Проводимость различных сред таблица: электрический ток в различных средах

Содержание

электрический ток в различных средах

 на главную   

Официальный сайт АНО ДО Центра «Логос», г.Глазов

http://logos-glz.ucoz.net/

 

 

ГОТОВИМСЯ К УРОКУ

Кинематика

Динамика

МКТ

Термодинамика 

Электростатика

Электрический ток

Электрический ток в средах

Магнитное поле Электромагнитная индукция

Оптика

Методы познания

Электрический ток в различных средах                                                      немного о физике:   

Электрическим током называют всякое  упорядоченное движение электрических зарядов.

Электрический ток может проходить через различные вещества при определенных условиях. Одним из условий возникновения электрического тока является наличие свободных зарядов, способных двигаться под действием электрического поля.

Поэтому в этом разделе мы попытаемся  установить, какие частицы, переносят  электрический заряд в различных средах.

 

Электрический ток в металлах.

Металлы состоят из положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки и совокупности свободных электронов. Вне электрического поля свободные электроны движутся хаотически, подобно молекулам идеального газа, а потому рассматриваются в классической электронной теории как

электронный газ.

Под действием внешнего электрического поля меняется характер движения свободных электронов внутри металла. Электроны, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля.

Следовательно, электрический ток в металлах — это упорядоченное движение электронов.

 

Сила тока в металлическом проводнике определяется по формуле:

где I — сила тока в проводнике, e — модуль заряда электрона,  n

0 — концентрация электронов проводимости,  — средняя скорость упорядоченного движения электронов,  S — площадь поперечного сечения проводника.

 

Плотность тока проводимости численно равна заряду, проходящему за 1с через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению тока.

где j — плотность тока.

У большинства металлов практически каждый атом ионизирован. А так как концентрация электронов проводимости  одновалентного металла равна

где Na — постоянная Авогадро,  A —

атомная масса металла, ρ — плотность металла,

то получаем что концентрация определяется в пределах 1028 — 1029 м-3.

 

Закон Ома для однородного участка цепи:

где U — напряжение на участке,  R — сопротивление участка.

 

Для однородного участка цепи:

где  ρУ— удельное сопротивление проводника, l — длина проводника,  S — площадь поперечного сечения проводника.

Удельное сопротивление проводника зависит от температуры и  эта зависимость выражается соотношением:

ρу = ρоу ( 1 + α ∆Т )

где ρоу  — удельное сопротивление металлического проводника при температуре Т =273К, α — термический коэффициент сопротивления, ∆Т = Т — То  — изменение температуры.

 

 

 

Вольт-амперная характеристика металлов.

Сила тока в  проводниках по закону Ома прямо пропорциональна напряжению. Такая зависимость имеет место для проводников со строго заданным сопротивлением ( для резисторов).

Тангенс угла наклона графика равен проводимости проводника.

Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению

где  G — проводимость.

 

Но так как сопротивление металлов зависит от температуры, то вольт-амперная характеристика металлов не является линейной.

 

 

 

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов.

Явление распада молекул солей, щелочей и кислот в воде на ионы противоположных знаков называют электролитической диссоциацией. Полученные в следствие распада ионы служат носителями заряда в жидкости, а сама жидкость становятся проводником.

 

Вне электрического поля ионы движутся хаотически. Под действием внешнего электрического поля ионы, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля: катионы к катоду, анионы — к аноду.

Следовательно, электрический ток в растворах (расплавах) электролитов — это направленное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

Прохождение электрического тока через раствор электролита всегда сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в его состав. Это явление называют электролизом.

При движении внутри электролитов ионы взаимодействуют с молекулами воды и другими ионами, т.е. электролиты оказывают некоторое противодействие движению, а, следовательно, обладают сопротивлением. Электрическое сопротивление электролитов зависит от концентрации ионов, величины заряда иона, от скорости движения ионов обоих знаков.

Сопротивление электролитов так же определяется по формуле:

где  ρУ— удельное сопротивление электролита, l — длина жидкого проводника,  S — площадь поперечного сечения жидкого проводника.

При увеличении температуры электролита уменьшается его вязкость, что ведет к увеличению скорости движения ионов. Т.е. при повышении температуры сопротивление электролита уменьшается.

 

Законы Фарадея.

1. Масса вещества, выделяемого на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит.

где m — масса вещества, выделяющегося на электроде,  k — электрохимический эквивалент, q — заряд, прошедший через электролит.

 

2. Электрохимический эквивалент вещества прямо пропорционален его химическому эквиваленту.

          

где М— молярная масса вещества, F- постоянная Фарадея, z — валентность иона.

постоянная Фарадея численно равна заряду, который должен пройти через электролит, чтобы выделить из него массу вещества, численно равную химическому эквиваленту.

 

Объединенный закон Фарадея.

 

                    

 

 

 

Электрический ток в газах.

При нормальных условиях   газы  состоят  из  нейтральных молекул, а поэтому являются диэлектриками. Так как для  получения электрического тока необходимо наличие заряженных частиц, то молекулы газа следует ионизировать (оторвать электроны от молекул). Для ионизации молекул необходимо затратить энергию —

энергию ионизации, количество которой зависит от рода вещества. Так, энергия ионизации минимальна для атомов щелочных металлов, максимальна — для инертных газов.

Ионизировать молекулы можно при нагревании газа, при облучении его различного рода лучами. Благодаря дополнительной  энергии  возрастает скорость  движения  молекул, нарастает интенсивность их теплового движения  и  при соударении отдельные молекулы теряют электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы.

Электроны, оторвавшись от молекулы могут присоединятся к нейтральным молекулам, образуя при этом отрицательно заряженные ионы.

Следовательно, при ионизации появляются три типа носителей зарядов: положительные ионы, отрицательные ионы и электроны.

Под действием внешнего электрического поля ионы обоих знаков и электроны движутся  в направлении действия сил электрического поля: положительные ионы  к катоду, отрицательные ионы и электроны — к аноду. Т.е. электрический ток в газах — это упорядоченное движение ионов и электронов под действием электрического поля.

Вольт- амперная характеристика газов.

Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой ОАВС.

На  участке графика  ОА сила тока подчиняется закону Ома. При малом напряжении сила тока мала, т.к.  ионы двигаясь с малыми скоростями рекомбинируют, не достигая электродов. При увеличении напряжения  между электродами скорость направленного движения электронов  и ионов возрастает, поэтому  большая часть заряженных частиц достигает  электродов, а, следовательно возрастает сила тока.

При определенном значении напряжения U1 все ионы имеют достаточные скорости и, не рекомбинируя, достигают электродов. Ток становится максимально возможным и не зависит от дальнейшего увеличения напряжения до значения U2. Такой ток называют током насыщения, и ему соответствует участок графика АВ.

При напряжении U2 в несколько тысяч вольт скорость электронов, возникающих при ионизации молекул, а следовательно, их кинетическая энергия значительно увеличиваются. И когда  кинетическая энергия  достигает значения энергии ионизации, электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами, ионизируют их. Дополнительная ионизация  приводит к лавинообразному увеличению количества заряженных частиц, а следовательно и к значительному увеличению силы тока без воздействия внешнего ионизатора. Прохождение электрического тока без воздействия внешнего ионизатора называют самостоятельным разрядом. Такая зависимость выражена участком графика АС.

 

 

 

Электрический ток в вакууме.

В вакууме отсутствуют заряженные частиц, а следовательно, он является диэлектриком. Т.е.  необходимо создать определенные  условия, которые помогут  получить заряженные частицы.

Свободные электроны есть в металлах. При комнатной температуре  они не могут покинуть металл, т. к. удерживаются в нем силами кулоновского притяжения со стороны положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону необходимо затратить определенную энергию, которая называется работой выхода. Энергию, большую или  равную работе выхода, электроны могут получить при разогреве металла до высоких температур.

 

При нагревании металла  количество электронов с кинетической энергией, большей работы выхода, увеличивается, поэтому из металла вылетает большее количество электронов. Испускание электронов из металлов  при его нагревании называют термоэлектронной эмиссией. Для осуществления термоэлектронной эмиссии в качестве оного из электродов используют тонкую проволочную нить из тугоплавкого металла (нить накала). Подключенная  к источнику тока нить раскаляется и с ее поверхности  вылетают электроны. Вылетевшие электроны попадают в электрическое поле между двумя электродами и начинают двигаться направленно, создавая электрический ток.

Явление термоэлектронной эмиссии лежит  в основе принципа действия электронных ламп:  вакуумного диода, вакуумного триода.

 

                  Вакуумный диод                                            Вакуумный триод

 

                                   

                 

Вольт-амперная характеристика вакуумного диода.

Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой ОАВСD.

При испускании электронов катод приобретает положительный заряд и поэтому удерживает возле себя электроны.  При отсутствии электрического поля между катодом и анодом, вылетевшие электроны образуют у  катода электронное облако.

По мере увеличения напряжения между анодом и катодом большее количество электронов устремляется к аноду, а следовательно сила тока увеличивается. Эта зависимость выражена участком графика ОАВ. Участок АВ является характеризует прямую зависимость  силы тока от напряжения, т.е. в  интервале напряжений U1 — U2 выполняется закон Ома.

 

 

Нелинейная зависимость на участке ВСD объясняется тем, что число электронов, устремляющихся к аноду, стает больше числа электронов, вылетающих с катода.

При достаточно большом  значении напряжения U3все электроны, вылетающие с катода, достигают анода, и электрический  ток достигает насыщения.

 

Так же в качестве источника заряженных частиц можно использовать радиоактивный препарат, испускающий α-частицы. Под действием сил электрического поля α-частицы будут двигаться, т.е. возникнет электрический ток.

Таким образом, электрический ток в вакууме может быть создан упорядоченным  движением любых заряженных частиц (электронов, ионов).

 

 

 

Электрический ток в полупроводниках.

 

Полупроводники — вещества, удельное сопротивление которых убывает с увеличением температуры и зависит от наличия примесей и  изменения освещенности. Удельное сопротивление проводников при комнатной температуре находится в интервале от 10-3 до 107 Ом ·м.  Типичными представителями полупроводников являются кристаллы германия и кремния.

В этих кристаллах атомы соединены между собой ковалентной связью. При нагревании ковалентная связь нарушается, атомы ионизируются. Это обуславливает  возникновение свободных электронов и «дырок»- вакантных положительных мест с недостающим электроном.

 

 

При этом электроны соседних атомов могут занимать вакантные места, образуя «дырку»  в соседнем атоме. Таким образом не только  электроны, но и «дырки» могут перемещаться по кристаллу. При помещении такого кристалла в электрическое поле электроны и дырки придут в упорядоченное движение — возникнет электрический ток.

 

Собственная проводимость.

В чистом кристалле электрический  ток создается равным количеством электронов и «дырок». Проводимость, обусловленную движением свободных электронов и равного им количества «дырок» в полупроводниковом кристалле  без примесей, называют собственной проводимостью полупроводника.

При повышении  температуры собственная проводимость полупроводника увеличивается, т.к. увеличивается число свободных электронов и «дырок».

 

 

Примесная  проводимость.

Проводимость проводников зависит от наличия примесей. Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорная примесь — примесь с большей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния донорной примесью является пятивалентный мышьяк. Четыре валентных электрона атома мышьяка участвуют в создании ковалентной связи, а пятый  станет электроном проводимости.

 

 

При нагревании  нарушается ковалентная связь,  возникают  дополнительные   электроны проводимости  и «дырки». Поэтому в кристалле количество свободных электронов преобладает над количеством «дырок». Проводимость такого проводника является электронной, полупроводник является полупроводником n-типа.  Электроны являются основными носителями заряда, «дырки» — неосновными.

 

Акцепторная  примесь — примесь с меньшей валентностью. Например, для четырехвалентного кремния акцепторной примесью является трехвалентный индий. Три валентных электрона атома индия участвуют в создании ковалентной связи с тремя атомами кремния, а на месте четвертой  незавершенной ковалентной связи образуется «дырка». 

 

 

При нагревании  нарушается ковалентная связь,  возникают  дополнительные   электроны проводимости  и «дырки». Поэтому в кристалле количество «дырок» преобладает над количеством свободных электронов. Проводимость такого проводника является дырочной, полупроводник является полупроводником p-типа.  «Дырки» являются основными носителями заряда, электроны — неосновными.

