Носители электрического заряда: Свободные носители электрического заряда в металлах, жидкостях и газах — Постоянный ток

Электрический ток, что это такое

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

Когда мы произносим словосочетание «электрический ток», то обычно имеем ввиду самые разные проявления электричества. Ток течет по проводам высоковольтных линий электропередач, ток вращает стартер и заряжает аккумулятор в нашем автомобиле, молния во время грозы — это тоже электрический ток.

Электролиз, электросварка, искры статического электричества на расческе, по спирали лампы накаливания течет ток, и даже в крохотном карманном фонарике через светодиод течет крохотный ток. Что и говорить о нашем сердце, которое также генерирует небольшой электрический ток, особенно это заметно во время прохождения процедуры ЭКГ.

В физике электрическим током принято называть упорядоченное движение заряженных частиц и в принципе любых носителей электрического заряда. Движущийся вокруг атомного ядра электрон — это тоже ток. И заряженная эбонитовая палочка, если держать ее в руке и двигать из стороны в сторону — также станет источником тока: не равный нулю заряд есть и он движется.

Физические аналогии между течением воды в системе водоснабжения и электрическим током: Электропроводка и трубопровод

Постоянный ток:

Ток течет по проводам бытовых электроприборов питающихся от розетки — электроны перемещаются туда-сюда 50 раз за секунду — это называется переменным током.

Высокочастотные сигналы внутри электронных приборов — это тоже электрический ток, поскольку электроны и дырки (носители положительного заряда) перемещаются внутри схемы.

Любой электрический ток порождает своим существованием магнитное поле. Вокруг проводника с током оно обязательно присутствует. Не существует магнитного поля без тока и тока без магнитного поля.

Даже если магнитного поля вокруг тока не наблюдается, это лишь значит что магнитные поля двух токов в момент наблюдения взаимно скомпенсированы, как в двужильном проводе любого электрического чайника — переменные токи в каждый момент направлены в противоположные стороны и текут параллельно друг другу — их магнитные поля друг друга нейтрализуют. Это называется принципом наложения (суперпозиции) магнитных полей.

Практически для существования электрического тока необходимо наличие электрического поля, потенциального или вихревого. Исключительно редко заряды перемещаются чисто механическим образом (как например в генераторе Ван Де Граафа — наэлектризованной резиновой лентой).

Генератор Ван Де Граафа:

В электрическом поле заряженная частица испытывает действие электрической силы, которая у источников тока называется ЭДС — электродвижущая сила. ЭДС измеряется в вольтах как и напряжение между двумя точками электрической цепи. Чем больше напряжение приложенное к потребителю — тем больший электрический ток это напряжение способно вызвать.

Переменное напряжение порождает в проводнике, к которому оно приложено, переменный ток, поскольку электрическое поле, приложенное к носителям заряда, будет в этом случае также переменным. Постоянное напряжение — условие существования в проводнике тока постоянного.

Высокочастотное напряжение (изменяющее свое направление сотни тысяч раз за секунду) также способствует переменному току в проводниках, но чем выше частота — тем меньше носителей заряда участвуют в создании тока в толще проводника, поскольку электрическое поле действующее на заряженные частицы вытесняется ближе к поверхности, и получается что ток течет не в проводнике, а по его поверхности. Это называется скин-эффект.

Электрический ток может существовать в вакууме, в проводниках, в электролитах, в полупроводниках и даже в диэлектриках (ток смещения). Правда в диэлектриках постоянного тока быть не может, поскольку в них заряды не имеют возможности к свободному перемещению, а способны лишь смещаться в пределах внутримолекулярного расстояния от своего первоначального положения под действием приложенного электрического поля.

Настоящий электрический ток всегда предполагает возможность свободного перемещения электрических зарядов под действием электрического поля.

Ранее ЭлектроВести писали, что две команды американских физиков разработали стратегию производства устройств для преобразования света в электричество с помощью органических полупроводников и «освобожденных» электронов.

По материалам: electrik.info.

