Elektros fizika

Laidininkai, izoliatoriai ir puslaidininkiai

Medžiagos klasifikuojamos kaip laidininkai, izoliatoriai ar puslaidininkiai pagal jų elektrinį laidumą. Klasifikacija gali būti suprantama atomine prasme. Atomuose esantys elektronai gali turėti tik tam tikras tiksliai apibrėžtas energijas, ir, atsižvelgiant į jų energijas, elektronai užima tam tikrus energijos lygius. Tipiškame atome, kuriame yra daug elektronų, užpildomi žemesnieji energijos lygiai, kiekviename elektronų skaičius leidžiamas pagal kvantinę mechaninę taisyklę, vadinamą Pauli išskyrimo principu. Priklausomai nuo elemento, didžiausias energijos lygis, kurį turi elektronai, gali būti arba negali būti visiškai užpildytas. Jei du kažkokio elemento atomai yra pakankamai arti, kad jie sąveikautų, dviejų atomų sistema turi du artimai išdėstytus lygius kiekvienam vieno atomo lygiui. Jei sąveikauja 10 atomų, 10-atomų sistema susideda iš 10 lygių, atitinkančių kiekvieną atskiro atomo lygį. Tvirtoje vietoje atomų skaičius, taigi ir lygių, skaičius yra nepaprastai didelis; dauguma aukštesniųjų energijos lygių nepertraukiamai sutampa, išskyrus tam tikras energijas, kuriose lygių nėra. Energijos regionai, kuriuose yra lygiai, vadinami energijos juostomis, o regionai, kuriuose nėra lygio, yra vadinami juostų spragomis.

Viktorina

Elektra: trumpasis jungimas ir tiesioginė srovė

Kas atrado elektrolizės dėsnį?

Aukščiausia elektronų užimta energijos juosta yra valentinė juosta. Laidininkuje valentingumo juosta yra iš dalies užpildyta, o kadangi yra daugybė tuščių lygių, elektronai gali laisvai judėti veikiami elektrinio lauko; taigi metale valentingumo juosta yra ir laidumo juosta. Izoliatoriuje elektronai visiškai užpildo valentinę juostą; o tarpas tarp jos ir kitos juostos, kuri yra laidumo juosta, yra didelis. Elektronai negali judėti veikdami elektrinio lauko, nebent jiems būtų suteikta pakankamai energijos, kad jie galėtų pereiti didelę energijos spragą iki laidumo juostos. Puslaidininkyje atstumas iki laidumo juostos yra mažesnis nei izoliatoriuje. Kambario temperatūroje valentinė juosta beveik visiškai užpildyta. Iš valentinės juostos trūksta kelių elektronų, nes jie įgijo pakankamai šiluminės energijos, kad keistų juostos tarpą iki laidumo juostos; dėl to jie gali judėti veikiami išorinio elektrinio lauko. Valentingumo juostoje likusios „skylės“ yra mobiliosios įkrovos nešančiosios, tačiau elgiasi kaip teigiamo krūvio nešėjos.

Daugelio medžiagų, įskaitant metalus, atsparumas įkrovos srautui paprastai didėja. Pavyzdžiui, padidėjus 5 ° C (9 ° F), vario varža padidėja 2 procentais. Priešingai, izoliatorių, ypač puslaidininkių, tokių kaip silicis ir germanis, varža greitai mažėja; padidėjusi šiluminė energija lemia, kad kai kurie elektronai praleidžia lygius laidumo juostoje, kur, veikiami išorinio elektrinio lauko, jie gali laisvai judėti. Energijos skirtumas tarp valentingumo lygių ir laidumo juostos daro didelę įtaką šių medžiagų laidumui, nes mažesnis tarpas lemia didesnį laidumą esant žemesnei temperatūrai.

2 lentelėje išvardytos elektrinės varžos vertės rodo nepaprastai didelius skirtingų medžiagų gebėjimo vykdyti elektros energiją skirtumus. Pagrindinė didelių skirtumų priežastis yra platus krovinių laikiklių prieinamumas ir mobilumas medžiagose. Pvz., Varinė viela, pavaizduota 12 paveiksle, turi daug ypač judrių nešiklių; kiekvienas vario atomas turi apytiksliai vieną laisvą elektroną, kuris dėl mažos masės yra labai judrus. Elektrolitas, toks kaip druskos vandens tirpalas, nėra toks geras laidininkas kaip varis. Natrio ir chloro jonai tirpale suteikia įkrovos nešiklius. Didelė kiekvieno natrio ir chloro jonų masė padidėja, nes aplink juos susikaupia kiti patrauklūs jonai. Dėl to natrio ir chloro jonai yra žymiai sunkiau judami nei laisvieji elektronai varyje. Grynas vanduo taip pat yra laidininkas, nors ir prastas, nes tik labai maža vandens molekulių dalis yra suskaidoma į jonus. Atmosferą sudarančios deguonies, azoto ir argono dujos yra šiek tiek laidžios, nes susidaro keli krūvio nešėjai, kai dujos jonizuojamos dėl radioaktyviųjų elementų Žemėje, taip pat iš nežemiškų kosminių spindulių (ty, didelio greičio atominių branduolių ir elektronai). Elektroforezė yra įdomi programa, pagrįsta dalelių, suspenduotų elektrolitiniame tirpale, judrumu. Skirtingos dalelės (pavyzdžiui, baltymai) juda tame pačiame elektriniame lauke skirtingu greičiu; greičio skirtumas gali būti naudojamas suspensijos turiniui atskirti.

