кристалічної структури металів. А ці особливості полягають в тому, що атоми металів постійно обмінюються валентними електронами. При цьому кожен атом почергово обмінюється електронами з усією сукупністю сусідніх атомів. А це означає, що валентні електрони металу є колективізованими, тобто такими, що належать всій сукупності атомів відповідного металу. В такій ситуації, за відсутності зовнішнього електричного поля, рух колективізованих електронів є усереднено хаотичним. За наявності ж електричного поля, цей хаотичний рух стає хаотично-упорядкованим. Власне упорядковану складову цього хаотично-упорядкованого руху електронів ми і називаємо електричним струмом в металах.

Динаміку залежності сили струму від напруги в провіднику відображає відповідна вольт-амперна характеристика. Для металів цією характеристикою є пряма, кут нахилу якої залежить від електричного опору провідника (мал.61). Метали, це найкращі провідники електричного струму і тому їх основне електротехнічне застосування – бути струмопровідними елементами електричних кіл.

Дослідження показують, що в зоні контакту двох різних металів, в результаті певної сукупності дифузійних, електричних та квантово-механічних процесів виникає певна контактна різниця потенціалів. Без додаткових енергетичних затрат, перетворити контактну різницю потенціалів в електричний струм, неможливо. Але наявність цієї різниці певним чином впливає на хід багатьох процесів що відбуваються в зоні контакту різних металів. Прикладом таких процесів є хімічні джерела струму та термоелектричні явища, зокрема ефект Зеєбека. Ефект Зеєбека, це явище, суть якого полягає в тому, що за наявності перепаду температур між місцем з’єднання двох різних металів та їх краями, виникає певна термоерс, яка в замкнутому електричному колі створює відповідний електричний струм. Ефект Зеєбека корисно застосовується в приладах які називаються термопарами.

Електричний струм в електролітах.

Електролітами називають такі рідини, які проводять електричний струм і в яких носіями струму є позитивні та негативні іони. До числа електролітів відносяться розчини та розплави солей, основ (лугів) та кислот. Тобто тих речовин, які в твердому стані мають яскраво виражену іонну структуру (солі та основи), або, будучи рідинами, складаються з молекул, фрагменти яких об’єднані таким сильно поляризованим ковалентним зв’язком, який фактично мало чим відрізняється від зв’язку іонного (кислоти).

Носіями струму в електролітах є позитивні та негативні іони. Їх поява обумовлена: 1) електролітичною дисоціацією, тобто розпадом сильно поляризованих молекул та іонних кристалічних структур на відповідні позитивні та негативні іони, який відбувається під дією розчинника; 2) тепловою руйнацією іонної кристалічної структури, яка відбувається в процесі плавлення.

Характерною особливістю струму в електролітах є факт того, що цей струм супроводжується переносом речовини та певною сукунністю електрохмічних процесів, які прийнято називати електролізом. Закономірності цього процесу (закони електролізу) були з’ясовані та сформульовані видатним англійським фізиком Майклом Фарадеєм.

Перший закон Фарадея: маса тієї речовини що виділяється на електроді при електролізі, прямопропорційна величині того заряду (q) що проходить через електроліт: Δm=kq або Δm=kIt , де k – електрохімічний еквівалент речовини. Другий закон Фарадея: електрохімічний еквівалент речовини прямопропорційний молярній масі (М) цієї речовини і обернено пропорційна валентності (n) її іонів:   k=M/Fn, де   F=96484,5 Кл/моль – постійна величина яка називається сталою Фарадея.

Можна довести, що стала Фарадея дорівнює добутку двох постійних величин – сталої Авогадро та тієї постійної величини яка називається елементарним зарядом: F=N_Ae=6,02·10²³(1/моль)1,6·10‾¹⁹Кл=96484,5Кл/моль. При цьому, факт того, що теоретично визначене значення сталої Фарадея в точності співпадає з експериментально виміряним значенням цієї сталої, безумовно вказує на те, що відповідна теорія є правильною. Крім цього, факт того що F=N_Ae дозволяє за відомими значеннями двох сталих величин, визначити третю. Власне величину елементарного заряду (e=F/N_A=1,6·10‾¹⁹Кл), вперше визначили саме на основі тих фактів які були відомі про сталу Фарадея та сталу Авогадро.

Якщо в процесі електролізу, параметри електроліту (концентрація іонів, температура, хімічний склад, тощо) залишаються незмінними, то його вольт-амперна характеристика представлятиме собою певну пряму, кут нахилу якої залежить від електричного опору відповідного електроліту.

Факт того, що процес електролізу супроводжується переносом речовини і певними електрохімічними реакціями, широко застосовується в багатьох технологічних процесах, зокрема при рафінуванні металів, гальваностегії та гальванопластиці. Крім цього, ті електрохімічні процеси, що відбуваються при електролізі корисно застосовуються в хімічних джерелах струму (гальванічні елементи та акумулятори).