19.1. Носители тока в газах

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

Глава 19. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

В школьном курсе физики есть раздел, посвященный электрическим свойствам проводников и диэлектриков и их поведению во внешнем электрическом поле. В необходимый минимум знаний по этому вопросу входит понимание явления электростатической индукции и его механизмов в проводниках и диэлектриках, а также умение находить в простейших ситуациях индуцированные в проводниках и диэлектриках заряды. Кратко рассмотрим эти вопросы.

В состав атомов входят заряженные частицы (электроны и протоны). Поэтому любое тело содержит огромное количество зарядов. Число протонов и число электронов в составе незаряженного тела одинаково, заряженное тело содержит разные количества протонов и электронов.

В зависимости от того, являются ли заряды внутри тела свободными или связанными, все вещества делятся на проводники, диэлектрики (или изоляторы) и полупроводники. В проводниках электрические заряды могут свободно перемещаться, и потому такие тела проводят электрический ток. К проводникам относятся все металлы, в которых носителями заряда являются «оторвавшиеся» от атомов валентные электроны (свободные электроны), а также растворы электролитов (кислот, щелочей и солей), в которых перемещаются положительные и отрицательные ионы.

В диэлектриках все заряды «привязаны» к покоящимся атомам и не могут перемещаться. Поэтому диэлектрики не проводят электрический ток. К диэлектрикам, например, относятся: газы, пластмассы, эбонит, резина, дистиллированная вода.

Вещества, занимающие по своей проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, называются полупроводниками. Типичными полупроводниками являются кристаллические германий и кремний. В полупроводниках свободные носители заряда есть, но их мало. Не следует, однако, думать, что полупроводники являются просто «плохими» проводниками или «плохими» изоляторами. Промежуточная проводимость полупроводников приводит ко многим необычным их свойствам, которые отличают полупроводники как от проводников, так и от диэлектриков. С этими свойствами связаны многие применения полупроводников в технике.

При помещении проводника в электрическое поле свободные носители заряда внутри проводника перемещаются и на его поверхности образуются области положительного и отрицательного заряда. Такое явление разделения зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией или поляризацией проводника. В результате поляризации электрическое поле в пространстве изменяется и становится равным сумме внешнего поля и поля индуцированных зарядов. Можно доказать, что перемещение зарядов в проводнике будет происходить до тех пор, пока суммарное поле внутри проводника не станет равным нулю, а на его поверхности — перпендикулярным поверхности.

Такое свойство проводника позволяет находить индуцированные на его поверхности заряды. Для этого нужно ввести эти заряды как некоторые неизвестные величины, затем найти поле, создаваемое этими зарядами и суммарное поле, равное векторной сумме внешнего поля и поля индуцированных зарядов, приравнять суммарное поле внутри проводника к нулю. Решение полученного уравнения и позволит найти индуцированные заряды.

В диэлектрике поляризация также происходит, однако механизмы этого явления — другие. Как правило, молекулы диэлектрика являются полярными, т.е. какая-то область молекулы заряжена положительно, какая-то — отрицательно. При помещении диэлектрика во внешнее поле молекулы поворачиваются, и на определенные участки поверхности диэлектрика «выходят» своими положительными областями, на другие — отрицательными. В результате на поверхности диэлектрика образуются области положительного и отрицательного заряда, но при разрезании диэлектрика (в отличие от разрезания проводника) получившиеся части будут незаряженными. Благодаря поляризации диэлектрика поле в нем ослабляется, но не становится равным нулю. Характеристика диэлектрика , которая показывает, во сколько раз ослабляется поле в нем, называется диэлектрической проницаемостью.

Рассмотрим в рамках данного фактического материала задачи первой части.

В задаче 19.1.1 из нижеперечисленного списка веществ проводником электрического тока является металл — свинец (ответ 3).

В задаче 19.1.2 диэлектриком является мел (ответ 1; алюминий и железо — металлы, т.е. проводники тока, в водопроводной воде растворены различные соли в таком количестве, что она является прекрасным проводником электрического тока).