Per laidą tekanti srovė ją kaitina. Šis pažįstamas reiškinys atsiranda elektrinės kaitros ritėse arba elektrinės lemputės karštame volframo siūle. Šis ominis šildymas yra saugiklių, naudojamų apsaugoti elektros grandines ir išvengti gaisrų, pagrindas; jei srovė viršija tam tikrą vertę, saugiklis, pagamintas iš lydinio, kurio lydymosi temperatūra yra maža, ištirpsta ir nutraukia srovės tekėjimą. Varža P, išsklaidyta pasipriešinimu R, per kurį teka srovė i, yra

kur P yra vatais (vienas vatas lygus vienam džauliui per sekundę), i yra amperais, o R yra omu. Pagal Ohmo dėsnį, potencialo skirtumas V tarp dviejų rezistoriaus galų yra nurodytas V = iR, taigi galia P gali būti išreikšta taip pat kaip

Tačiau kai kuriose medžiagose galios išsisklaidymas, pasireiškiantis šiluma, staiga išnyksta, jei laidininkas atšaldomas iki labai žemos temperatūros. Visų pasipriešinimų išnykimas yra reiškinys, žinomas kaip superlaidumas. Kaip minėta anksčiau, elektronai įgyja tam tikrą vidutinį dreifo greitį v, veikdami laido elektrinį lauką. Paprastai elektronai, veikiami jėgos dėl elektrinio lauko, įsibėgėja ir palaipsniui įgyja didesnį greitį. Tačiau jų greitis vieloje yra ribojamas, nes jie praranda dalį savo įgytos energijos vielai susidūrimuose su kitais elektronais ir susidūrimuose su vielos atomais. Prarasta energija perkeliama į kitus elektronus, kurie vėliau spinduliuoja, arba viela sužadinama mažomis mechaninėmis virpesiais, vadinamais fononais. Abu procesai šildo medžiagą. Terminas fononas pabrėžia šių virpesių ryšį su kita mechanine vibracija, būtent garsu. Superlaidininkeis sudėtingas kvantinis mechaninis poveikis apsaugo nuo mažų terpės energijos nuostolių. Poveikis susijęs su elektronų, taip pat tarp elektronų ir likusios medžiagos sąveika. Tai galima vizualizuoti atsižvelgiant į elektronų sujungimą poromis su priešingais momentais; suporuotų elektronų judesys yra toks, kad neelastingiems susidūrimams ar fononų sužadinimui terpė nesuteikia energijos. Galima įsivaizduoti, kad elektronas, kuris „susidurs“ su terpe ir praras energiją terpėje, gali baigtis, užuot susidūręs su savo partneriu, kad jie pasikeistų impulsu, nesuteikdami jokios terpės.

Elektros magnetų konstrukcijose plačiai naudojama superlaidi medžiaga yra niobio ir titano lydinys. Ši medžiaga turi būti atvėsinta keliais laipsniais virš absoliučios nulio temperatūros, –263,66 ° C (arba 9,5 K), kad būtų superlaidžios savybės. Dėl tokio aušinimo reikia naudoti suskystintą helį, kuris yra gana brangus. Dešimtojo dešimtmečio pabaigoje buvo atrastos medžiagos, pasižyminčios superlaidžiomis savybėmis kur kas aukštesnėje temperatūroje. Ši temperatūra yra aukštesnė nei skysto azoto –196 ° C, todėl vietoj skysto helio galima naudoti pastarąjį. Kadangi skysto azoto yra gausu ir pigu, tokios medžiagos gali būti labai naudingos įvairiausiems tikslams, pradedant nuo elektros energijos perdavimo ir baigiant greituoju skaičiavimu.

