Автор Тема: Електрически ток  (Прочетена 9173 пъти)

zbytsam

  • Заклет Роботостроител
  • *****
  • Публикации: 256
    • Профил
    • http://genadi.masoko.net
Електрически ток
« -: Февруари 14, 2009, 12:07:54 am »
Електрическият ток е физично явление, представляващо насочено движение на електрически заряди. Електрическите заряди могат да бъдат електрони - най-често в металите и полупроводниците; йони в електролитите, газовете; както и дупки в някои видове полупроводници. Електрическите заряди се наричат още токоносители.

Токоносителите в металите са електрони, намиращи се в зоната на проводимостта (енергегично състояние на електрона, намиращо се непоследствено над валентната зона при металите).

Токоносителите в електролитите са йони. Например молекулите на солите и киселините във воден разтвор се разлагат на положителни и/или отрицателни йони (дисоциация).

Токоносители в плазмата са както електрони, така и положителни и отрицателни йони.

Токоносителите в полупроводниците са електрони при т.нар. собствен полупроводник (без примеси). В полупроводниците в които е въведен примес от донорен или акцепторен тип, се дефинират основни и неосновни токоносители, като в полупроводник с донорен примес основните токоносители са електроните, а при акцепторен примес - дупките.

Физичната величина, характеризираща протичането на електрическия ток, се нарича сила на тока.
гр. София

zbytsam

  • Заклет Роботостроител
  • *****
  • Публикации: 256
    • Профил
    • http://genadi.masoko.net
Ток в метали
« Отговор #1 -: Февруари 14, 2009, 12:11:41 am »
Дрейфова скорост

Свободните електрони в металите извършват непрекъснато топлинно движение, подобно на молекулите на газовете. Поради хаотичния си характер обаче топлинното движение на електроните не води до протичане на ток. Те започват да се движат насочено само под действие на електрично поле. В действителност електроните извършват сложно зигзагообразно движение, при което непрекъснато се удря в йоните на метала и променят посоката си на движение. Независимо от ударите, под действие на електричните сили електроните бавно се придвижват в посока, противоположна на посоката на електричното поле. Средната скорост на насоченото движение на свободните електрони се нарича дрейфова скорост. Дрейфовата скорост обикновено е много малка: например в електрическата мрежа един електрон би преминал по проводник с дължина 1м за около час. Защо тогава лампата светва веднага след натискането на ключа? При затварянето на веригата електричното поле, което привежда в насочено движение свободните електрони, се разпространява в проводниците със скоростта на светлината (3.10m/s). По този начин „командата” да започнат да се движат (електричното поле) достига почти едновременно до всички електрони.

Свръхпроводимост

През 1911 г. холандския физик Хайке Камерлинг Онес изследва съпротивлението на чист живак при ниска температура. Получените резултати са напълно неочаквани:  под определена температура Тк , наречена критична, съпротивлението на живака със скок става равно на нула. Явлението е наречено свръх проводимост. По-късно свръх проводимост е установена в редица други чисти метали (Pb, Sn, Zn, Nb, In и др.) и в метални сплави. Още с откриването на свръх проводимостта Онес отбелязва възможността тя да се използва за създаване на мощни електромагнити: намотки от свръх проводник, по които се пропуска ток. Свръх проводящите намотки имат това преимущество, че по тях могат да текат много силни токове без да се отделя топлина (електричното им съпротивление е нула). Подобни магнити намират приложение в съвременните ускорители на заредени частици, където магнитните сили движат частиците по кръгови орбити. Друго съвременно приложение на свръх проводящите магнити е в медицинските магнитни томографии. С тях се наблюдават много малки детайли от различни органи на човешкото тяло, откриват се тумори и други изменения в тъканите. За разлика от рентгеновите апарати магнитните томографии не подлагат пациента на вредно за здравето му облъчване. Разработват се също проекти за свръх проводящи компютри с голямо бързодействие



Опит на Толмен

През 1916 г. американският физик Р. Толмен извършва серия от опити, които убедително доказват електронната природа на тока в металите. Идеята на тези опити се основава на свойството инертност. Например метален проводник се движи наляво. Заедно с проводника се движат и свободните заряди (токовите носители). Ако проводникът рязко спре, свободните заряди ще продължат да се движат по инерция наляво и през чувствителния амперметър ще протече ток. По посоката на тока може да се определи знакът на токовите носители: ако токът  I+  тече в посоката на движение на частиците по инерция, това означава, че техният заряд е положителен, а при отрицателен заряд посоката на тока  I-  е противоположна. Опитите показват, че във всички метални проводници електричният ток се пренася от частици с отрицателен заряд. Освен това Толмен определя отношението на заряда към масата на тези частици и установява, че това са електрони.
гр. София

zbytsam

  • Заклет Роботостроител
  • *****
  • Публикации: 256
    • Профил
    • http://genadi.masoko.net
Ток в полупроводници
« Отговор #2 -: Февруари 14, 2009, 12:15:42 am »
Строеж на полупроводници