Как отмечалось ранее, при внесении металлического тела в электрической поле (задача 19. 1.3) на поверхности тела индуцируются электрические заряды, сумма которых равна нулю. Все остальные предложенные ответы неверны: для приобретения электрического заряда телу нужно сообщить или забрать у него электроны, заряды не могут индуцироваться в объеме проводника — их невозможно там удержать.

Взаимодействие между зарядом и незаряженным диэлектрическим телом возникает (задача 19.1.4), причем это взаимодействие –— притяжение (ответ 2). Это взаимодействие возникает благодаря поляризации: из-за ориентации молекул диэлектрика часть поверхности тела, обращенная к заряду, приобретает заряд противоположного знака, дальняя от заряда часть поверхности тела — заряд того же знака (см. рисунок).

Поэтому возникнет две силы — притяжение близких участков и отталкивание дальних. Но поскольку индуцированные заряды — одинаковы по величине, а кулоновское взаимодействие убывает с ростом расстояния, притяжение сильнее отталкивания, и тело будет притягиваться к заряду.

После соединения проводником (задача 19.1.9) два металлических тела и соединяющий проводник будут представлять собой единое проводящее тело. Поэтому потенциалы любых точек этого тела должны быть одинаковы. Следовательно, выровняются потенциалы сфер (ответ 1).

В задачах с заземлением (задача 19.1.10) рассматривается следующая модель Земли: это проводящий шар с размерами, много большими размеров любых тел, имеющихся в задаче. Поэтому для потенциала Земли можно использовать формулу (18. 8), которая для любых зарядов, с которыми мы имеем дело, дает нулевой результат. Поэтому при заземлении тела его потенциал становится равным нулю (ответ 2).

Сила взаимодействия противоположных электрических зарядов при внесении между ними диэлектрической пластинки (задача 19.2.1) увеличится (ответ 2). Действительно, в поле зарядов на поверхности пластинки будут индуцироваться заряды: ближе к положительному — минусы, ближе к отрицательному — плюсы (см. рисунок). В результате на каждый точечный наряду с той же самой силой притяжения к другому заряду (а она, конечно, не меняется, ведь принцип суперпозиции говорит о том, что все заряды взаимодействуют независимо) будут действовать две дополнительные силы. Это будет сила притяжения к зарядам того же знака и отталкивания от зарядов противоположного. А поскольку заряды противоположного знака ближе, сила притяжения будет больше. Возникновение дополнительной силы, направленной к пластинке, будет восприниматься как увеличение силы притяжения.

Как отмечалось выше (задача 19.1.7) потенциал электрического поля во всех точках проводящего тела одинаков. Поэтому можно ввести понятие потенциала проводящего тела, который определяется как потенциал электрического поля в любой точке этого тела. Поэтому для потенциала металлического шара из задачи 19.2.2 имеем , где , — заряд шара, — его радиус. Потенциал поля шара на расстоянии двух радиусов от его поверхности и, следовательно, трех радиусов от центра шара равен , т.е. одной трети от потенциала шара. Отсюда находим В (ответ 2).

Потенциал каждой капли ртути (задача 19.2.3) равен , где , — заряд капли, — ее радиус. После слияния заряд большой капли равен , а радиус , где — число капель (последнее следует из того, что объем большой капли равен сумме объемов капель). Отсюда находим потенциал большой капли

(ответ 2).

Поскольку после соединения шары будут представлять собой единое металлическое тело (задача 19. 2.4), то заряд разделится между ними так, что потенциалы шаров будут одинаковы. Поэтому для зарядов шаров и выполнено условие

Отсюда находим (ответ 4).

Согласно принципу суперпозиции потенциал каждой точки складывается из потенциала, создаваемого в этой точке всеми зарядами. Поэтому потенциалы и внутренней и внешней сферы (задача 19.2.5) создаются зарядами внутренней и внешней сфер. А поскольку потенциал в любой точке внутри сферы определяется ее радиусом сферы (см. (18.8)), получаем

Аналогично находим потенциал внешней сферы

Отсюда находим

(ответ 3).