Elektromotorinė jėga

Automobilio 12 voltų akumuliatorius ilgą laiką gali tiekti srovę į tokią grandinę kaip automobilio radijas, per kurią potencialus akumuliatoriaus gnybtų skirtumas išlieka artimas 12 voltų. Baterija turi turėti priemones, leidžiančias nuolat papildyti teigiamų ir neigiamų perteklių, esančių atitinkamuose gnybtuose, kurie yra atsakingi už 12 voltų potencialo skirtumą tarp gnybtų. Įkrovimai turi būti gabenami iš vieno gnybto į kitą kryptimi, priešinga krūvio tarp gnybtų veikiančiai elektrinei jėgai. Bet koks prietaisas, atliekantis šį įkrovą, yra elektromobilio jėgos šaltinis. Pavyzdžiui, automobilio akumuliatorius naudoja chemines reakcijas generuodamas elektromobilio jėgą. Van de Graaff generatorius, parodytas 13 paveiksle, yra mechaninis įtaisas, sukuriantis elektromotorinę jėgą. 1930-aisiais išrastas amerikiečių fiziko Roberto J. Van de Graaffo, šis dalelių greitintuvas buvo plačiai naudojamas tiriant subatomines daleles. Kadangi jis yra konceptualiai paprastesnis nei cheminis elektrinės jėgos šaltinis, pirmiausia bus aptartas Van de Graaff generatorius.

Izoliacinis konvejerio diržas neša teigiamą krūvį iš „Van de Graaff“ mašinos pagrindo į didelio laidžiojo kupolo vidų. Krūvis pašalinamas iš diržo arti aštrių metalinių elektrodų, vadinamų įkrovos pašalinimo taškais. Tada įkrova greitai pereina į laidžiojo kupolo išorę. Teigiamai įkrautas kupolas sukuria elektrinį lauką, nukreiptą nuo kupolo ir atremiantį papildomus teigiamus krūvius, gabenamus ant diržo link kupolo. Taigi atliekamas darbas, kad konvejerio juosta nesisuktų. Jei leistina srovė tekėti iš kupolo į žemę ir jei vienoda srovė tiekiama pernešant įkrovą ant izoliacinio diržo, nustatoma pusiausvyra ir kupolo potencialas išlieka pastovią teigiamą vertę. Šiame pavyzdyje srovę iš kupolo į žemę sudaro teigiamų jonų srautas greitintuvo vamzdžio viduje, judantis elektrinio lauko kryptimi. Krūvio juosta juosta nukreipta priešinga jėgai, kurią kupolo veikiamas kupolo elektrinis laukas veikia. Šis krūvio judėjimas priešinga elektriniam laukui yra bruožas, būdingas visiems elektromotorinės jėgos šaltiniams.

Esant chemiškai generuotai elektromotorinei jėgai, cheminės reakcijos išskiria energiją. Jei šios reakcijos vyksta su chemikalais, esančiais arti vienas kito (pvz., Jei jie susimaišo), išsiskirianti energija šildo mišinį. Norint sukurti voltatinį elementą, šios reakcijos turi vykti atskirose vietose. Varinė viela ir cinko viela, įkišta į citriną, sudaro paprastą voltato elementą. Vario ir cinko laidų potencialų skirtumą galima lengvai išmatuoti ir jis yra 1,1 volto; varinė viela veikia kaip teigiamas gnybtas. Tokia „citrinos baterija“ yra gana skurdus voltatinis elementas, galintis tiekti tik nedidelį kiekį elektros energijos. Kita 1,1 volto baterija, pagaminta iš esmės tomis pačiomis medžiagomis, gali tiekti daug daugiau elektros energijos. Šiuo atveju vario viela dedama į vario sulfato tirpalą, o cinko viela - į cinko sulfato tirpalą; abu tirpalai yra sujungti elektra kalio chlorido druskos tiltu. (Druskos tiltas yra laidininkas, kurio jonai yra įkrovikliai.) Abiejų rūšių baterijose energija gaunama iš vario elektronų ir cinko elektronų surišimo laipsnio skirtumo. Energija gaunama, kai vario jonai iš vario sulfato tirpalo nusėda ant vario elektrodo kaip neutralūs vario jonai, taip pašalindami laisvus elektronus iš vario vielos. Tuo pačiu metu cinko atomai iš cinko vielos patenka į tirpalą kaip teigiamai įkrauti cinko jonai, paliekant cinko vielą su laisvųjų elektronų pertekliumi. Rezultatas yra teigiamai įkrauta vario viela ir neigiamai įkrauta cinko viela. Dvi reakcijos yra atskirtos fiziškai, o druskos tiltas užbaigia vidinę grandinę.