 

p-n переход.

 При контакте полупроводников p-типа и  n-типа через границу происходит диффузия электронов из n-области в p-область и «дырок» из p-области в n-область. Это приводит к возникновению запирающего слоя, препятствующего дальнейшей диффузии.  p-n переход обладает односторонней проводимостью.

При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p-область была соединена с положительным полюсом , а  n-область — с отрицательным полюсом, появляется  движение основных носителей зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в прямом направлении.

 

При подключении p-n перехода к источнику тока так, чтобы p-область была соединена с отрицательным  полюсом , а  n-область — с положительным полюсом, толщина запирающего слоя увеличивается, и движение основных носителей зарядов через контактный слой прекращается, но может иметь место движение неосновных зарядов через контактный слой. Этот способ подключения называют включением в обратном направлении.

 

 

Принцип действия полупроводникового диода  основан на свойстве односторонней проводимости  p-n перехода. Основное применение полупроводникового диода — выпрямитель тока.

 

 

 

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Зависимость силы тока от напряжения выражена  кривой АОВ.

 

Ветвь ОВ соответствует пропускному направлению тока, когда ток создается основными носителями зарядов, и  при увеличении напряжения сила тока возрастает. Ветвь АО соответствует току, созданному неосновными носителями зарядов, и значения силы тока невелики.

Электрический ток в различных средах: таблица

Одним из основных свойств электрического тока, является его способность к проводимости в разных условиях. Степень проводимости для каждого случая отличается между собой. Поэтому, когда изучается электрический ток в различных средах, таблица помогает наглядно представить, какими качествами он обладает в том или ином случае. Все вещества, в соответствии с их электрической проводимостью, разделяются на несколько основных категорий.

При прохождении электрического тока в металлах, существенных изменений не наблюдается, за исключением обязательного нагрева. Металлы отличаются высокой концентрацией электронов, влияющих на уровень проводимости. Происходит их постоянное движение с высокой скоростью.

В узлах кристаллических решеток металлов располагаются положительные ионы, производящие тепловые колебания. В промежутках между ними происходит движение свободных электронов, которым придается ускорение с помощью электрического поля.

Движение электрического тока в полупроводниках

Полупроводники обладают собственными свойствами, влияющими на проводимость. Основой их проводимости является р-п переход. Повышение температуры вызывает увеличение удельного сопротивления вещества. При этом, возрастает количество свободных электронов, на месте которых остаются виртуальные заряды, называемые дырками.

Поэтому, основной особенностью электрического тока в полупроводниках, является движение не только свободных электронов, но и дырок. При росте температуры, проводимость увеличивается из-за резкого снижения сопротивления.

Жидкость и газ – эффективные проводники

Всем известно, что дистиллированная вода не является проводником. Однако, если опустить в нее хотя-бы один кристалл обычной соли, произойдет замыкание цепи. Это вызвано появлением в воде свободных носителей зарядов. Происходит явление электролитической диссоциации, когда молекулы распадаются на ионы под воздействием растворителя. Такие жидкие проводники, где содержатся подвижные носители зарядов, называются электролитами.

Газы в обычном состоянии, как и дистиллированная вода, также являются диэлектриками, поскольку содержат нейтральные молекулы и атомы. Все эти частицы не имеют зарядов и придают газам высокие изолирующие свойства. Для того, чтобы газ стал проводником, в нем необходимо присутствие заряженных частиц в виде свободных носителей зарядов.

Как правило, проводниками являются ионизированные газы с положительными и отрицательными ионами. Проводимость в газах может быть создана самостоятельно, или путем искусственного внесения в них заряженных частиц.

Методика изучения, контроля и систематизации знаний при изучении темы «Электрический ток в разных средах»

При изучении темы  «Электрический ток в средах» целесообразно использовать составление таблицы, дающей возможность сопоставить механизм прохождения тока в различных средах, выявить различия и общие черты данного явления, применение его на практике (см. табл.1).

Составление таблицы возможно на любом этапе изучения темы в зависимости от образовательного уровня учащихся, подготовки учителя и цели, которую ставит перед собой учитель.

Рассмотрим работу с таблицей на разных этапах изучения темы.

1.   Составление таблицы можно начать на первом уроке. Опираясь на знания, полученные учащимися при изучении темы «Электрический ток» в курсе физики 8 класса, целесообразно напомнить им, что все вещества делятся на проводники и диэлектрики условно по количеству свободных носителей зарядов, напомнить условия протекания тока. Далее с помощью демонстраций учащимся показывается, что электрический ток можно получить в любой среде, подчеркнув, что во всех случаях для прохождения тока через среду в ней нужно создать электрическое поле, но в одних средах ток начинается сразу, т.к. в них есть свободные носители заряда, а в других носители заряда надо создать тем или иным способом.

Демонстрации:

1)      Свечение лампы — ток в металлах.
2)       Несамостоятельный разряд в газах — ток в газах.
3)       Прохождение тока через раствор соли — ток в жидкостях.
4)       Проводимость полупроводников при нагревании и освещении.
5)       Работа вакуумного диода — ток в вакууме.

 Затем, перед учащимися ставится задача изучить механизм появления, свойства и поведение носителей зарядов в различных средах, и практическое применение тока в этих средах в быту и технике. При этом сразу выстраивается план изучения темы в виде заполнения первой горизонтальной и первой вертикальной строк таблицы.

В дальнейшем возможно в хорошо подготовленных классах заполнение таблицы проводить горизонтальными строками. При этом четко просматриваются сходства и различия в проводимости  различных сред. Такой подход позволяет развивать мыслительную способность учащихся, способность сравнивать, анализировать, обобщать.

2.     В менее подготовленных классах заполнение таблицы можно проводить вертикальными столбцами по мере изучения механизма проводимости различных сред. При этом целесообразно после изучения темы «электрический ток в металлах» вместе с учащимися выделить основные компоненты (пункты) рассказа о данном явлении, поместив их в первую вертикальную колонку таблицы.

3.     Возможно заполнение таблицы вместе с учащимися на уроке обобщения темы с использованием доски. При этом   отдельные учащиеся заполняют и объясняют каждый свою колонку. ( В слабом классе это может делать сам учитель с помощью учеников).

4.     И, наконец, заполнение таблицы можно предоставить учащимся в конце изучения темы как самостоятельную, контрольную или домашнюю работ .

Таблица №1.

Среда Металлы Полупроводники Жидкости Вакуум Газы
Носители заряда Электроны Электроны и дырки Ионы Электроны Ионы и электроны
Образование носителей заряда При образовании кристалла валентные электроны теряют связь с ядром атома и становятся свободными. При разрыве ковалентных связей между атомами в результате нагревания кристалла или под действием света образуются свободные электроны и дырки — вакантные места в связях. При взаимодействии молекул жидкости с молекулами растворителя или при взаимодействии друг с другом  в результате нагревания молекулы распадаются на ионы. При нагревании металла с его поверхности вылетают самые быстрые электроны - термоэлектронная эмиссия. Под действием ионизатора или в результате тепловых столкновений молекулы газов теряют один или два электрона, становясь положительными ионами. Электрон остается свободным или присоединяется к нейтральному атому образуя отрицательный ион.
Способ создания электрического поля. Присоединение к проводнику источника тока. Присоединение полупроводникового элемента к источнику тока Введение в раствор электролитов электродов Введение в вакуумное пространство электродов. Введение в газовое пространство электродов.
Движение заряженных частиц в средах Электроны двигаются к положительному электроду. Электроны двигаются к положительному полюсу источника тока, дырки — к отрицательному Положительные ионы двигаются к катоду, отрицательные ионы — к аноду Электроны двигаются к аноду Положительные ионы двигаются к катоду, электроны и отрицательные ионы — к аноду
Вольтамперная характеристика
Основные законы

 

 

 —

  — —
Применение В электронагревательных  и осветительных приборах, электродвигателях, для подведения тока к любому электрическому устройству В радиотехнике для выпрямления тока, для изменения его характеристик, получения тока в солнечных батареях, в различного рода реле и автоматических устройствах Покрытие одних металлов другими, для получения чистых веществ, для заточки хирургических инструментов, для получения копий с рельефных изображений и т.д. В радиотехнике для выпрямления тока и изменения его характеристик, в электронно-лучевых трубках, используемых в телевидении, осциллографах, медицинских приборах и т.д. В лампах дневного света, рекламных трубках, электросварке, при искровой обработке металлов и т.д.

  В классе, где у учащихся развито образное мышление, можно во второй, третьей и четвертой горизонтальных строчках таблицы заменить текст   соответствующими рисунками (см. табл.2).

Таблица № 2 .

Электрический ток в различных средах

1. Электрический ток в полупроводниках

Полупроводниками называют вещества, удельное сопротивление которых во много раз меньше, чем у диэлектриков, о намного больше, чем у металлов. Наиболее широко в качестве полупроводников используют кремний и германий.

Главная особенность полупроводников – зависимость их дельного сопротивления от внешних условий (температуры, освещенности, электрического поля) и от наличия примесей. В 20-м веке ученые и инженеры начали использовать эту особенность полупроводников для создания чрезвычайно миниатюрных сложных приборов с автоматизированным управлением – например, компьютеров, мобильных телефонов, бытовой техники.

Быстродействие компьютеров примерно за полвека их существования увеличилось в миллионы раз. Если бы за этот же промежуток времени скорость автомобилей увеличилась тоже миллионы раз, то они мчались бы сегодня со скоростью, приближающейся к скорости света!

Если бы в одно (далеко не прекрасное!) мгновение полупроводники «отказались от работы», то сразу погасли бы экраны компьютеров и телевизоров, замолчали бы мобильные телефоны, а искусственные спутники потеряли бы управление. Остановились бы тысячи производств, потерпели бы аварии самолеты и корабли, а также миллионы автомобилей.

Носители заряда в полупроводниках

Электронная проводимость. В полупроводниках валентные электроны «принадлежат» двум соседним атомам. Например, в кристалле кремния у каждой пары атомов-соседей есть два «общих» электрона. Схематически это изображено на рисунке 60.1 (здесь изображены только валентные электроны).

Связь электронов с атомами в полупроводниках слабее, чем в диэлектриках. Поэтому даже при комнатной температуре тепловой энергии некоторых валентных электронов достаточно для того, чтобы они оторвались от своей пары атомов, став электронами проводимости. Так в полупроводнике возникают отрицательные носители заряда.

Проводимость полупроводника, обусловленную перемещением свободных электронов, называют электронной.

Дырочная проводимость. Когда валентный электрон становится электроном проводимости, он освобождает место, в котором возникает нескомпенсированный положительный заряд. Это место называют дыркой. Дырке соответствует положительный заряд, равный по модулю заряду электрона.

Если на это освободившееся место перейдет валентный электрон одного из соседних атомов, то дырка переместится к тому атому, который был покинут валентным электроном. Поэтому перемещение валентных электронов на освободившиеся места можно рассматривать как движение положительных носителей заряда – дырок (рис. 60.2).

Проводимость полупроводника, обусловленную перемещением дырок, называют дырочной.

Когда нет внешнего электрического поля, свободные электроны и дырки движутся хаотично, и поэтому тока в полупроводнике нет. Если же поместить полупроводник в электрическое поле, то под действием этого поля свободные электроны начнут двигаться в одну сторону, а дырки – в противоположную.

? 1. Объясните, почему направление тока, обусловленное движением свободных электронов, совладает с направлением тока, обусловленного движением дырок, хотя электроны и дырки движутся в противоположных направлениях.

Свободный электрон может занять одно из свободных мест, уничтожив при атом дырку. Такое взаимное уничтожение свободного электрона и дырки называют рекомбинацией.

Если в полупроводнике нет примесей, то число свободных электронов в образце равно числу дырок, так как появление каждого свободного электрона сопровождается появлением дырки. Проводимость полупроводника, обусловленную равным числом свободных электронов и дырок, называют собственной проводимостью.