Чтобы найти разность потенциалов между двумя проводниками нужно мысленно перенести пробный заряд с одного из них на другой, найти работу, совершаемую электрическим полем при этом, разделить работу на величину пробного заряда. В задаче 19.2.6 между пластинками будет однородное поле с напряженностью . Поэтому работа поля над пробным зарядом при его перемещении с одной пластинки на другую есть . С другой стороны, работа поля следующим образом связана с разностью потенциалов . Отсюда находим разность потенциалов пластин

(ответ 3).

Поскольку напряженность поля между двумя параллельными пластинками, заряженными одинаковым зарядом равна нулю (см. задачу 18.2.8), то при перенесении пробного заряда с одной пластины на другую поле не совершает работу. Следовательно, разность потенциалов между такими пластинками в задаче 19.2.7 равна нулю (ответ 4).

В задаче 19.2.8 заряды распределятся только по внешней поверхности полого шара (если бы весь заряд или какая-то его часть находилась на внутренней поверхности, то в объеме проводника было бы электрическое поле, чего быть не должно). А поскольку заряд, расположенный на поверхности сферы, создает поле только снаружи этой сферы, то напряженность будет отлична от нуля только в области 3. Поэтому правильный ответ в задаче — 4.

В задаче 19.2.9 заряды индуцируются и на внешней и на внутренней поверхностях полого шара, причем их сумма равна нулю. Результирующее поле будет создаваться центральным зарядом и индуцированными зарядами, которые, фактически, представляют собой равномерно заряженные сферы. А поскольку поле сферы равно нулю внутри этой сферы, то суммарное поле в полости (в области 1) равно полю точечного заряда, т.е. не равно нулю. Внутри металлического тела (в области 2) поле равно нулю, как и внутри любого проводника. Снаружи шара поля индуцированных зарядов компенсируют друг друга, поэтому суммарное поле равно полю точечного заряда, т.е. не равно нулю. Поэтому правильный ответ в этой задаче — 2.

В задаче 19.2.10 на внешней и внутренней поверхности сферической оболочки будут индуцироваться такие заряды, что суммарное поле (внешнее плюс поле индуцированных зарядов) внутри оболочки будет равняться нулю. Пусть на внутренней поверхности будет индуцирован заряд — , тогда на внешней поверхности будет индуцирован заряд . Поле внутри оболочки (в области 2) будет создаваться только точечным зарядом и зарядами внутренней поверхности (заряд внешней поверхности благодаря ее сферичности в этой области электрического поля не создает). С другой стороны это поле равно нулю. Отсюда заключаем, что заряд внутренней поверхности оболочки противоположен по знаку центральному точечному заряду и равен ему по величине . Следовательно, заряд внешней поверхности оболочки центральному заряду (ответ 1).

Электрический ток в вакууме

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Явление испускания веществом электронов при нагревании
называется термоэлектронной эмиссией. При этом электроны, испускаемые
нагретым телом, называют термоэлектронами, а само тело — эмиттером.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рассмотрим некоторые свойства электронных пучков.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Полупроводники. Полупроводниковый диод

Видеоурок 1: Электрический ток в различных средах  

Видеоурок 2: Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый

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

Носители заряда в проводниках

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

Самыми распространенными проводниками считаются металлы, которые имеют электронную проводимость. 

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

Ток в металлах, ток в электролитах, диэлектрики

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

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

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

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

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

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

Электрический ток в газах

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

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

Полупроводники

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

Изменение сопротивления вследствие изменения температуры графически можно представить следующим образом:

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

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

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

Строение кремния

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

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

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

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

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

Примеси, P-n-переход

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

определение, особенности и интересные факты

1. Ионизация, ее сущность и виды.

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

Ударная ионизация.

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

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

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

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

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

Самостоятельный газовый разряд, его виды и характеристика.