Електричний струм в газах.

За звичайних умов, практично всі гази не проводять електричний струм. Не проводять тому, що складаються електронейтральних частинок – молекул (атомів). Для того, щоб газ став струмопровідним, його потрібно іонізувати, тобто так чи інакше вибити електрон з електронейтральної молекули газу. Розрізняють чотирі основні види іонізації газу: теплова іонізація, фотоіонізація, радіаційна іонізація та ударна іонізація. При цьому перші три види іонізації передбачають наявність певного стороннього іонізатора: джерела високої температури, джерела жорсткого ультрафіолетового чи рентгенівського випромінювання, джерела інтенсивної радіації. Ударна ж іонізація газу відбувається під дією самого електричного поля, тобто того поля яке і створює електричний струм. При ударній іонізації, поле розганяє наявні в газі заряджені частинки (а мізерна кількість таких частинок в газі завжди присутня) до таких енергій, яких достатньо для того щоб при взаємодії (при ударі) з електронейтральними молекулами, іонізують їх.

Проходження електричного струму через іонізований газ називають газовим розрядом. В залежності від того, яку роль в процесі проходження струму через газове середовище виконують сили зовнішнього електричного поля, газові розряди поділяються на самостійні та несамостійні. Самостійний газовий розряд, це такий розряд, який відбувається за відсутності стороннього іонізатора і в якому електричне поле не лише упорядковує рух носіїв струму, а й фактично є основним енергетичним джерелом цих носіїв. Несамостійний газовий розряд, це такий розряд, при якому поява носіїв електричого струму обумовлена іонізуючою дією стороннього іонізатора. При цьому електричне поле лише упорядковує рух тих електричних зарядів які створює іонізатор. Загальний вигляд вольт-ампернї характеристики газового розряду за відсутності та за наявності сторонньго іонізатора, представлено на мал.73.

До числа найбільш поширених та практично значимих самостійних газових розрядів відносяться іскровий розряд, тліючий розряд, коронний розряд та дуговий розряд. Більшість з цих розрядів, в тій чи іншій формі зустрічаються в природних умовах (блискавка, полярне сяйво, вогні святого Ельма), та мають певне практичне застосування. Зокрема: іскровий розряд застосовується і свічках запалювання двигунів внутрішнього згорання; тліючий розряд – в лампах денного світла; дуговий розряд – в електрозварюванні.

Електричний струм в вакуумі.

Говорячи про електричний струм в вакуумі, мають на увазі певну, штучно створену, умовну пустоту, в якій нема атомів, молекул та іонів, але є певне джерело вільних електронів. Прилади які забезпечують проходження струму через штучно створений вакуум та виконання цим струмом певних, чітко визначених функцій, називаються електронно-вакуумними лампами. Загальний принцип дії електронно-вакуумних ламп полягає в наступному. Та частина лампи яка називається емітером, за рахунок отриманої теплової чи світлової енергії, випромінює (емітує) електрони. При цьому, подальша поведінка цих електронів визначається тими електричними впливами які створюються у відповідній лампі. До числа базових електронно-вакуумних ламп відносяться вакуумний (ламповий) діод, вакуумний тріод, вакуумний фотоелемент та електронно-променева трубка.

Вакуумний діод, це електронно-вакуумна лампа з двома електродами (анод та катод), визначальною властивістю якої є одностороння провідність.

Вакуумний тріод, це електронно-вакуумна лампа з трьома електродами (анод, катод та керуюча сітка), визначальною властивістю якої є здатність підсилювати електричні сигнали.

Електронно-променева трубка, це електронно-вакуумна лампа, яка дозволяє перетворювати електричні сигнали у відповідне візуальне зображення.

Вакуумний фотоелемент, це електронно-вакуумна лампа з двома електродами (анод та катод), визначальною властивістю якої є здатність проводити чи не проводити струм в залежності від наявності чи відсутності освітлення.

В свій час, електронно-вакуумні лампи були основою всієї електроніки: радіо, телебачення, електронно-обчислювальні машини, тощо. На сьогоднішній же день, лампова електроніка практично повністю замінена та піднята на незрівнянно більш високий рівень можливостей електронікою напівпровідниковою.

Електричний струм в напівпровідниках.

Напівпровідниками називають такі речовини, питомий опір яких набагато більший аніж у металів, але набагато менший аніж у діелектриків і які мають наступні характерні особливості:

1) в процесі збільшення температури питомий опір напівпровідника швидко зменшується;

2) наявність домішок впливає не лише на величину питомого опору напівпровідника, а й на характер його електропровідності;

3) електропровідність напівпровідника не пов’язана з переносом речовини і по суті є результатом упорядкованого руху електронів.

Носіями струму в напівпровідниках є електрони та дірки. Діркою називають те місце в кристалічній структурі напівпровідника де відсутній повноцінний ковалентний зв’язок, тобто не вистачає валентного електрона. Струмопровідні властивості дірки, аналогічні властивостям вільної, позитивно зарядженої частинки.