Зависимость сопротивление полупроводников от температуры и освещенности

При повышении температуры число валентных электронов, имеющих энергию, достаточную для того, чтобы оставить вон атомы и стать свободными электронами, быстро увеличивается. Увеличивается соответственно и число дырок. Вследствие увеличения свободных зарядов удельное сопротивление полупроводника при повышении температуры уменьшается.

На рисунке 60.3 приведен график зависимости удельного сопротивления полупроводника от температуры.

Валентные электроны в полупроводниках могут «обрести свободу», став свободными электронами, не только вследствие повышения температуры, но и под действием света. Поэтому увеличение освещенности также уменьшает сопротивление полупроводника.

Терморезисторы (термисторы). Сильную зависимость сопротивления полупроводников от температуры используют для создания датчиков температуры, которые называют терморезисторами или, сокращенно, термисторами. Термисторы используют для создания сигнализации (например, противопожарной), дистанционного наблюдения за технологическими процессами.

Фоторезисторы. Зависимость сопротивления полупроводников от освещенности используют для создания фоторезисторов. Фоторезисторы применяют, например, в турникетах метро и в устройствах, которые защищают от травм на производстве.

Примесная проводимость полупроводников

Соотношение между количеством электронов проводимости и количеством дырок можно изменять, добавляя в полупроводник небольшие количества различных примесей (например, в процессе выращивания кристалла полупроводника из расплава).

Донорные примеси. Добавим в кристалл, состоящий из четырехвалентных атомов кремния, некоторое количество пятивалентных атомов мышьяка.

При этом один из валентных электронов каждого атома мышьяка окажется «лишним» и потому станет свободным электроном (рис. 60.4).

Примеси, атомы которых легко отдают свои валентные электроны, называют донорными. Полупроводники, в которых основными носителями заряда являются свободные электроны, называют полупроводниками n-типа.

Акцепторные примеси. Добавим теперь в кристалл кремния трехвалентные атомы алюминия.

Так как у атома алюминия есть только три валентных электрона, он будет прочно связан только с тремя атомами кремня, а четвертая связь останется незаполненной, Эту связь может заполнить валентный электрон, ушедший от одного из соседних томов кремния. Тогда на месте ушедшего валентного электрона образуется нескомпенсированный положительный заряд, то есть дырка (рис. 60.5). Итак, каждый том алюминия увеличивает количество дырок на единицу.

Примеси, которые увеличивают количество дырок, называют акцепторными. Полупроводники, в которых основные носители заряда – дырки, называют полупроводниками p-типа.

? 2. Определите с помощью таблицы Менделеева, какие из перечисленных химических элементов (индий, сурьма, фосфор, скандий, галлий) надо добавить в качестве примеси в кремний, чтобы получить полупроводник n-типа; p-типа.

Полупроводниковый диод

Рассмотрим явления, происходящие на границе раздела полупроводников n-типа и p-типа. Ее называют электронно-дырочным переходом (сокращенно n-p-переходом).

В полупроводнике n-типа концентрация свободных электронов намного больше, чем в полупроводнике p-типа. Поэтому следствие диффузии свободные электроны будут проникать в полупроводник p-типа и рекомбинировать там с дырками.

По той же причине (вследствие диффузии) дырки будут проникать в полупроводник n-типа и рекомбинировать там со свободными электронами.

В результате пограничный слой обедняется основными носителями заряда, и его сопротивление становится очень большим. Поэтому этот слой называют запирающим. На рисунке 60.6 он обведен пунктиром.

Подключим теперь полупроводник p-типа к положительному полюсу источника тока, а полупроводник n-типа – к отрицательному (рис. 60.7). На рисунке для наглядности показаны только свободные заряды, находящиеся вблизи границы раздела.

Со стороны внешнего электрического поля на дырки и свободные электроны будут действовать силы, направленные и границе раздела. Запирающий слой разрушится: дырки и свободные электроны начнут двигаться навстречу друг другу и на границе раздела рекомбинировать. При этом через границу раздела полупроводников будет идти тон. Такое подключение называют прямым.

Изменим полярность подключения источника тока (рис. 60.8). Теперь силы, действующие на свободные электроны и дырки со стороны внешнего электрического поля, направлены от границы раздела. Поэтому дырки и свободные электроны будут удаляться от границы. Запирающий слой будет расширяться, а его сопротивление будет увеличиваться. В этом случае сила тока через границу раздела полупроводников будет очень малой. Такое подключение называют обратным.

Итак, n-p-переход имеет одностороннюю проводимость: практически электрический ток может течь через него только от полупроводника p-типа к полупроводнику n-типа.

Устройство с односторонней проводимостью, обусловленной n-p-переходом, называют полупроводниковым диодом. На рисунке 60.9 приведена вольтамперная характеристика полупроводникового диода.

Мы видим, что при обратном подключении (пунктирная линия) сила тока намного меньше, чем при прямом.

На электрических схемах диод обозначают одним из способов, показанных на рисунке 60.10. Упирающаяся в отрезок стрела показывает направление тока через диод при прямом подключении.

На рисунке 60.11 показана простейшая электрическая схема с прямым подключением диода, а на рисунке 60.12 – с обратным.

? 3. На рисунке 60.13 изображена схема электрической цепи с двумя диодами. К точкам А и В подключают полюса источника тока с ЭДС, равной 12 В, и внутренним сопротивлением 2 Ом. Сопротивления резисторов R1 = 2 Ом, R2 = 4 Ом.

а) Через какой резистор пойдет ток, если к точке А подключить: отрицательный полюс источника тока? положительный?
б) Чему будет равно сопротивление всей цепи при одном и другом способе подключения?
в) Чему будет равна сила тока и мощность тока в резисторе при одном и другом способе подключения?

3. Транзистор

Транзистор состоит из трех слоев полупроводников: по краям находятся полупроводники одного типа, а между ними – очень тонкая прослойка полупроводника другого типа. На рисунке 60.14 изображен p-n-p-транзистор. Две крайние области транзистора называют эмиттером и коллектором, а среднюю область – базой.

В p-n-p-транзисторе основными носителями заряда в эмиттере и базе являются дырки. В базе же основные носители заряда – электроны, но ее делают настолько тонкой (несколько микрон), а концентрацию электронов в ней настолько малой, что практически все дырки проходят с эмиттера в коллектор сквозь базу.

Переход между эмиттером и базой делают прямым, и поэтому дырки с эмиттера диффундируют в базу, а сквозь нее в коллектор. Однако число дырок, которые прошли сквозь базу (а следовательно, и сила тока через коллектор), существенно зависит от напряжения между эмиттером и базой: чем сильнее база притягивает дырки, тем большее их число пройдет сквозь нее.

Благодаря этому малые изменения напряжения между эмиттером и базой вызывают синхронные, только во много раз большие изменения напряжения на нагрузке (резисторе R), включенной в цепь коллектора.

Таким образом, транзистор можно использовать для усиления электрических сигналов: изменяя напряжение между базой и эмиттером на сотые доли вольта, можно изменять напряжение между эмиттером и коллектором на десятки вольт. Это позволяет, например, преобразовывать чрезвычайно слабые сигналы в антеннах радиоприемников и мобильных телефонов в электрический ток, питающий динамики или наушники.

Интегральные схемы

Мы рассмотрели лишь простейшие полупроводниковые приборы – диод и транзистор.

Они являются «кирпичиками» очень сложных устройств, которые называют интегральными схемами. Такие схемы «работают» сегодня в компьютерах и телевизорах, мобильных телефонах и искусственных спутниках, автомобилях, самолетах и даже в стиральных машинах.

Обычно интегральную схему формируют на пластинке кристалла кремния, выращенного специальным способом. Такую пластинку с интегральной схемой часто называют чипом.

Фотографии некоторых чипов приведены на рисунке 60.15 рядом с линейкой, чтобы вы смогли представить их размеры. Важными преимуществами интегральных схем являются высокое быстродействие и надежность, а также дешевизна. Именно благодаря этим качествам на основе интегральных схем и удалось создать сложные, но доступные приборы, компьютеры и предметы современной бытовой техники.

4. Электрический ток в жидкостях и газах

Электрический ток в жидкостях. Как мы уже говорили, носителями электрических зарядов в электролитах (жидких проводниках) являются положительные и отрицательные ионы. При прохождении тока через электролит происходит электролиз – на электродах выделяются различные вещества.

Например, с помощью электролиза можно покрывать металлические изделия очень тонким слоем другого металла. Явление электролиза и его законы были открыты английским ученым Майклом Фарадеем. Вы изучаете их в курсе химии.

Электрический ток в газах. Носителями электрических зарядов в газах являются ионы и электроны. Существуют разные виды газовых разрядов. Например, в результате коронного разряда на металлических остриях (например, мачтах кораблей) перед грозой возникает свечение, которое называли «огнями святого Эльма» (рис. 60.16).

Примерами искрового разряда являются молнии.

Тлеющий разряд (рис. 60.17) используют в люминесцентных лампах (в том числе в энергосберегающих) и в рекламе.

Дуговой разряд (рис. 60.18) используют для создания мощных источников света и для получения высоких температур (например, при дуговой электросварке).

Дополнительные вопросы и задания

4. На рисунке 60.19 изображена схема электрической цепи с несколькими резисторами и диодами. Все резисторы имеют одинаковое сопротивление r, равное внутреннему сопротивлению источника тока. ЭДС источника тока ξ. Примите, что сопротивлением диода при прямом подключении можно пренебречь, а его сопротивление при обратном подключении считайте бесконечно большим.

а) Перенесите чертеж в тетрадь и укажите на нем цветными стрелками направление электрического тока в каждом элементе цепи.
б) Чему равно сопротивление всей цепи?
в) Чему равна мощность, выделяющаяся во внешней цепи?
г) Чему равен КПД источника?
д) Выполните задания а) – г) при другой полярности подключения того же источника тока.

Задачи

Задачи к уроку 50/14

1.      Космическая ракета при старте с Земли движется вертикально вверх с ускорением a = 25 м/с2. Определите вес космонавта массой m = 100 кг. Ускорение свободного падения считать равным 10 м/с2.

2.      Парашютист, достигнув в затяжном прыжке скорости υ1 = 60 м/с, раскрыл парашют, после чего его скорость за t = 2 с уменьшилась до υ2 = 10 м/с. Чему равен вес парашютиста массой m = 70 кг во время торможения? Ускорение свободного падения считать равным 10 м/с2.

3.      Самолет, двигаясь с постоянной скоростью 720 км/ч, совершает фигуру высшего пилотажа – «мертвую петлю» – радиусом 1000 м. Чему равна перегрузка летчика в верхней точке петли? (g = 10 м/с2).

 

Задачи д/з к уроку 48/12

1.         Во сколько раз изменится сила Всемирного тяготения, если массу одного тела увеличить в 3 раза, а другого уменьшить в 9 раз?

2.         Во сколько раз изменится сила Всемирного тяготения, если расстояние между телами уменьшить в 5 раз?

3.         С каким ускорением всплывает тело массой 25 кг, если на него действует сила Архимеда 300 Н?

Задачи д/з к уроку 60  

1. Почему невозможно, из положения сидя прямо на стуле, встать на ноги, не наклонившись предварительно вперед?

2. Почему однородный прямоугольный кирпич можно положить на край стола, только если с края стола свисает не более половины длины кирпича?

3. Почему вы вынуждены отклоняться назад, когда несете в руках тяжелый груз?

Задачи д/з к уроку 58/7 

1. Какова средняя сила давления F на плечо при стрельбе из автомата, если масса пули m = 10 г, а скорость пули при вылете из канала ствола v = 300 м/с? Автомат делает 300 выстрелов в минуту.

2. Для проведения огневых испытаний жидкостный ракетный двигатель закрепили на стенде. С какой силой он действует на стенд, если скорость истечения продуктов сгорания из сопла 150 м/с, а расход топлива за 5 секунд составил 30 кг?

3. Ракета массой 1000 кг неподвижно зависла над поверхностью земли. Сколько топлива в единицу времени сжигает ракета, если скорость истечения продуктов сгорания из ракеты равна 2 км/с?