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

Виды самостоятельного разряда:

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

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

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

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

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

В газах существуют несамостоятельные и самостояг тельные
электрические разряды.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 1 — Заряженный конденсатор подключенный к электрометру

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

Рисунок 2 — Внесение свечи в зазор между обкладками заряженного конденсатора

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

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

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

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

Рисунок3 — вольтамперная характеристика воздушного зазора

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Переписав это уравнение в виде после интегрирования получаем

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Для установления режима, когда из (8) получаем

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

Два предельных случая видны непосредственно.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 102. Схема установки для изучения газового разряда

Рис. 103. Экспериментальная вольт-амперная характеристика газового разряда

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Где в технике используются изолирующие свойства воздуха?

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

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

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

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

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

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

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

Опишите характерные признаки различных видов самостоятельного газового разряда.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Проектируем электрику вместе: Электрический ток в вакууме

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

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

Когда речь идет о вакууме, то многие почему-то считают, что это совсем пустое пространство. На самом же деле это не так, идет ли речь о замкнутой емкости, из которой откачан газ, или о межзвездном пространстве.
В технике и прикладной физике вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа и линейным размером вакуумной камеры. Если молекула пробегает от стенки к стенке камеры, не встречаясь с другими молекулами, то считают, что в сосуде создан вакуум, хотя в нем еще может быть очень много молекул. При глубоком вакууме молекула может много раз пролететь от стенки к стенке, прежде чем встретится с другой молекулой.
Откачать все молекулы из сосуда практически невозможно. Сверхвысоким вакуум считается при достижении давления ниже 10^– 9 мм рт.ст.

Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, а в дальнем космосе и вовсе может достигать 10^{– 16} мм рт.ст. Космический вакуум является наилучшим приближением к физическому вакууму, но и он не является совершенным, даже в межзвёздном пространстве есть как минимум несколько атомов водорода на кубический сантиметр. Кроме того, космическое пространство заполнено так называемым реликтовым излучением (состоящим из фотонов), а также большим количеством реликтовых нейтрино.
 
Носители электрических зарядов в вакууме

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

Поверхностный потенциальный барьер

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

Действительно, когда отдельные электроны покидают металл (на расстояния порядка атомных), в его поверхностном слое возникает избыточный положительный заряд за счет образования положительных ионов. Покинувшие металл электроны под  действием сил притяжения положительного заряда возвращаются обратно, в результате чего над поверхностью металла образуется «электронное облако» из выходящих и возвращающихся электронов, находящихся в динамическом равновесии.

Это «облако» вместе с наружным слоем положительных ионов металла образует двойной электрический слой, электрическое поле которого подобно полю плоского конденсатора. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям (10^{– 10} — 10^– 9 м). Он не создает электрического поля во внешнем пространстве, но образует поверхностный потенциальный барьер, препятствующий выходу электронов из металла.

Работа выхода

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

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

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

Термоэлектронная эмиссия

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

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

Вакуумный диод

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

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

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

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

О скорости движения электронов в вакууме

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

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

Применение термоэлектронной эмиссии

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

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

Charge Carrier — обзор

3.22.2.4 Электрические свойства

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

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

Таблица 2. Сводка листового сопротивления и оптического пропускания графеновых пленок

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

МЛГ, многослойный графит; РТР, катайся к рулону.

Для сравнения, рост графена методом CVD на фольге Ni или Cu демонстрирует значительно более высокую электропроводность (Bae, Kim, Lee, et al., 2010; Kim, Zhao, Jang, et al., 2009; Li, Zhu, Cai, et al., др., 2009; Лин, Пенчев, Ван и др. , 2010; Рейна, Цзя, Хо и др., 2009; Wang, Tong, Xu, et al., В печати), чем пленки на основе оксида графена. Cai et al. показали, что пластовое сопротивление и коэффициент пропускания графена, выращенного методом CVD, соответствуют соотношению, предсказанному законом Бера-Ламберта. Графеновая пленка с листовым сопротивлением 200 Ом sq ^-1 имеет коэффициент пропускания 85% на длине волны 550 нм (Cai, Zhu, Li, et al., 2009). Сопротивление слоя графена определяется выражением Rs = (σ2DN) -1, где σ2D — это проводимость 2D-слоя, а N — количество слоев.Внутреннее сопротивление однослойного графена составляет ∼6 кОм, что ниже, чем у ITO (10-20 Ом на кв. ⁻¹ ). В принципе, увеличение толщины (увеличение N ) графена с использованием послойной укладки (LBL) и легирования графена (увеличение σ2D за счет увеличения концентрации носителей) может позволить снизить значения внешнего сопротивления листа до минимума 20 Ом sq ⁻¹ , хотя в настоящее время достичь этого предела нетривиально.