В напівпровіднику, поява вільних електронів та дірок обумовлена рядом обставин, головною з яких є особливості кристалічної структури напівпровідника. А ці особливості полягають в тому, що ті валентні електрони якими обмінюються атоми напівпровідника і які утворюють ковалентні зв’язки між цими атомами, не надто міцно “прив’язані” до своїх атомів. В такій ситуації, під дією тих чи інших енергетичних впливів (тепловий рух частинок, освітлення, наявність домішок, тощо), валентні електрони відносно легко покидають свої ковалентні зв’язки і стають електронами провідності. При цьому у відповідному місці з’являється дірка.

Характерною ознакою напівпровідників є факт того, що в процесі нагрівання їх електричний опір не збільшується, як у металів, а навпаки – швидко зменшується. Ще однією характерною ознакою напівпровідників є факт того, що наявні в них домішки не лише впливають на величину їх електричного опору, а й визначають характер електропровідності напівпровідника.

Говорячи про характер електропровідності напівпровідника, мають на увазі наступне. В чистому (бездомішковому) напівпровіднику, кількість вільних електронів і кількість дірок є однаковою. Тому в чистому напівпровіднику, електричний струм в рівній мірі забезпечується як рухом вільних електронів, так і рухом дірок. В напівпровіднику з домішками атомів більшої валентності є певний гарантований надлишок вільних електронів. А це означає, що в такому напівпровіднику основними носіями струму є електрони (негативно заряджені частинки). При цьому говорять, що напівпровідник має електропровідність n-типу (n – від слова “негативний”). Якщо ж напівпровідник містить домішки з меншою валентністю, то в ньому є певний гарантований надлишок дірок і тому його основними носіями струму є дірки (позитивно заряджені частинки). При цьому говорять що напівпровідник має електропровідність р-типу (р – від слова “позитивний”).

Найважливіші властивості напівпровідників нерозривно пов’язані з тими процесами, що відбуваються на межі контакту р-n областей. На цій межі, в результаті дифузійних та електричних процесів відбувається постійний кругообіг електричних зарядів, який прийнято називати р-n переходом. Електричні властивості р-n переходу еквівалентні властивостям певного електричного опору (R_p-n). При цьому найважливішою особливістю цього опору є факт того, що його величина залежить від способу включення  р-n переходу в електричне коло:

– при прямому включенні  R_p-n→0;

– при зворотньому включені R_p-n→∞.

Вольт-амперна характеристика р-n переходу (напівпровідникового діоду) представлена на мал.171.

До числа базових напівпровідникових приладів відносяться: діод, транзистор, терморезистор, фоторезистор, фотоелемент, інтегральна мікросхема. По суті, на базі цих напівпровідникових приладів побудована вся сучасна промислово-інформаційна цивілізація.

Діод (напівпровідниковий діод) – це напівпровідниковий прилад, з одним р-n переходом та односторонньою провідністю.

Транзистор (напівпровідниковий тріод) – це напівпровідниковий прилад з двома р-n переходами, який застосовують для підсилення, генерації та трансформації електричних коливань.

Інтегральна мікросхема – це складний напівпровідниковий прилад, який представляє собою сукупність великої кількості р-n переходів та інших допоміжних елементів, виготовлених на базі цілісного напівпровідникового кристалу, і розташованих в певній функціонально визначеній послідовності.

Терморезистор (термоопір) – це напівпровідниковий прилад, електричний опір якого визначеним чином залежить від температури.

Фоторезистор – напівпровідниковий прилад, електричний опір якого визначеним чином залежить від величини того світлового потоку що на нього потрапляє.

Фотоелемент (сонячна батарея) – це напівпровідниковий прилад, який перетворює енергію світла в енергію електричного струму.

Гранично стислі, загальні відомості про електричний струм в різних середовищах можна представити у вигляді наступної підсумкової таблиці.

 

Середовище	Носії струму	Механізм появи носіїв струму	Вольт-амперна характеристика	Застосування
Метали	електрони	особливості кристалічної структури металів	І     .                         U	Основні струмопровідні елементи ел. кіл.
Електроліти	позитивні та негативні іони	електролітична дисоціація; теплова руйнація іонної структури	І     .                         U	рафінування; гальваностегія; гальваноплас-тика; хімічні джерела струм
Гази	електрони та позитивні іони	іонізація газу -теплова -фото -радіаційна -ударна	І       .                        U	свічки запалювання; лампи денного світла; ел. зварювання
Вакуум	електрони	термоелектронна емісія; фотоелектронна емісія	.          І     Uзв                   Uпр	випрямлячі підсилювачі фотореле електроніка
Напів- провідники	електрони та дірки	особливості кристалічної структури н/пр плюс: -нагрівання -освітлення -домішки	.         І       Uзв                    Uпр	вся сучасна електроніка