Электрический ток в различных средах

Электрический ток в различных средах
Электролитическая диссоциация
По электрическим свойствам все жидкости можно разделить на 2 группы:
ЖИДКОСТИ
ПРОВОДЯЩИЕ
НЕПРОВОДЯЩИЕ
Содержащие свободные
заряженные частицы
(диссоциирующие) электролиты
Не содержащие свободные
заряженные частицы
(недиссоциирующие)
К ним относятся растворы
(чаще всего водные) и
расплавы солей, кислот и
оснований
К ним относятся
дистилированная вода, спирт,
минеральное масло…
Электролитической диссоциацией называется распад нейтральных
молекул вещества в растворителе на положительные и отрицательные ионы
Электролитическая диссоциация
Электролитическая диссоциация поваренной соли
Na Cl
NaCl Na+ + ClДиссоциация других
веществ:
CuSO4 Cu 2+ + SO42HCl H + + Clh3SO4 H+ + H+ + SO42-
Na+
Cl-
CaCl2 Ca 2+ + Cl- + Cl-
При диссоциации ионы металлов и водорода всегда заряжены положительно, а
ионы кислотных радикалов и группы ОН — отрицательно
Электролиз
Ионы в электролите движутся хаотично, но при создании электрического поля
характер движения становится упорядоченным: положительные ионы (катионы)
движутся к катоду, отрицательные ионы (анионы) движутся к аноду
— (катод)
+ (анод)
—
+
Электрический ток в
электролитах
+
—
+
—
+
представляет собой
упорядоченное движение
положительных и
отрицательных ионов
Электролиз
Рассмотрим, что происходит, когда ионы достигают электродов (на примере
медного купороса)
CuSO4 Cu 2+ + SO42На катоде:
Положительные ионы меди, подходя к
катоду, получают два недостающих
электрона, восстанавливаясь до
металлической меди
— (катод)
Cu 2+ + 2 е Cu 0
+
Cu 2+
+
Cu 2+
В процессе протекания тока через
электролит на катоде происходит
оседание слоя чистой меди – электролиз
раствора медного купороса
Электролиз
На аноде:
+ (анод)
SO42-
Сульфат — ионы SO42- , подходя к аноду,
отдают ему два лишних электрона,
которые через источник тока поступают
на катод и присоединяются к
положительным ионам меди
SO42-
Выделение вещества на электродах вследствие окислительно – восстановительных
реакций при прохождении тока через электролит называется электролизом
Законы
электролиза
Законы электролиза
Исследовал электролиз и открыл его законы английский физик Майкл Фарадей в
1834 году
Первый закон электролиза
Масса вещества, выделившегося на
электродах при электролизе, прямо
пропорциональна величине заряда,
прошедшего через электролит
m kq
k – электрохимический эквивалент вещества
(равен массе вещества, выделившегося при
прохождении через электролит заряда 1 Кл)
Майкл Фарадей (1791 – 1867)
Открыл явление электромагнитной
индукции, законы электролиза, ввел
представления об электрическом и
магнитном поле
Если учесть, что q = I t, то
m k I t
Законы электролиза
Второй закон электролиза
При одинаковом количестве электричества (электрическом заряде, прошедшем
через электролит) масса вещества, выделившегося при электролизе,
пропорциональна отношению молярной массы вещества к валентности
M1 M 2
m1 : m2 k1 : k 2
:
z1 z2
m – масса выделившегося вещества k –
электрохимический эквивалент М –
молярная масса вещества
z–
валентность вещества
Заряд, необходимый для выделения 1 моля вещества, одинаков для всех
электролитов. Он называется числом Фарадея F
F N A e 9.65 10 Кл / моль
4
Электрохимический эквивалент и число
Фарадея связаны соотношением
M
k
zF
Как отсюда экспериментально
определить заряд электрона?
Применение электролиза
ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗА
Получение химически чистых веществ
Гальваностегия
Гальванопластика
Электрический ток в различных средах
Электрические свойств газов
Газы при нормальных условиях являются диэлектриками, т.к. состоят из
нейтральных атомов и не содержат свободных заряженных частиц
Ионизация излучением
+
Положительный
ион
Для того, чтобы газ проводил
электрический ток, атомы необходимо
ионизировать – оторвать от них
электроны, а значит сообщить атомам
извне достаточное количество энергии
—
Е
Энергия для ионизации может быть
передана за счет:
• сильного нагрева
• внешнего излучения
(рентгеновского, радиоактивного)
• сильного электрического поля
Свободный
электрон
Электрический ток в газах представляет собой упорядоченное движение свободных
электронов и положительных ионов
Электрические свойств газов
Если прекратить действие ионизатора (нагрев, излучение …), то начинает
преобладать обратный процесс объединения электронов и ионов в нейтральные
атомы — рекомбинация
+
+
+
В процессе рекомбинации газ снова приобретает диэлектрические свойства
—
—
—
Таким образом электрические свойства газов сильно зависят от
действия внешних ионизирующих факторов
Типы разрядов в газах и их
применение
Типы газовых разрядов
1. Тлеющий разряд
При сильно пониженном давлении самостоятельный разряд сопровождается
свечением. Положительные ионы, ударяясь о катод, вызывают вторичную
электронную эмиссию.
Положительный столб содержит одинаковое число положительных и
отрицательных носителей заряда и является квазинейтральным (плазма). В
результате рекомбинации происходит излучение света (УФ – излучение в парах
ртути)
Тлеющий разряд широко применяется в лампах дневного света, газосветных трубках
(реклама), ртутных ультрафиолетовых лампах («горное солнце»), неоновых лампах
(индикация и стабилизация напряжения), импульсных лампах (лампы – вспышки)
Типы газовых разрядов
Применение тлеющего разряда – лампа дневного света
Ст – стартер (неоновая лампочка с
биметаллом)
Др – дроссель для ограничения
тока при газовом разряде
Ст
— Капелька ртути, при
испарении которой пары
ртути излучают
ультрафиолетовое излучение
— люминофор,
преобразующий УФ –
излучение паров ртути
в видимое
Др
~ 220 В
Разберем принцип действия
лампы …
Типы газовых разрядов
2. Искровой разряд
При высоком напряжении между
электродами (напряженность
электрического поля увеличивается до
миллиона вольт на метр и выше) в газе
происходит искровой разряд в виде
кратковременной искры (пробой газа,
обусловленный ионизацией молекул
сильным электрическим полем)
Гигантский искровой разряд представляет собой природная молния, приносит
искра и пользу человеку – зажигает топливо в камере сгорания двигателей
внутреннего сгорания, зажигает газ в газовой плите …
Типы газовых разрядов
3. Дуговой разряд
В месте контакта двух проводников (например угольных
электродов) при низких напряжениях (десятки вольт)
выделяется большое количество тепла
При раздвигании проводников на расстояние несколько
миллиметров в газе возникает разряд – электрическая
дуга, которая является мощным источником тепла, света,
ультрафиолетового излучения
— выделяемое при этом тепло используется для
расплавления и сварки деталей
— выделяемый свет используется в качестве мощных
источников света в дуговых осветительных лампах
Типы газовых разрядов
4. Коронный разряд
При атмосферном давлении вблизи заостренных
участков проводников, имеющих большой
электрический заряд, наблюдается в виде
светящегося ореола – коронный разряд
На заостренных участках проводников с напряжением
в десятки и сотни кВ возникает огромная
напряженность электрического поля – свыше
миллиона вольт на метр, вследствие чего прилежащий
воздух ионизируется и происходит стекание заряда в
виде маленьких искр, образующих корону
Особенно проявляется коронный разряд в линиях
электропередачи (свыше 100 кВ)
Как борются с потерями энергии в ЛЭП, происходящими
за счет коронного разряда?
Электрический ток в различных средах
Вакуум. Явление термоэлектронной эмиссии
Вакуум – пространство, не содержащее каких – либо частиц (молекул, атомов,
элементарных частиц …)
Абсолютный вакуум создать невозможно. Почему?
Скажите, где существует относительный вакуум
Почему электрический ток в вакууме невозможен
Вакуум. Явление термоэлектронной эмиссии
Чтобы ток в вакууме стал возможен, необходим источник свободных заряженных
частиц
Таким источником в вакуумных приборах
служит разогретый до высокой температуры
(1000 – 20000С) катод, из которого вылетают
электроны.
Это явление получило название
термоэлектронной эмиссии
Почему при разогреве катода из него начинают вылетать
электроны
Вакуумный диод и триод
Вакуумный диод
1. Прямое включение
+
Электроны, вылетевшие
из разогретого катода,
устремляются к аноду,
замыкая цепь
анод
Е
—
Вакуумный диод хорошо
проводит ток в прямом
направлении
При увеличении напряжения на
аноде происходит насыщение –
все электроны достигают анода
—
—
— — — — катод
нить
накала
I(A)
U(В)
Вакуумный диод и триод
Вакуумный диод
2. Обратное включение
—
анод
Е
Вакуумный диод не
проводит ток в обратном
направлении
—
+
Электроны, вылетевшие
из разогретого катода,
тормозятся электрическим
полем и возвращаются к
катоду
—
— — — — катод
нить
накала
Вакуумный диод и триод
Вольт – амперная характеристика вакуумного диода (ВАХ)
I (А)
U (В)
Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью и применяется
для выпрямления переменного тока (кенотрон)
Вакуумный диод и триод
Вакуумный триод
+
График изменения напряжения между
катодом и сеткой
анод
График изменения анодного тока
управляющая
сетка
—
катод
нить
накала
Вакуумный триод обладает
усилительными свойствами
Вакуумный диод и триод
Различные радиолампы
А
А
А — анод
АС
ЭС
УС
ЭС
УС
К
тетрод
К
пентод
К — катод
УС – управляющая сетка
ЭС – экранирующая сетка
АС – защитная
(антидинатронная) сетка
Существуют радиолампы с большим числом электродов (гептод, октод …), а
также совмещенные лампы (триод – пентод, триод – триод и т.д.)
Все они обладают усилительными свойствами и, хотя во многих случаях их
заменили полупроводниковые элементы (транзисторы, диоды …),
радиолампы все еще широко используются, особенно при больших
мощностях сигналов
Электронно – лучевая трубка
Электронно – лучевая трубка
Электронно – лучевая трубка – электровакуумный прибор, в котором используется
электронный пучок малого сечения, который может отклоняться в любом направлении, и,
попадая на люминесцентный экран, создавать изображение
анод (130 кВ)
нить
накала
катод
фокусирующ
ий анод
модулятор
ускоряющий
анод
горизонтально
отклоняющие
пластины
вертикально
отклоняющие
пластины
люминофор
Объясните принцип действия ЭЛТ и назначение каждого электрода
Электронно – лучевая трубка
Кинескоп телевизора
Кинескоп – электронно – вакуумная
трубка, предназначенная для создания
телевизионного изображения
Отличие кинескопа от осциллографической
ЭЛТ в способе отклонения электронного луча
Отклонение луча происходит магнитным полем, создаваемым строчными и
кадровыми катушками отклоняющей системы, находящейся на горловине
кинескопа
строчные импульсы
кадровые импульсы
Электрический ток в различных средах
Классификация веществ по проводимости
Разные вещества имеют различные электрические свойства, однако по
электрической проводимости их можно разделить на 3 основные группы:
Электрические
свойства веществ
Проводники
Хорошо проводят
электрический ток
К ним относятся металлы,
электролиты, плазма …
Наиболее используемые
проводники – Au, Ag, Cu, Al,
Fe …
Полупроводники
Занимают по проводимости
промежуточное положение
между проводниками и
диэлектриками
Si, Ge, Se, In, As
Диэлектрики
Практически не проводят
электрический ток
К ним относятся пластмассы,
резина, стекло, фарфор, сухое
дерево, бумага …
Собственная проводимость полупроводников
Рассмотрим проводимость полупроводников на основе кремния Si
—
Si
—
Si
—
Si
—
Si
—
Кремний – 4 валентный
химический элемент.
Каждый атом имеет во
внешнем электронном слое
по 4 электрона, которые
используются для
образования
парноэлектронных
(ковалентных) связей с 4
соседними атомами
Si
При обычных условиях (невысоких температурах) в полупроводниках отсутствуют
свободные заряженные частицы, поэтому полупроводник не проводит
электрический ток
Собственная проводимость полупроводников
Рассмотрим изменения в полупроводнике при увеличении температуры
—
Si
+-
Si
+-
Si
свободный
электрон
—
дырка
—
+
—
Si
Si
Под воздействием
электрического поля
электроны и дырки
начинают упорядоченное
(встречное) движение,
образуя электрический
ток
При увеличении температуры энергия электронов увеличивается и некоторые из
них покидают связи, становясь свободными электронами. На их месте остаются
некомпенсированные электрические заряды (виртуальные заряженные частицы),
называемые дырками
Собственная проводимость полупроводников
Таким образом, электрический ток в полупроводниках представляет собой
упорядоченное движение свободных электронов и положительных виртуальных
частиц — дырок
При увеличении температуры растет число свободных носителей заряда,
проводимость полупроводников растет, сопротивление уменьшается
R (Ом)
металл
R0
полупроводник
t (0C)
Объясните графики зависимости сопротивления металлов и
полупроводников от температуры
Примесная проводимость полупроводников
Собственная проводимость полупроводников явно недостаточна для технического
применения полупроводников
Поэтому для увеличение проводимости в чистые полупроводники внедряют
примеси (легируют) , которые бывают донорные и акцепторные
—
Донорные примеси
—
Si
Si
—
—
—
As
—
—
Si
При легировании 4 – валентного
кремния Si 5 – валентным мышьяком
As, один из 5 электронов мышьяка
становится свободным
Таким образом изменяя концентрацию
мышьяка, можно в широких пределах
изменять проводимость кремния
Si
Такой полупроводник называется полупроводником n – типа, основными
носителями заряда являются электроны, а примесь мышьяка, дающая свободные
электроны, называется донорной
Примесная проводимость полупроводников
Акцепторные примеси
Если кремний легировать трехвалентным индием, то для образования связей с
кремнием у индия не хватает одного электрона, т.е. образуется дырка
—
Si
—
Si
—
In
+
—
Si
Изменяя концентрацию индия, можно
в широких пределах изменять
проводимость кремния, создавая
полупроводник с заданными
электрическими свойствами
Si
Такой полупроводник называется полупроводником p – типа, основными
носителями заряда являются дырки, а примесь индия, дающая дырки, называется
акцепторной
Примесная проводимость полупроводников
Итак, существует 2 типа полупроводников, имеющих большое практическое
применение:
+
р — типа
Основные носители заряда — дырки
—
n — типа
Основные носители заряда электроны
Помимо основных носителей в полупроводнике существует очень малое число
неосновных носителей заряда ( в полупроводнике p – типа это электроны, а в
полупроводнике n – типа это дырки), количество которых растет при увеличении
температуры
Объясните, как изменяется количество неосновных носителей заряда в
примесном полупроводнике при увеличении температуры
p – n переход и его свойства
Рассмотрим электрический контакт двух полупроводников p и n типа, называемый p
– n переходом
1. Прямое включение
р
+
+
+
n
+
+
—
—
_
—
Ток через p – n переход осуществляется основными носителями заряда (дырки
двигаются вправо, электроны – влево)
Сопротивление перехода мало, ток велик.
Такое включение называется прямым, в прямом направлении p – n переход
хорошо проводит электрический ток
p – n переход и его свойства
2. Обратное включение
р
_
+
+
n
+
+
—
—
—
+
—
Запирающий слой
Основные носители заряда не проходят через p – n переход
Сопротивление перехода велико, ток практически отсутствует
Такое включение называется обратным, в обратном направлении p – n переход
практически не проводит электрический ток
p – n переход и его свойства
Итак, основное свойство p – n перехода заключается в его односторонней
проводимости
Вольт – амперная характеристика p – n перехода (ВАХ)
I (A)
U (В)
Объясните на основе строения полупроводников и свойствах p – n
перехода график зависимости силы тока от напряжения (ВАХ) перехода
Полупроводниковый диод и его применение
Полупроводниковый диод – это p – n переход, заключенный
в корпус
Обозначение
полупроводникового диода
на схемах
Вольт – амперная характеристика полупроводникового диода (ВАХ)
I (A)
Основное свойство диода – его
односторонняя электрическая
проводимость
U (В)
Полупроводниковый диод и его применение
Применение
полупроводниковых диодов
Выпрямление переменного
тока
Детектирование
электрических сигналов
Стабилизация тока и
напряжения
Передача и прием сигналов
Прочие применения