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

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

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

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

Носители заряда в полупроводниках

предыдущийследующий

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

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

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

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

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

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

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

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

Эпизод 103: Токи и носители заряда

Заряд

Электричество и магнетизм

Эпизод 103: Токи и носители заряда

Урок

за
16-19

• Время активности
  50 минут

• Уровень
  Передовой

Этот эпизод преследует две основные цели: представить ряд примеров с использованием различных типов носителей заряда, а также измерить токи и связать измеренный ток со скоростью потока заряда.

Краткое содержание урока

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

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

Демонстрация: идентификация носителей заряда

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

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

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

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

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

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

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

Демонстрация: электронный луч

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

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

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

Демонстрация: студенты проводят электричество

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

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

Носителей заряда.Полупроводник против проводника против изолятора

Энергетическая зонная структура

Полупроводники
кристаллические материалы, внешняя оболочка которых атомная
уровни демонстрируют структуру энергетической зоны, состоящую из валентной зоны,
«запрещенная» энергетическая щель и проводимость
группа.

Энергия
полосы на самом деле являются областями множества дискретных уровней, которые так близко
разнесены, чтобы их можно было рассматривать как континуум, в то время как «запрещенные»
энергетическая щель — это область, в которой вообще нет доступных уровней энергии.Поскольку принцип Паули запрещает более одного электрона в
то же состояние, вырождение уровней энергии внешней оболочки атома
разрывается, образуя множество дискретных уровней, лишь слегка отделенных друг от друга.
Поскольку два электрона противоположного спина могут находиться на одном уровне, существуют
столько же уровней, сколько пар электронов в кристалле. Этот
Однако нарушение вырождения не влияет на внутренние атомные уровни, которые связаны более жестко.

Самая высокая энергетическая полоса — проводимость.
группа.Электроны в этой области отрываются от своих родительских атомов и становятся
свободно бродить по всему кристаллу. В
электроны на уровнях валентной зоны,
однако, более тесно связаны и остаются
связано с
соответствующие атомы решетки.

Ширина зазора и полос составляет
определяется шагом решетки между атомами. Эти параметры
таким образом зависит от температуры и давления.В проводниках энергия
разрыв отсутствует, а в изоляторах
разрыв большой.

При нормальных температурах все электроны в изоляторе обычно все
валентная зона, тепловая энергия недостаточна для возбуждения электронов через
этот пробел. Следовательно, при приложении внешнего электрического поля возникает
отсутствие движения электронов через кристалл и, следовательно, отсутствие тока. Для
проводник, с другой стороны, отсутствие зазора позволяет очень легко
термически возбужденные электроны, чтобы прыгнуть в зону проводимости, где они
могут свободно перемещаться по кристаллу.Тогда будет течь ток, когда электрический
поле применяется.

В полупроводнике ширина запрещенной зоны является промежуточной по размеру.
так что только несколько электронов возбуждаются в зону проводимости за счет
тепловая энергия. Поэтому при приложении электрического поля небольшая
ток наблюдается. Однако если полупроводник охлаждается, почти все
электроны попадут в валентную зону, а проводимость
полупроводник уменьшится.

Носители заряда в полупроводниках

При 0 К, в состоянии с наименьшей энергией полупроводника, электроны в
валентные зоны все участвуют в ковалентной связи между атомами решетки.