Електричните свойства на полупроводниците се определят от техния строеж. С най-голямо приложение в полупроводниковата електроника е силицият (Si). В кристала всеки атом има четири симетрично разположени най-близки съседи . Химичната връзка между атомите е ковалентна, т.е. осъществява се чрез групиране на валентните електрони (четири за всеки атом Si) в електронни двойки . В идеален кристал Si при температура Т = 0 К всички електрони са свързани в електронни двойки, няма свободни заряди и той се проявява като диелектрик. За да се освободи, даден електрон трябва да получи определена енергия. Тя е необходима за разкъсване на ковалентната връзка, в която участва. Електронът може да получи такава енергия в резултат на взаимодействието между частиците при топлинното им движение (т.е. при Т > 0 К) или при осветяване на кристала.

Свободни електрони и дупки

Всяко освобождаване на електрон е свързано с възникване на едно вакантно място (незает, свободна връзка). Около вакантното място остава не компенсиран положителен заряд на ядрото. Този заряд може да привлече електрон от съседен атом и връзката да се запълни. Но така възниква ново вакантно място в съседния атом, в което може да премине електрон от друг атом и т.н. по такъв начин вакантното място извършва хаотично движение в кристала подобно на хаотичното топлинно движение на свободните електрони.

При прилагане на електрично поле свободните електрони, подобно на свободните електрони в металите, започват насочени движения – протича ток. Електричното поле действа и на електроните от ковалентните връзки и улеснява прескачането им във вакантните места в посока, противоположна на посоката на интензитета Е на полето. Поради това самите места се преместват по посока на интензитета Е. Вместо реалното движение на свързаните електрони обаче е по-удобно да се разглежда движението на вакантните места, тъй като техният брой е много по-малък. То е равносилно на движението на положителен заряд с големина, равна на големината на заряда на електрона, в посока на полето. Този фиктивен положителен заряд се нарича р-носител или дупка.

И така, в полупроводниците електропроводимостта се осъществява от два типа токови носители: свободни електрони наречени още n-носители (от negative – отрицателен), и от дупки или р-носител ( от positive – положителен). В електрично поле електроните и дупките се движат насочено в противоположни посоки, но създадените от тях токове ln  и lp имат една и съща посока – посоката на интензитета Е на полето. Затова пълния ток l през полупроводника е сума от токовете, обусловени от насоченото движение на електроните и дупките l = ln + lp.

В чистите полупроводници свободни електрони и дупки възникват само при разкъсване на връзките между техните атоми: на всеки свободен електрон съответства една дупка. Такива полупроводници се наричат полупроводници със собствена проводимост.

Донори

Нека в силициев кристал атом от V група, например атом на фосфора Р, замества атом на силиция Si. Фосфора има пет валентни електрона, четири от които образуват общи електронни двойки със съседните силициеви атоми. Петият електрон не участва в ковалентни връзки, тъй като те са запълнени. Той се оказва много слабо свързан с атома на фосфора. За преминаването му от свързано в свободно състояние  е необходима много по-малка енергия, отколкото за разкъсване на някоя от ковалентните връзки. Затова при стайна температура енергията на топлинно движение е достатъчно за голяма част от примесните атоми да загубят своите „излишни” електрони и да се превърнат в положително заредени йони Р+ . Примесни атоми, които отдават електрони, се наричат донори. Получените от донорите свободни електрони са много повече от електроните и дупките, получени при разкъсването на ковалентните връзки. Затова електричният ток се обуславя предимно от насоченото движение на свободните електрони. Полупроводници, в които проводимостта се определя от получените от донорите свободни електрони, се наричат полупроводници с електронна (n–тип) проводимост или за по-кратко полупроводници по n–тип.

Акцептори

Да разгледаме сега силициев кристал, в който атом на бора В (от ІІІ група) замества атом на силиция Si. Борът има три валентни електрона, поради което една от ковалентните връзки със съседните връзки остава свободна. За запълване на тази връзка там трябва да премине електрон от някой друг силициев атом. Енергията, необходима на електрона за преминаване от връзка Si = Si към връзка B = Si, е много по-малка от енергията за разкъсване на ковалентни връзки. Ето защо такива примесни атоми лесно приемат електрони, поради което се наричат акцептори. След приемането на електрон акцепторът се превръща в отрицателен йон, а свободната връзка се намира между два атома на Si, където се появява не компенсиран положителен заряд – свободен p–носител (дупка). Полупроводниците, в които проводимостта се определя от създадените от акцепторите дупки, се наричат полупроводници с  p–тип проводимост или за по-кратко полупроводници от p–тип.
гр. София

zbytsam

  • Заклет Роботостроител
  • *****
  • Публикации: 256
    • Профил
    • http://genadi.masoko.net
Електрически ток
« Отговор #3 -: Февруари 15, 2009, 12:34:10 am »
Още за полупроводниците тук:

http://robotics-bg.com/forum/viewtopic.php?t=220
гр. София