44. Таблица «Электрический ток в различных средах»

Среда
Свободные носители
электрических зарядов
Основные закономерности
протекания тока в данной
среде (формула, закон,
особенности)
Положительные ионы в узлах
кристаллической решетки.
Опыт Папалекси и Мандельштама
Применение
закономерностей
Металлы
Свободные электроны
Полупроводники
Электроны и дырки
Собственная и примесная
(p- и n-типа) проводимость,
p-n переход
Полупроводниковые
диоды, транзисторы,
термисторы, фоторезисторы,
солнечные батареи
Вакуум
Электроны, под действием
термоэлектронной эмиссии
Термоэлектронная эмиссия,
электронно- лучевая трубка
Кинескопы телевизоров,
осциллографы,
дисплеи ЭВМ
Газ
Электроны и
«+» и «-» ионы
Ионизация газа,
рекомбинация,
самостоятельный и
несамостоятельный разряды
«+» и «- » ионы
Электролитическая диссоциация,
закон электролиза (Фарадея)
m=kq =kIt,
Молнии,
полярное сияние, Солнце, звезды,
лампы дневного света,
пламя костра,
рекламные трубки
Гальванопластика,
гальваностегия,
гальванические элементы,
аккумуляторы,
промышленность
Жидкость
Науке и технике,
производство и передача
электроэнергии

Электрический ток в жидкостях, металлах, газах, вакууме. Электролиз, законы Фарадея, ионизация, термоэлектронная эмиссия. Курсы по физике

Тестирование онлайн

  • Электрический ток в различных средах. Основные понятия

Электрический ток в жидкостях

Как известно, химически чистая (дистиллированная) вода является плохим проводником. Однако при растворении в воде различных веществ (кислот, щелочей, солей и др.) раствор становится проводником, из-за распада молекул вещества на ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией, а сам раствор электролитом, способным проводить ток.

В отличие от металлов и газов прохождение тока через электролит сопровождается химическими реакциями на электродах, что приводит к выделению на них химических элементов, входящих в состав электролита.

Первый закон Фарадея: масса вещества, выделяющегося на каком-либо из электродов, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит

Электрохимический эквивалент вещества — табличная величина.

Второй закон Фарадея:

Протекание тока в жидкостях сопровождается выделением теплоты. При этом выполняется закон Джоуля-Ленца.

Электрический ток в металлах

При прохождении тока металлы нагреваются. В результате чего ионы кристаллической решетки начинают колебаться с большей амплитудой вблизи положений равновесия. В результате этого поток электронов чаще соударяется с кристаллической решеткой, а следовательно возрастает сопротивление их движению. При увеличении температуры растет сопротивление проводника.

Каждое вещество характеризуется собственным температурным коэффициентом сопротивления — табличная величина. Существуют специальные сплавы, сопротивление которых практически не изменяется при нагревании, например манганин и константан.

Явление сверхпроводимости. При температурах близких к абсолютному нулю (-2730C) удельное сопротивление проводника скачком падает до нуля. Сверхпроводимость — микроскопический квантовый эффект.

Применение электрического тока в металлах

Лампа накаливания производит свет за счет электрического тока, протекающего по нити накала. Материал нити накала имеет высокую температуру плавления (например, вольфрам), так как она разогревается до температуры 2500 – 3250К. Нить помещена в стеклянную колбу с инертным газом.

Электрический ток в газах

Газы в естественном состоянии не проводят электричества (являются диэлектриками), так как состоят из электрически нейтральных атомов и молекул. Проводником может стать ионизированный газ, содержащий электроны, положительные и отрицательные ионы.

Ионизация может возникать под действием высоких температур, различных излучений (ультрафиолетового, рентгеновского, радиоактивного), космических лучей, столкновения частиц между собой.

Ионизированное состояние газа получило название плазмы. В масштабах Вселенной плазма — наиболее распространенное агрегатное состояние вещества. Из нее состоят Солнце, звезды, верхние слои атмосферы.

Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом.

В «рекламной» неоновой трубке протекает тлеющий разряд. Светящийся газ представляет собой «живую плазму».

Между электродами сварочного аппарата возникает дуговой разряд.

Дуговой разряд горит в ртутных лампах — очень ярких источниках света.

Искровой разряд наблюдаем в молниях. Здесь напряженность электрического поля достигает пробивного значения. Сила тока около 10 МА!

Для коронного разряда характерно свечение газа, образуя «корону», окружающую электрод. Коронный разряд — основной источник потерь энергии высоковольтных линий электропередачи.

Электрический ток в вакууме

А возможно ли распространение электрического тока в вакууме (от лат. vacuum — пустота)? Поскольку в вакууме нет свободных носителей зарядов, то он является идеальным диэлектриком. Появление ионов привело бы к исчезновению вакуума и получению ионизированного газа. Но вот появление свободных электронов обеспечит протекание тока через вакуум. Как получить в вакууме свободные электроны? С помощью явления термоэлектронной эмиссии — испускания веществом электронов при нагревании.

Вакуумный диод, триод, электронно-лучевая трубка (в старых телевизорах) — приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии. Основной принцип действия: наличие тугоплавкого материала, через который протекает ток — катод, холодный электрод, собирающий термоэлектроны — анод.

Электропроводность элементов и других материалов

  • Проводники — это материалы со слабо прикрепленными валентными электронами — электроны могут свободно дрейфовать между атомами
  • Изоляторы имеют структуры, в которых электроны связаны с атомами ионными или ковалентными связями — ток практически отсутствует. flow
  • Полупроводники — это изолирующие материалы, в которых связи могут быть разорваны под действием приложенного напряжения — электроны могут высвобождаться и перемещаться с одного освобожденного валентного узла на другой.

Электропроводность

Электропроводность или удельная проводимость — это мера способности материала проводить электрический ток. Электропроводность обратно пропорциональна удельному электрическому сопротивлению.

Электропроводность определяется как отношение плотности тока к напряженности электрического поля и может быть выражена как

σ = J / E (1)

, где

σ = электрическая проводимость (1 / Ом · м, 1/ Ом м, сименс / м, См / м, mho / m)

Дж = плотность тока (ампер / м 2 )

E = электрический напряженность поля (вольт / м)

One siemens — S — равна обратной величине один ом и также обозначается как one mho.