Однако при нормальных температурах действие термического
энергия может возбудить валентный электрон в зону проводимости, покидая
отверстие в исходном положении. В таком состоянии легко соседнему
валентный электрон прыгнет со своей связи, чтобы заполнить дыру. Теперь остается
дырка в соседнем положении. Если теперь следующий соседний электрон
повторяет последовательность и так далее, отверстие кажется движущимся через
кристалл. Поскольку дыра положительна относительно моря отрицательных
электронов в валентной зоне дырка действует как носитель положительного заряда
и его движение через кристалл также представляет собой электрический ток.

Таким образом, в полупроводнике электрический ток возникает из двух источников:
движение свободных электронов в зоне проводимости и движение
дыры в валентной зоне. Это контрастирует с металлом, где
ток переносится только электронами.

Энергия, необходимая для создания
заряд несет
полупроводники

энергия Вт требуется
создать пару e-h в полупроводнике с помощью
частица заряженной массы, пересекающая
среда зависит от ширины запрещенной зоны E _г
материал и, следовательно, хотя только
слегка, от температуры.

измерения этой величины показывают почти
линейная зависимость от ширины запрещенной зоны,
и линейное приближение к данным, полученным для
разные материалы дает [ 1 ]

Энергия для заряда
генерация носителей всегда выше, чем
запрещенная зона из-за возможного
дополнительное возбуждение фонона и плазмона
состояния.Фононное возбуждение передает энергию
решетке, а переданная энергия
в конечном итоге появляется в детекторе как тепло.

Плазмон — это
квант плотности валентных электронов
колебания со средней энергией 17 эВ для
кремний. Валентные электроны принадлежат
М-оболочку и они связаны лишь слабо
к атомам. Таким образом, их можно считать
как плотная и почти однородная плотность
газ, т.е. плазма отрицательных носителей заряда
в объеме полупроводникового материала.

Средняя энергия
W для создания пары e-h
был рассчитан и измерен в
эксперименты, в том числе заряженные высокой энергией
частицы и рентгеновские фотоны [1,2].
Средняя необходимая энергия Вт
для создания пары e-h в кремнии W ≈
3.68 эВ.

Список литературы

1. р.К. Алиг, С. Блум, К. В. Страк,
   Рассеяние ионизацией на фононе.
   Эмиссия в полупроводниках, Phys. Ред.
   B, том 22, номер 12, (1980), стр. 5565-5582.
2. Г. В. Фрейзер и др., Рентген
   Энергетический отклик кремния, Nucl. Instr.
   and Meth., A 350, (1994), стр. 368-378.

Основные и неосновные носители заряда

Что такое носитель заряда?

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

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

отрицательный
носители заряда

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

Положительных
носители заряда

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

Большинство
определение неосновных носителей заряда

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

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

Заряд
носители в собственном полупроводнике

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

Всего отрицательных носителей заряда =
Всего носителей положительного заряда

Большинство
и неосновные носители заряда в полупроводнике n-типа

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

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

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

Всего
отрицательные носители заряда
> Всего носителей положительного заряда

Большинство
и неосновных носителей заряда в p-типе
полупроводник

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

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

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

Всего
отрицательные носители заряда
<Всего носителей положительного заряда

Носители заряда — определения в электронике

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

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

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

Неметаллические носители заряда для водных аккумуляторов

1.

Ji, X. Парадигма аккумуляторных батарей. Energy Environ. Sci. 12 , 3203–3224 (2019).

CAS
Статья

Google Scholar

5.

Динг, Дж., Ху, У., Пэк, Э. и Митлин, Д. Обзор гибридных ионных конденсаторов: от водной до литиевой и натриевой. Chem. Ред. 118 , 6457–6498 (2018).

CAS
Статья

Google Scholar

12.

Су, Д., МакДонах, А., Цяо, С. З. и Ван, Г. Водные калий-ионные аккумуляторы большой емкости для крупномасштабного хранения энергии. Adv. Матер. 29 , 1604007 (2017).

Артикул
CAS

Google Scholar

36.