14 paveiksle pavaizduota 12 voltų švino-rūgšties baterija, naudojant standartinius simbolius, vaizduojančius baterijas grandinėje. Bateriją sudaro šeši voltiniai elementai, kurių kiekvieno elektromotorinė jėga yra apytiksliai dviejų voltų; ląstelės yra sujungtos nuosekliai, kad šešios atskiros įtampos padidėtų iki maždaug 12 voltų (14A paveikslas). Kaip parodyta 14B paveiksle, kiekvieną dviejų voltų elementą sudaro keletas teigiamų ir neigiamų elektrodų, sujungtų elektra lygiagrečiai. Lygiagreti jungtis sukuriama taip, kad būtų didelis elektrodų paviršiaus plotas, ant kurio gali vykti cheminės reakcijos. Didesnis elektrodų medžiagų cheminių virsmų greitis leidžia akumuliatoriui tiekti didesnę srovę.

Švino-rūgšties akumuliatoriuje kiekvieną voltato elementą sudaro neigiamas gryno, neskoningo švino (Pb) elektrodas ir teigiamas švino oksido (PbO ₂) elektrodas. Tiek švino ir švino oksidas yra sieros rūgšties (H tirpalo ₂ SO ₄) ir vandens (H ₂ O). Prie teigiamo elektrodo cheminė reakcija yra PbO ₂ + SO ^- / ₄ ^- + 4H ⁺ + 2e ^- → PbSO ₄ + 2H ₂ O + (1,68 V). Tuo neigiamo poliaus, reakcija yra Pb + SO ^- / ₄ ^- → PbSO ₄ + 2e ^- + (0,36 V). Ląstelės potencialas yra 1,68 + 0,36 = 2,04 voltai. Aukščiau pateiktose lygtyse 1,68 ir 0,36 voltai yra atitinkamai redukcijos ir oksidacijos potencialai; jie yra susiję su elektronų jungimu cheminėse medžiagose. Įkraunant akumuliatorių automobilio generatoriumi arba išoriniu energijos šaltiniu, abi cheminės reakcijos būna atvirkštinės.

Nuolatinės srovės grandinės

Paprasčiausią nuolatinės srovės (DC) grandinę sudaro rezistorius, sujungtas per elektromobilio jėgos šaltinį. Rezistoriaus simbolis parodytas 15 paveiksle; čia R reikšmė 60Ω nurodoma skaitine reikšme, greta simbolio. Parodytas elektromotorinės jėgos šaltinio simbolis E su susijusia įtampos verte. Įprastas terminalas su ilgąja linija suteikia didesnį (ty, daugiau teigiamą) potencialą nei terminalas su trumpąja linija. Manoma, kad tiesios linijos, jungiančios įvairius grandinės elementus, turi nedidelį pasipriešinimą, kad šių jungčių potencialas nepasikeistų. Grandinė rodo 12 voltų elektromobilio jėgą, prijungtą prie 60Ω varžos. Diagramoje esančios raidės a, b, c ir d yra atskaitos taškai.

Elektromotorinės jėgos šaltinio funkcija yra išlaikyti tašką a, esant 12 voltų potencialui, labiau nei taškas d. Taigi potencialo skirtumas V _a - V _d yra 12 voltų. Galimas pasipriešinimo skirtumas yra V _b - V _c. Remiantis Ohmo įstatymu, srovė i, tekanti per rezistorių, yra

Kadangi taškai a ir b yra sujungti nedidelio pasipriešinimo laidininku, jie turi tą patį potencialą. Dėl tos pačios priežasties c ir d yra tas pats potencialas. Todėl V _b - V _c = V _a - V _d = 12 voltų. Srovė grandinėje gaunama iš lygties (24). Taigi, i = 12/60 = 0,2 amperų. Rezistoriaus šiluma išsklaidyta galia lengvai apskaičiuojama naudojant (22) lygtį:

Iš kur gaunama energija, išsklaidoma kaip rezistoriaus šiluma? Jį teikia elektromobilio jėgos šaltinis (pvz., Švino-rūgšties akumuliatorius). Tokiame šaltinyje kiekvienam įkrovos dydžiui dQ, perkeltam iš žemiausio potencialo, esant d į didesnįjį potencialą, a, atliekama tokia darbo suma, kuri lygi dW = dQ (V _a - V _d). Jei šis darbas atliekamas per laiko tarpą dt, akumuliatoriaus tiekiama energija gaunama dalijant dW iš dt. Taigi akumuliatoriaus tiekiama galia (vatais) yra

Naudojant reikšmes i = 0,2 amperų ir V _a - V _d = 12 voltų, sukuriama dW / dt = 2,4 vatai. Kaip ir tikėtasi, akumuliatoriaus tiekiama galia yra lygi galiai, išsisklaidžiusiai kaip šiluma rezistoriuje.