Электропроводность некоторых распространенных материалов

Материал Электропроводность
— σ —
(1 / Ом · м, См / м, МО / м)
Алюминий 37,7 10 6
Бериллий 31,3 10 6
Кадмий 13,8 10 6
Кальций 29.8 10 6
Хром 7,74 10 6
Кобальт 17,2 10 6
Медь 59,6 10 6
Медь — отожженная 58,0 10 6
Галлий 6,78 10 6
Золото 45,2 10 6
Иридий 19.7 10 6
Железо 9,93 10 6
Индий 11,6 10 6
Литий 10,8 10 6
Магний 22,6 10 6
Молибден 18,7 10 6
Никель 14,3 10 6
Ниобий 6.93 10 6
Осмий 10,9 10 6
Палладий 9,5 10 6
Платина 9,66 10 6
Калий 13,9 10 6
Рений 5,42 10 6
Родий 21,1 10 6
Рубидий 7.79 10 6
Рутений 13,7 10 6
Серебро 63 10 6
Натрий 21 10 6
Стронций 7,62 10 6
Тантал 7,61 10 6
Технеций 6,7 10 6
Таллий 6.17 10 6
Торий 6,53 10 6
Олово 9,17 10 6
Вольфрам 18,9 10 6
Цинк 16,6 10 6
Морская вода 4,5 — 5,5
Вода — питьевая 0,0005 — 0,05
Вода — деионизированная 5.5 10 -6

Электропроводность элементов относительно серебра

900,6
Элемент Электропроводность относительно серебра
Серебро 100,0
Медь 97,6
Золото 76,6
Алюминий 63,0
Тантал 54,6
Магний 39.4
Натрий 32,0
Бериллий 31,1
Барий 30,6
Цинк 29,6
Индий 27,0
Кадмий
Кальций 21,8
Рубидий 20,5
Цезий 20,0
Литий 18.7
Молибден 17,6
Кобальт 16,9
Уран 16,5
Хром 16,0
Марганец 15,8
Платина 14,4
Олово 14,4
Вольфрам 14,0
Осмий 14.0
Титан 13,7
Иридий 13,5
Рутений 13,2
Никель 12,9
Родий 12,6
Палладий Палладий
Сталь 12,0
Таллий 9,1
Свинец 8,4
Колумбий 5.1
Ванадий 5,0
Мышьяк 4,9
Сурьма 3,6
Ртуть 1,8
Висмут 1,4
Теллур 0,0

Электропроводность высокоочищенной воды

Удельное электрическое сопротивление

Электропроводность обратно пропорциональна удельному электрическому сопротивлению.Удельное электрическое сопротивление может быть выражено как

ρ = 1/ σ (2)

, где

ρ = удельное электрическое сопротивление (Ом · м 2 / м, Ом · м)

Сопротивление проводника

Сопротивление проводника можно выразить как

R = ρ l / A (3)

, где

R = сопротивление (Ом, Ом)

l = длина проводника (м)

A = площадь поперечного сечения проводника (м 2 )

Пример — сопротивление провода

Сопротивление провода 1000 м калибр медного провода # 10 с площадью поперечного сечения 5.26 мм 2 можно рассчитать как

R = (1,724 x 10 -8 Ом м 2 / м) (1000 м) / (( 5,26 мм 2 ) (10 — 6 м 2 / мм 2 ))

= 3,2 Ом

Преобразование удельного сопротивления и проводимости

900
Гран / галлон
как CaCO 3 		ppm
как CaCO 3 		ppm
NaCl		 Электропроводность
мкмхо / см		 Удельное сопротивление
МОм / см
99.3 1700 2000 3860 0,00026
74,5 1275 1500 2930 0,00034
49,6 850 1000 1990 0,00050
24,8 425 500 1020 0,00099
9,93 170 200 415 0.0024
7,45 127 150 315 0,0032
4,96 85,0 100 210 0,0048
2,48 42,5 50 105 0,0095
0,992 17,0 20 42,7 0,023
0,742 12,7 15 32.1 0,031
0,496 8,50 10 21,4 0,047
0,248 4,25 5,0 10,8 0,093
0,099 1,70 2,0 4,35 0,23
0,074 1,27 1,5 3,28 0,30
0,048 0.85 1,00 2,21 0,45
0,025 0,42 0,50 1,13 0,88
0,0099 0,17 0,20 0,49 2,05
0,13 0,15 0,38 2,65
0,0050 0,085 0,10 0,27 3.70
0,0025 0,042 0,05 0,16 6,15
0,00099 0,017 0,02 0,098 10,2
0,00070 0,012 0,01587 11,5
0,00047 0,008 0,010 0,076 13,1
0,00023 0.004 0,005 0,066 15,2
0,00012 0,002 0,002 0,059 16,9
  • зерен / галлон = 17,1 частей на миллион CaCO 3
Растворы

Электропроводность водных растворов, таких как

  • NaOH 4 — Каустическая сода
  • NH 4 Cl — Хлорид аммония, соляной аммиак
  • NaCl 2 — Поваренная соль
  • NaNO 3 — Нитрат натрия , Чилийская селитра
  • CaCl 2 — Хлорид кальция
  • ZnCl 2 — Хлорид цинка
  • NaHCO 3 — Бикарконат натрия, пищевая сода
  • Na 2 CO 3 карбонат натрия
  • CuSO 4 — Медный купорос, медный купорос

Электропроводность 9 0001

Электропроводность

На этой странице мы определяем электрическую проводимость.Электропроводность — это мера насколько легко электрический ток может проходить через данный материал. Это, для данного Электрическое поле в материале материал с более высокой проводимостью будет производить больший ток текучести, чем материал с низкой проводимостью.

Если вы разбираетесь в электрических схемах, тогда проводимость аналогична обратной величине сопротивления. Электрическое поле похоже на напряжение, поэтому напряжение на небольшом резисторе (высокая проводимость) будет производить большое количество тока.Напряжение на большом резисторе (низкая проводимость) будет производить меньшее количество электрического тока.

Электропроводность представляет собой потерю мощности в материале. Материал известен как «без потерь», если проводимость равна нулю (= 0). Такие материалы, как воздух и вакуум (космос), не обладают проводимостью.

Когда проводимость не равна нулю, электрическое поле, протекающее через материал вызовет Плотность электрического тока ( Дж ). Отношения между E , J и известен как закон Ома и дается в уравнении [1]:

[Уравнение 1]

Некоторые материалы, такие как медь или сталь (или металлы в целом), имеют очень высокий проводимости, а проводимость часто можно аппроксимировать бесконечной.Это означает, что материал имеет нулевое сопротивление. Для этих материалов из уравнения [1] видно, что электрическая В этих материалах поле должно быть равно нулю. Если он не был равен нулю, то из уравнения [1] плотность тока будет бесконечной, но это не так. Следовательно, пока мы можем есть ток, протекающий через металлы или материалы с высокой проводимостью, электрическое поле внутри этих материалов должно быть ноль. В учебниках эти материалы часто называется PEC (идеальные электрические проводники), так что потери проводимости можно игнорировать.

Теперь рассмотрим материалы с проводимостью больше нуля, но также неметаллические. материалы, чтобы проводимость не была очень высокой. В этом случае мы можем иметь электрический ток, протекающий в материале, вместе с соответствующим электрическим полем. Когда электрический ток течет через материал, часть энергии преобразуется в тепло (энергия затем теряется из-за электромагнитной волны или тока). Материалы со средней проводимостью известны как материалы с потерями.An Примером материала с потерями и средним значением проводимости является Углерод. [Фактически, углерод используется в материалах для поглощения электромагнитных волн. в антенна измерения внутри камеры, известной как безэховая камера.]

Как правило, мы можем разделить материалы на 3 области по их проводимости, как показано ниже:

Рисунок 1. Классификация материалов по их проводимости.

Электропроводность измеряется в сименсах на метр [См / м]. Сименс является обратной величиной Ом или удельного сопротивления.-24 без потерь Вакуум 0 без потерь

Уравнения Максвелла

Страница проводимости защищена авторским правом, в частности приложение к уравнениям Максвелла. Авторские права maxwells-equations.com, 2012. Все права защищены.

Теплопроводность металлов — объяснение физики

Теплопроводность измеряет способность материала пропускать тепло через проводимость.Теплопроводность такого материала, как металл, сильно зависит от состава и структуры.

Известно, что металлы являются высокоэффективными проводниками тепла.

В этой статье будут рассмотрены механизмы теплопередачи, что делает металлы идеальными проводниками тепла, а также способы использования обычных металлов и сплавов.

Важность теплопроводности в повседневной жизни

Изображение 1. A

Изображение 1. B

Изображение 1. A и B показывают визуальные иллюстрации людей на кухне, использующих кухонные принадлежности.

Кулинария — часть повседневной жизни большинства людей. Следовательно, кухонное оборудование разработано с целью обеспечения максимальной безопасности и эффективности. Это требует понимания теплофизики. Есть причина, по которой нагревательный элемент тостера обычно изготавливается из нихромовой проволоки, ложки для смешивания обычно бывают деревянными, а в конструкции рукавиц для духовки никогда не используется металлический состав.

Определение температуры и теплопроводности

Необходимо вспомнить определение температуры , чтобы понять теплопроводность математически.

Оперативное определение T:

Рабочее определение температуры — это значение, измеренное термометром, который просто измеряет расширение объема Меркурия.

Изображение 2. Изображение двух термометров в единицах Цельсия и Фаренгейта

Физическое определение T:

В теплофизике температура и теплопроводность понимаются путем изучения движения молекул.

Шредер, автор « Introduction to Thermal Physics » математически описывает температуру как:

\ [\ frac {1} {T} = \ Bigg (\ frac {dS} {dU} \ Bigg) \ scriptscriptstyle N, V ​​\]

где:
S = энтропия,
U = энергия,
N = количество частиц,
V = объем системы (Schroeder, 2007).

Следовательно, температура системы зависит от энтропии и энергии , когда количество частиц и объем системы поддерживаются постоянными.

Шредер заявляет словами: «Температура — это мера тенденции объекта спонтанно отдавать энергию своему окружению. Когда два объекта находятся в тепловом контакте, тот, который имеет тенденцию спонтанно терять энергию, имеет более высокую температуру »(Schroeder, 2007). Это потому, что два соприкасающихся объекта будут пытаться достичь теплового равновесия ; становятся той же температуры.

Для визуализации температуры и теплопроводности на микроскопическом уровне Рисунки 1 A и B показаны ниже. Представьте, что неизвестные объекты A и B находятся в физическом контакте друг с другом. Объект A имеет более высокую температуру, чем объект B. Что произойдет с температурой с течением времени?

Рис. 1. A

Рисунок 1.B

На рисунке 1.A показаны два неизвестных объекта, находящихся в физическом контакте друг с другом, а на рисунке 1.B отображает молекулы объектов.

At t 0, T A > T B

At t 1, T A > T B

.

.

At t n, T A = T B

At t 0, ŝ A > ŝ B

At t 1, ŝ A > ŝ B

.

.

At t n, ŝ A > ŝ B

Учитывая, что t n : момент времени, T A : температура объекта A, T B : температура объекта B, ŝ A : средняя скорость частицы A, ŝ B : средняя скорость частицы B.

В t 0 атомы объекта A движутся с большей скоростью, а атомы объекта B движутся с меньшей скоростью (T A > T B ). Со временем объект A отдает энергию, а объект B получает энергию до тех пор, пока они не достигнут одинаковой температуры (T A = T B ) и не достигнут теплового равновесия.Это теплопроводность , описанная на молекулярном уровне. Ближайшие атомы объекта A сталкиваются с атомами объекта B. Атомы объекта B, которые первоначально взаимодействовали с атомами объекта A, сталкиваются с другими атомами объекта B, пока энергия не передается через все атомы объекта B.

Шредер определяет теплопроводность как «перенос тепла посредством молекулярного контакта: быстро движущиеся молекулы сталкиваются с медленно движущимися молекулами, отдавая при этом часть своей энергии» (Schroeder, 2007).

Режимы теплопередачи металлов

Полезно вспомнить три режима теплопередачи; конвекция для газов / жидкостей, излучение для объектов, разделенных пустым пространством и проводимость для объектов, находящихся в прямом контакте.

Теплопроводность также разделена на три категории: столкновений молекул, для газовой / жидкой форм, колебаний решетки, для твердых тел и электронов проводимости, для металлов, как показано на рисунке 2.ниже.

Рисунок 2. Режимы теплопередачи.

Теплопроводность металлов будет включать столкновения молекул + электронов проводимости для металлов в газообразном состоянии и колебания решетки + проводящие электроны для металлов в твердом состоянии. Электроны проводимости — это, по сути, то, что делает металл невероятным проводником . Прежде чем объяснять, что на самом деле представляет собой электрон проводимости, необходимо вспомнить определение металла.

Определение металлов

Все элементы могут быть найдены в периодической таблице, включая металлы, неметаллы и металлоиды.Металлы определяются как «элементы, которые образуют положительные ионы, теряя электроны в ходе химических реакций» (Blaber, 2015).

Рисунок 3. Периодическая таблица, показывающая все элементы, разделенные на металлы, неметаллы и металлоиды.

Таблица 1. Список типичных физических свойств металлов.

Физические свойства большинства металлов
Твердое при комнатной температуре
Жесткий
Высокая плотность
Высокая температура плавления
Высокая температура кипения
Ковкий
Пластичный
Блестящий

Что делает металлы хорошими проводниками тепла?

Что делает металл хорошим проводником тепла, так это свободно текущих электронов проводимости .

Рис. 4. Металлический блок, который нагревается, показывая атомы и свободно текущие электроны.