Ueno, K. et al. Сольватация Li ⁺ и ионный транспорт в сольватных ионных жидкостях лития, разбавленных молекулярными растворителями. J. Phys. Chem. С. 120 , 15792–15802 (2016).

CAS
Статья

Google Scholar

43.

Wessells, C. D., Peddada, S. V., McDowell, M. T., Huggins, R. A. & Cui, Y. Влияние вставляемых частиц на наноструктурированные открытые каркасные гексацианоферратные аккумуляторные электроды. J. Electrochem. Soc. 159 , A98 – A103 (2011).

Артикул
CAS

Google Scholar

46.

Ji, X. et al. Водоактивируемый VOPO ₄ для ионно-магниевых аккумуляторов. Nano Lett. 18 , 6441–6448 (2018).

CAS
Статья

Google Scholar

50.

Liang, G. et al. Начало производства мягких Ag – Zn-аккумуляторов с длительной стабильностью и сверхплоской платформой напряжения. Energy Storage Mater. 25 , 86–92 (2020).

Артикул

Google Scholar

63.

Меффорд, Дж. Т., Хардин, У. Г., Дай, С., Джонстон, К. П. и Стивенсон, К. Дж. Накопление анионного заряда за счет интеркаляции кислорода в LaMnO. ₃ Перовскитные электроды псевдоконденсатора. Нат. Матер. 13 , 726–732 (2014). Эта статья вводит O _v на атомном уровне в перовскитные электроды для улучшения электрохимических характеристик за счет интеркаляции кислорода .

CAS
Статья

Google Scholar

66.

Zhang, W. et al. Кинетические пути ионного транспорта в быстро заряжающемся титанате лития. Наука 367 , 1030–1034 (2020).

CAS
Статья

Google Scholar

73.

Dong, X. et al. Полностью органический перезаряжаемый аккумулятор с обратимостью, поддерживаемый водно-солевым электролитом. Chem. A Eur. J. 23 , 2560–2565 (2017).

CAS
Статья

Google Scholar

80.

Джин Ю.и другие. Совместный накопитель заряда для высокопроизводительных водных цинк-диоксидных аккумуляторов. Adv. Матер. 31 , 1

7 (2019).

Артикул
CAS

Google Scholar

87.

Лян Ю. и Яо Ю. Размещение органических электродных материалов в аккумуляторной батарее. Джоуль 2 , 1690–1706 (2018).

CAS
Статья

Google Scholar

94.

Лукацкая М.Р. и др. Псевдемкостный накопитель энергии сверхвысокой скорости в двумерных карбидах переходных металлов. Нат. Энергетика 2 , 17105 (2017).

CAS
Статья

Google Scholar

101.

Казази, М., Зафар, З.А., Делшад, М., Cervenka, J. & Chen, C. Нанокомпозит TiO ₂ / CNT в качестве улучшенного анодного материала для водных аккумуляторных алюминиевых батарей. Твердотельный ион. 320 , 64–69 (2018).

CAS
Статья

Google Scholar

108.

Zhang, L. et al. ZnCl ₂ «водно-солевой» электролит изменяет характеристики оксида ванадия в качестве катода цинковой батареи. Adv. Функц. Матер. 29 , 1

3 (2019).

Артикул
CAS

Google Scholar

115.

Li, C. et al. Получение высокоэффективного катода-аналога берлинской синей со сверхстабильной окислительно-восстановительной реакцией для хранения ионов аммония. Nanoscale Horiz. 4 , 991–998 (2019).

CAS
Статья

Google Scholar

136.

Guiader, O. & Bernard, P. Понимание необратимых фазовых превращений Ni (OH) ₂ / NiOOH: Ni ₂ O ₃ H воздействие на щелочные батареи. J. Electrochem. Soc. 165 , A396 – A406 (2018).

CAS
Статья

Google Scholar

143.

Binder, L. Усовершенствования перезаряжаемого щелочного элемента MnO ₂ –Zn. J. Electrochem. Soc. 143 , 13 (1996).

CAS
Статья

Google Scholar

2 (2020).

CAS
Статья

Google Scholar

.