Атомы металлов выделяют валентные электроны при химической реакции с атомами неметаллов, например образуя оксиды и соли. Таким образом, ионы металлов являются катионами в водном растворе. Что делает металлы и их сплавы хорошими проводниками, так это особая металлическая связь. В металлических твердых телах связанные атомы разделяют свои валентные электроны, образуя море свободно движущихся электронов проводимости, которые несут как тепло, так и электрический заряд.Итак, в отличие от, например, электронов в ковалентных связях, валентные электроны в металле могут свободно течь через металлические латексы, эффективно неся тепло, не будучи привязанными к отдельному атомному ядру.

Математическое моделирование значения теплопроводности (k)

Теплопроводность (k) измеряет способность объекта проводить тепло (Q).

Высокое значение k: Высокая теплопроводность

Рис. 4. Лист материала с уравнением теплопроводности.

Дано:

k = теплопроводность (Вт / м • K),

ΔQ = передача энергии (Джоуль / сек),

Δt = изменение времени (секунды),

ΔT = температурный градиент (K),

A = площадь теплопроводности (м 2 ),

Δx = толщина материала.

Значения теплопроводности металлов и сплавов

В следующих таблицах показана теплопроводность некоторых металлов и сплавов при комнатной температуре.

Таблица 2. Список типичных физических свойств металлов.

Металлы Теплопроводность
при комнатной температуре (Вт / м • К)
Алюминий 226
Алюминиевый сплав (Al Mg 2,5-5,0) 125
Углеродистая сталь 71
Магний 151
Латунь (желтый) 117
Бронза (алюминий) 71
Медь 397
Утюг 72
Нержавеющая сталь (446) 23
Стальной сплав 8620 (литье) 46
Сталь углеродистая марки 1020 (0.2 — 0,6 в) 71
Вольфрам 197
Свинец 34
Никель 88
Сталь углеродистая тип 1020 (0,2 — 0,6 с) 71
цинк 112
Титан 21
Олово 62

Примечание. Медь и алюминий имеют наивысшее значение теплопроводности (k).Проверьте нашу базу данных материалов.

Использование обычных металлов и сплавов в таблице выше

Металлы и сплавы (материалы, состоящие из комбинации металлов) используются в качестве строительных материалов в различных отраслях промышленности, таких как электроника, машиностроение, лабораторное оборудование, медицинские приборы, товары для дома и строительство.

Наибольшее значение теплопроводности для металлов обнаружено у серебра (-429 Вт / м • К), меди (-398 Вт / м • К) и золота (-315 Вт / м • К).

Металлы очень важны в производстве электроники, так как они хорошо проводят электричество.Медь, алюминий, олово, свинец, магний и пластик часто используются для изготовления деталей телефонов, ноутбуков, компьютеров и автомобильной электроники. Медь экономична и используется для электропроводки. Свинец используется для оболочки кабеля и изготовления аккумуляторов. Олово используется для изготовления припоев. Магниевые сплавы используются в производстве по новой технологии, так как они легкие. Пластик используется для изготовления деталей электроники, которые не должны проводить электричество, а титан используется для производства пластика.

Металлы также важны в машиностроении.Алюминий часто используется в производстве деталей автомобилей и самолетов, а также в качестве сплава, поскольку его чистая форма непрочна. Автомобильное литье изготавливается из цинка. Железо, сталь и никель — обычные металлы, используемые в строительстве и инфраструктуре. Сталь — это сплав железа и углерода (и часто других элементов). Увеличение содержания углерода в стали создает углеродистую сталь, которая делает материал более прочным, но менее пластичным. Углеродистая сталь часто используется в строительных материалах. Латунь и бронза (медь, легированная цинком и оловом, соответственно) обладают полезными свойствами поверхностного трения и используются для замков, петель и рам дверей и окон соответственно.

Наконец, традиционно нити накала ламп дневного света изготавливаются из вольфрама. Однако они постепенно сокращаются, поскольку только около 5% мощности преобразуется в свет в таком источнике света, а остальная часть энергии преобразуется в тепло. Современные источники света часто основаны на светодиодной технологии и полупроводниках.

В заключение, теплопроводность металла очень важна для проектирования любой конструкции. Это неотъемлемая часть безопасности, эффективности и новых инноваций в отраслях.Электроны проводника являются механизмом высокой проводимости металлов по сравнению с неметаллическими материалами. Однако значение теплопроводности (k) также может сильно различаться для разных металлов.

Список литературы

Шредер, Д. В. (2018). Введение в теплофизику. Индия: Служба образования Pearson India.

База данных материалов — Термические свойства. (нет данных). Получено с https://thermtest.com/materials-database

Алюминиевые сплавы 101. (9 марта 2020 г.).Получено с https://www.aluminium.org/resources/industry-standards/aluminium-alloys-101

.

Elert, G. (нет данных). Проведение. Получено с https://physics.info/conduction/

.

Блабер, М. (3 июня 2019 г.). 9.2: Металлы и неметаллы и их ионы. Получено с https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Chemistry/Map:_General_Chemistry_(Petrucci_et_al.)/09:_The_Periodic_Table_and_Some_Atomic_Properties/9.2:_Metals_and_Nonmetals_Ions_and_

Теплопроводность.(нет данных). Получено с http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/thercond.html

.

Диоксид титана для пластмасс. (нет данных). Получено с https://polymer-additives.specialchem.com/centers/titanium-dioxide-for-plastics-center

Сандхана, Л., и Джозеф, А. (6 марта 2020 г.). Что такое углеродистая сталь? Получено с https://www.wisegeek.com/what-is-carbon-steel.html

.

(нет данных). Получено с http://www.elementalmatter.info/element-aluminium.html

.
Изображения

Изображение 1.A: Мохамед, М. (2019). Кулинария [Иллюстрация]. Получено с https://pxhere.com/en/photo/1584957.

Изображение 1.B: Мохамед, М. (2019). Шеф-повар Кулинария [Иллюстрация]. Получено с https://pxhere.com/en/photo/1587003.

Изображение 2: Википедия. Термометр [Иллюстрация]. Получено с https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/70/Thermometer_CF.svg

.

Автор: Селен Йилдыр | Младший технический писатель | Thermtest

SMART и токопроводящие ткани, пряжа или ткани

Следующий JEC world пройдет с 8 по 10 марта 2022 года! … Сделайте перчатки тактильными! используйте нашу кондукторную швейную нить SILVERPAM

Металлическая нагревательная или токопроводящая пряжа и гибкие конструкции для технического текстиля или композитов функционализация:

Мы проектируем и производим гибкую, металлическую, токопроводящую или нагревательную пряжу для передачи энергии или функциональности материалов.
Вы можете разместить их в тканях или встроить в гибкие конструкции или композиты.

Что мы подразумеваем под

Передача энергии :

  • Электроэнергия
  • Оптическая энергия
  • Тепловая энергия (передача, контролируемая материалами или жидкостями)

Что мы подразумеваем под

проводящими или резистивными волокнами :

  • ультратонкие волокна или мультифиламенты из сплавов металлов или нержавеющей стали;
  • Волокна металлические, привитые или с покрытием
  • Многокомпонентная пряжа с добавками термопластов или смол
  • Оптоволокно
  • Капилляры или микротрубки для теплоносителей

Что мы подразумеваем под

гибкими конструкциями :

  • Металл или нержавеющая сталь Устойчивые к высоким температурам микроволокна, ленты или пряжа:
  • В виде токопроводящих жил:
  • На основе гибких функциональных тканей:

Металлические нагревательные или токопроводящие волокна, пряжа и гибкие конструкции


для функционализации тканей или композитов SMART

Особое внимание уделяется нескольким проводящим материалам

Мы работаем с рядом ультратонких металлических или проводящих волокон, выбранных с учетом их особых свойств.

Трансверсальность: мы используем много технологий трансформации текстиля

Благодаря собственным производственным мощностям или известным партнерам мы оптимизируем свойства наших функциональных материалов для удовлетворения потребностей наших клиентов.

Работаем на трех основных рынках

    Нагревательные нити или ткани для функциональности многослойных или композитных деталей

    Гибкие элементы для электроники: смарт-текстиль, антенны RFID, подключаемая одежда, подключение

    Высокотемпературная фильтрация и катализ горячих газов

Во что мы верим:

«Самый большой инновационный потенциал лежит на перекрестке материалов, технологий и человека»

«Прошлые или будущие инновации очень часто вдохновляются чем-то, что уже существует в Природе!»

Коэффициент проводимости

— обзор

11.4.4.1. Решения для ламинарных моделей.

Прогоны для ламинарных модельных решений были выполнены с контрольным объемом 80 × 80 в растянутой сетке, как показано на рисунке 11.66B. Настоящие результаты были получены при ϕ = 0,8, а число Прандтля и отношение проводимости между твердой и жидкой фазами приняты за единицу. Доступная литература показывает, что для области, отличной от Дарси (Merrikh and Mohamad, 2002), поток жидкости и теплопередача зависят от числа Рэлея жидкости Ra f и числа Дарси Da , когда другие параметры (например,g., пористость, число Прандтля и отношение проводимости между жидкостью и твердой матрицей) фиксированы.

Рисунок 11.66. (A) Рассматриваемая геометрия; (B) расчетная сетка.

Следовательно, здесь пористость, число Прандтля и коэффициент проводимости оставались фиксированными. Также важно подчеркнуть, что все опыты были выполнены без вклада термической дисперсии, K disp . Однако несколько случаев, учитывающих влияние теплового рассеивания на число Нуссельта, также были рассчитаны, чтобы показать его влияние на общий перенос тепла.

В таблице 11.12 показаны некоторые предыдущие результаты ламинарных расчетов для Ra м в диапазоне от 10 до 10 4 . В таблице 11.13 показано среднее число Нуссельта для различных чисел Дарси для Ra м в диапазоне от 10 до 10 4 . Из таблицы 11.13 ясно видно, что для фиксированного Ra м , чем ниже проницаемость, тем выше среднее число Нуссельта на горячей стенке. Очевидно, что разные комбинации Ra f и Da дают разные результаты теплопередачи.Увеличение числа Рэлея жидкости увеличивает естественную конвекцию внутри корпуса. Поскольку Ra м является фиксированным, более высокое число Рэлея жидкости связано с менее проницаемой средой (то есть более низким числом Дарси). Из таблицы 11.13 также ясно видно, что числа Нуссельта, вычисленные с использованием тепловой дисперсии, выше, чем числа, вычисленные без нее, для Да = 10 −7 . Кажется очевидным, что этот дополнительный механизм увеличивает теплоотдачу.Таблица 11.13 также показывает, что для более высоких значений Ra m влияние тепловой дисперсии на числа Нуссельта более выражено. Однако вычислительные затраты из-за включения этого механизма значительно возрастают (но здесь это не показано). По сравнению с результатами таблицы 11.12, более точное моделирование было получено для сред с более низкой проницаемостью.

Таблица 11.12. Предыдущие ламинарные численные результаты для средних чисел Нуссельта для Ra м , в диапазоне от 10 до 10 4

Ra м
10 10 2 10 3 10 4
Уокер и Хомси (1978) — 3.097 12,96 51,0
Бежан (1979) — 4,2 15,8 50,8
Beckermann et al. (1986) — 3,113 — 48,9
Гросс и др. (1986) — 3,141 13,448 42,583
Маноле и Лаге (1992) — 3,118 13,637 48.117
Moya et al. (1987) 1.065 2.801 — —
Байтас и Поп (1999) 1.079 3.16 14.06 48.33

Таблица 11.13. Поведение средних чисел Нуссельта для различных значений Da для Ra м , в диапазоне от 10 до 10 4

9038 на горячей стенке для квадратной полости при x = 0 определяется как

(11,59) Nu = hL / keff∴Nu = (∂ 〈T〉 v∂x) x = 0LTH − TC

и среднее значение Нуссельта. номер:

(11.60) Nu¯ = 1H∫0HNudy

На рис. 11.67 показаны линии тока и изотермы для ламинарного модельного раствора в квадратной полости, заполненной пористой средой для Ra м в диапазоне от 10 3 до 10 6 . Полость нагревается с левой стороны и охлаждается с противоположной стороны. Две другие стены остаются изолированными.

Рисунок 11.67. Изотермы и линии тока ламинарного модельного решения для квадратной полости, заполненной пористым материалом с ϕ = 0.8, Da = 10 −7 и K disp = 0.

Для более низких значений числа Рэлея, Ra м ≤10 2 (здесь не показаны), изотермы почти параллельны нагретым стенкам, что указывает на то, что большая часть теплопередачи происходит за счет теплопроводности, в то время как линии тока одиночный вихрь с центром в центре квадратной полости.

На высоте Ra м = 10 3 , рисунок 11.67B, линии тока представляют собой эллиптический сплющенный вихрь.В отличие от случая с прозрачной полостью, пористая матрица делает поток более интенсивным вблизи нагретых и охлаждаемых стенок и демпфирует в центре из-за наличия пористой матрицы. Соответствующие изотермы показаны на рисунке 11.67A. Усиление естественной конвекции начинает искажать изотермы. Вихрь возникает из-за горизонтального градиента температуры по сечению. Этот градиент, δ T / δ y , везде отрицательный, что дает вертикальное вращение по часовой стрелке.

При увеличении Ra м до 10 4 , рисунок 11.67D, центральный вихрь становится прямоугольным, а эффект конвекции более выражен на изотермах, как это видно на рисунке 11.67C. Схема потока включает первичную ячейку с относительно высокой скоростью, циркулирующую по всей полости. Температурные градиенты сильнее у вертикальных стенок, но уменьшаются в центре.

Для более высоких значений чисел Рэлея, Ra м = 10 5 и 10 6 , поток движется быстрее вблизи нагретых стенок (рисунок 11.67F и H), а изотермы, как правило, представляют стратификацию теплового поля (рис. 11.67E и G) соответственно.

Новый подход к моделированию эффективной теплопроводности керамических пористых сред с использованием обобщенного самосогласованного метода

  • 1.

    Nield DA, Bejan A (2006) Конвекция в пористых средах, 3-е изд. Спрингер, Нью-Йорк

    MATH Google Scholar

  • 2.

    Hasert M, Bernsdorf J, Roller S (2011) Моделирование решеточно-Больцмановского течения не-Дарси в пористых средах.Proc Comput Sci 4: 1048–1057

    Статья МАТЕМАТИКА Google Scholar

  • 3.

    Kou J, Wu F, Lu H, Xu Y, Song F (2009) Эффективная теплопроводность пористых сред на основе статистического самоподобия. Phys Lett A 374: 62–65

    Статья МАТЕМАТИКА Google Scholar

  • 4.

    Kamseu E, Nait-Ali B, Bignozzi MC, Leonelli C, Rossignol S, Smith DS (2012) Зависимость от объемного состава и микроструктуры эффективной теплопроводности пористых неорганических полимерных цементов.J Eur Ceram Soc 32: 1593–1603

    Статья Google Scholar

  • 5.

    Канторович И.И., Бар-Зив Э. (1999) Теплообмен в высокопористых гольцах: обзор. Int J Fuel 78: 279–299

    Артикул Google Scholar

  • 6.

    Гранджин С., Абси Дж., Смит Д.С. (2006) Численные расчеты теплопроводности пористой керамики на основе микрофотографий. J Eur Ceram Soc 26: 2669–2676

    Статья Google Scholar

  • 7.

    Wang J, Carson JK, North MF, Cleland DJ (2006) Новый подход к моделированию эффективной теплопроводности гетерогенных материалов. Int J Heat Mass Transf 49: 3075–3083

    Артикул МАТЕМАТИКА Google Scholar

  • 8.

    Park YK, Lee JK, Kim JG (2008) Новый подход к прогнозированию теплопроводности композитов с покрытыми сферическими наполнителями и несовершенной границей раздела. Int J Mater Trans 49: 733–736

    Статья Google Scholar

  • 9.

    Bourret J, Tessier-Doyen N, Naït-Ali B, Pennec F, Alzina A, Peyratout CS, Smith DS (2013) Влияние объемной доли пор на теплопроводность и механические свойства пен на основе каолина. J Eur Ceram Soc 33: 1487–1495

    Артикул Google Scholar

  • 10.

    Boomsma K, Poulikakos D (2001) Об эффективной теплопроводности трехмерной структурированной жидко-насыщенной металлической пены. Int Commun. Heat Mass Transf 44: 827–836

    Статья МАТЕМАТИКА Google Scholar

  • 11.

    Huai X, Wang W, Li Z (2007) Анализ эффективной теплопроводности фрактальных пористых сред. Appl Therm Eng 27: 2815–2821

    Артикул Google Scholar

  • 12.

    Бхоопал Р.С., Шарма П.К., Сингх Р., Кумар С. (2013) Эффективная теплопроводность полимерных композитов с использованием локальных фрактальных методов. Int J Innovol Technol Explor Eng (IJITEE) 2: 95–100

    Google Scholar

  • 13.

    Sanjaya CS (2011) Влияние размера пор на теплопередачу через пористую среду. Кандидат наук. докторская диссертация, Национальный университет Сингапура, Сингапур, Гражданская и экологическая инженерия

  • 14.

    Радхакришнан А., Лу З., Кандликар С.Г. (2010) Эффективная теплопроводность газодиффузионных слоев, используемых в PEMFC: измерена методом защищенной горячей пластины и предсказывается фрактальной моделью. ECS Trans 33: 1163–1176

    Статья Google Scholar

  • 15.

    Tariku F, Kumaran K, Fazio P (2010) Переходная модель для совместного теплопереноса, переноса воздуха и влаги через многослойную пористую среду. Int J Heat Mass Transf 53: 3035–3044

    Артикул МАТЕМАТИКА Google Scholar

  • 16.

    Versteeg HK, Malalasekera W (2007) Введение в вычислительную гидродинамику, 2-е изд. Pearson Education Limited, Харлоу

    Google Scholar

  • 17.

    Бежан А. (1995) Конвекционная теплопередача, 2-е изд. Уайли, Нью-Йорк

    MATH Google Scholar

  • 18.

    Вафай К. (2005) Справочник по пористым средам, 2-е изд. Taylor & Francis Group LLC, Бока-Ратон

    MATH Google Scholar

  • 19.

    Ян К., Вафай К. (2011) Анализ бифуркации теплового потока внутри пористой среды с учетом инерционных и дисперсионных эффектов — точное решение.Int J Heat Mass Transf 54: 5286–5297

    Статья МАТЕМАТИКА Google Scholar

  • 20.

    Нильд Д.А. (2012) Заметка о локальном тепловом неравновесии в пористой среде вблизи границ и границ раздела. Transp Porous Media 95: 581–584

    MathSciNet Статья Google Scholar

  • 21.

    Ян К., Вафай К. (2010) Анализ бифуркации градиента температуры в пористой среде — точное решение.Int J Heat Mass Transf 53: 4316–4325

    Статья МАТЕМАТИКА Google Scholar

  • 22.

    Minkowyc WJ, Haji-Sheikh A, Vafai K (1999) Об отклонении от локального теплового равновесия в пористой среде из-за быстро меняющегося источника тепла: числа Воробья. Int J Heat Mass Transf 42: 3373–3385

    Статья МАТЕМАТИКА Google Scholar

  • 23.

    Хезрабади М.Н., Нагизаде Р., Ассадоллахпур П., Мирхоссейни С.Х. (2007) Исследование свойств и микроструктуры кордиеритовой керамики с муллитом.J Ceram Process Res 8: 431–434

    Google Scholar

  • 24.

    Kamseu E, Nait-Ali B, Bignozzi MC, Leonelli C, Rossignol S, Smith DS (2012) Зависимость эффективной теплопроводности пористых неорганических полимерных цементов от объемного состава и микроструктуры. J Eur Ceram Soc 32: 1593–1603

    Статья Google Scholar

  • 25.

    Барриос М., Ван Скивер С.В. (2013) Теплопроводность изоляции из жесткого пенопласта для аэрокосмических аппаратов.Криогеника 55: 12–19

    Статья Google Scholar

  • 26.

    Tseng CJ, Yamaguchi M, Ohmori T (1997) Теплопроводность пенополиуретана от комнатной температуры до 20 K. Криогеника 37: 305–312

    Article Google Scholar

  • 27.

    Стюарт Дж. (1994) Влияние морфологии на теплопередачу пенополиуретана. Магистр наук, Массачусетский технологический институт, Массачусетс, машиностроение

  • 28.

    Goodson CC (1997) Моделирование микроволнового нагрева муллитовых стержней. Магистерская диссертация, Политехнический институт Вирджинии и Государственный университет, Вирджиния, Машиностроение

  • 29.

    Clauser C (2011) Тепловые свойства хранения и переноса горных пород, I: Теплоемкость и скрытая теплота, энциклопедия геофизики твердой земли, 2-е edn. Springer, Дордрехт

    Google Scholar

  • 30.

    Такеда М., Ониши Т., Накакубо С., Фудзимото С. (2009) Физические свойства окалины оксида железа на Si-содержащих сталях при высокой температуре.Mater Trans 50: 2242–2246

    Артикул Google Scholar

  • 31.

    Mahbubul IM, Fadhilah SA, Saidur R, Leong KY, Amalina MA (2013) Термофизические свойства и теплопередача нанохладагентов Al 2 O 3 / R-134a. Int J Heat Mass Transf 57: 100–108

    Статья Google Scholar

    • Документация MEEP

    Документация MEEP
    • Руководство
    • Введение
    • Скачать
    • FAQ
    • Установка
    • Сборка из исходников
    • Благодарности
    • Лицензия и авторские права

    Характеристики

    • Материалы
    • Субпиксельное сглаживание
    • Использование симметрии
    • идеально согласованных слоев
    • Параллельный звук
    • Синхронизация магнитного и электрического полей
    • Разложение мод
    • Полевые функции
    • Функция Run — это не цикл
    • Решетка Йи
    • Единицы и нелинейность
    • 2d ячейка с волновым вектором вне плоскости
    • Собственный анализатор в частотной области

    Интерфейс Python

    • Пользовательский интерфейс
    • Информация для разработчиков
    • Учебное пособие / Основы
    • Учебное пособие / Цилиндрические координаты
    • Учебное пособие / Резонансные режимы и передача в волноводной полости
    • Учебное пособие / Дисперсия материалов
    • Учебное пособие / Генерация третьей гармоники
    • Учебное пособие / Спектры ближнего и дальнего поля
    • Учебное пособие / Локальная плотность состояний
    • Учебное пособие / Оптические силы
    • Учебное пособие / Гиротропные среды
    • Учебное пособие / Многоуровневая атомная восприимчивость
    • Учебное пособие / Решатель частотной области
    • Учебное пособие / Источник собственных мод
    • Учебное пособие / Пользовательский источник
    • Учебное пособие / Разложение режимов
    • Учебное пособие / Импорт GDSII
    • Учебное пособие / Дополнительный решатель

    Схема интерфейса

    • Пользовательский интерфейс
    • Учебное пособие / Основы
    • Учебное пособие / Цилиндрические координаты
    • Учебное пособие / Резонансные режимы и передача в волноводной полости
    • Учебное пособие / Дисперсия материалов
    • Учебное пособие / Генерация третьей гармоники
    • Учебное пособие / Спектры ближнего и дальнего поля
    • Учебное пособие / Локальная плотность состояний
    • Учебное пособие / Оптические силы
    • Учебное пособие / Гиротропные среды
    • Учебное пособие / Многоуровневая атомная восприимчивость
    • Учебное пособие / Решатель частотной области
    • Учебное пособие / Источник собственных мод
    • Учебное пособие / Пользовательский источник
    • Учебное пособие / Разложение режимов
    • Учебник / Силы Казимира
    • Информация о хитрости и схеме

    Интерфейс C ++

    • Информация для разработчиков
    • Чанки и симметрия
    • Учебное пособие / Основы
    Документация MEEP
    • Документы »

    Страница не найдена

    Создан с помощью MkDocs с использованием темы, предоставленной Read the Docs.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    Da Ra м
    K disp 10 10 2 10 3 10 4
    10 -7 K disp задано по (10) 1.0907 3.0866 12.9641 41.7693
    10 −7 K disp = 0 1.0902 3.0831 12.8930 38.6494
    K disp = 0 1.0908 3.0979 13,2751 43,5799
    10 −9 K disp = 0 1.0910 3,0985 13,3848 46,1659
    10 −10 K disp = 0 1.0912 3.1016 13.4289 47.2653