Носитель — электрический ток — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Носитель — электрический ток

Cтраница 1

Носители электрического тока не связаны с атомами и одинаковы во всех металлах. В металлический проводник, по которому идет постоянный ток, с одного конца входит такое же количество этих носителей тока, какое выходит с другого его конца, и заряд проводника при этом не изменяется.  [1]

Носителями электрического тока в растворах электролитов являются катионы и анионы. Причем разряд катионов на катоде и анионов на аноде осуществляется одновременно и в эквивалентных количествах.  [2]

Носителями электрического тока в полупроводнике с донорной примесью являются электроны, которые переходят с примесных уровней в зону проводимости. Следовательно, проводимость имеет электронный характер, а вещество с такой проводимостью называется полупроводником п-типа.  [3]

Носителями электрического тока в жидкостях являются ионы, которые образуются при распаде ( диссоциации) молекул.  [4]

Носителями электрического тока в проводниках первого рода являются электроны, в проводниках второго рода — ионы. При этом отрицательные ионы и электроны движутся к положительному полюсу источника тока, а положительно заряженные ионы — к отрицательному полюсу. Электрический ток может быть постоянным и переменным.  [5]

Концентрацию носителей электрического тока ( электронов и дырок) можно изменять, воздействуя па полупроводник светом, частота которого достаточна для того, чтобы переводить электроны из валентной зоны в зону проводимости. При включении источника света концентрация носителей начинает увеличиваться, приближаясь к новому — большему — значению. При выключении света она уменьшается до прежней величины. Время установления нового значения ( или возврата к старому) сильно меняется от образца к образцу. Это происходит потому, что указанное время зависит не только от количества донорных и акцепторных примесей в полупроводнике, но и от количества и вида имеющихся в кристалле дефектов. Дефекты играют для электронов и дырок роль ловушек и существенно убыстряют рекомбинацию: от — 10 — 2 с в очень чистых и тщательно изготовленных: образцах до 10-в с в образцах худшего качества.  [6]

В случае неионных кристаллов носители электрического тока имеют несколько иную природу. Тепловое движение ионизует отдельные нейтральные атомы или молекулы и вырывает из них электроны. Последние движутся вдоль решетки.  [7]

Согласно зонной теории проводимости носителями электрического тока в твердых телах являются электроны зоны проводимости.  [8]

Эффект Томсона заключается в передаче теплоты носителями электрического тока при неравномерном нагреве проводника.  [9]

Эффект Томсона заключается в переносе тепла носителями электрического тока. Он может быть положительным или отрицательным и приводит к смещению максимума температуры в контакте от середины: при положительном эффекте максимум смещается в направлении переноса тока, при отрицательном — в противоположном направлении.  [11]

Какие опыты были поставлены для выяснения природы носителей электрического тока в металлах.  [12]

Рассмотрим описанное явление с точки зрения движения действительных носителей электрического тока

в металлах-электронов.  [13]

Таким образом, было окончательно установлено, что носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.  [14]

Валентные электроны, не связанные с атомами, служат носителями электрического тока. Валентные электроны, покинувшие атомы твердого тела, перемещаются между атомами под воздействием внешнего электрического поля. Их направленное движение и представляет собой электрический ток.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Эксперименты по определению носителей электрического тока

На главную страницу

Анализ первых экспериментов по поиску носителей электрического тока

 

 

       Эксперименты по определению носителей электрического тока были проведены в начале двадцатого века. По их итогам были сделаны выводы, что носителями электрического тока являются электроны проводимости.

       Однако за время, прошедшее с начала двадцатого века, накопилось большое количество экспериментов, показавших, что электроны проводимости не могут быть носителями электрического тока. Таким образом, вопрос о носителях электрического тока остался открытым. Это позволяет возобновить поиск носителей электрического тока.

Повторный поиск носителей электрического тока, действительно переносящих электрический ток, начнём с анализа экспериментов по определению носителей электрического тока, которые уже были проведены. Этот анализ позволит выяснить причину того, что эксперименты по поиску носителей электрического тока не были доведены до конца. После этого  определим, какие эксперименты следует провести дополнительно.

Эксперименты по определению носителей электрического тока в начале двадцатого века проводились по упрощённой схеме. По результатам этих экспериментов предполагалось выбрать один из двух носителей электрического тока – атомы вещества или электроны. Другие варианты не рассматривались.

Однако если бы до постановки экспериментов учитывалась способность электрического тока образовывать магнитное поле и его скорость, и то ещё до начала экспериментов было бы ясно, что ни атомы вещества, ни свободные электроны не могут быть носителями электрического тока.

Первой причиной, по которой эксперименты не могли дать окончательного ответа по носителям электрического тока, является отсутствие физического механизма преобразования направленного движения  электронов и ионов в магнитное поле проводника с током.

Второй причиной, по которой ионы вещества и электроны не могут быть носителями электрического тока, является скорость электрического тока. Скорость электрического тока равна скорости света. Такую скорость нельзя осуществить ионами, атомами вещества и электронами.

Согласно теории относительности Эйнштейна, частицы вещества, имеющие не нулевую массу покоя, не могут достичь скорости света.

       В металлах направленная скорость электронов ещё меньше. Максимальная направленная скорость электронов для разных плотностей электрического тока составляет примерно 0,1 мм/сек. Эта скорость сильно не дотягивает до скорости света.

        Это означает, что проведённые эксперименты по определению носителей электрического тока имели предварительный характер, и их нужно было продолжить, что не было сделано.

Проведём анализ первых экспериментов по поиску носителей электрического тока.

«Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т.е. электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки металла. Это представление о природе носителей тока в металлах основывается на электронной теории проводимости металлов, созданной немецким физиком П. Друде (1863 — 1906) и разработанной впоследствии нидерландским физиком Х. Лоренцем, а также на ряде классических опытов, подтверждающих положения электронной теории.

Первый из таких опытов — опыт К. Рикке (1901), в котором в течение года электрический ток пропускался через три последовательно соединенных с тщательно отшлифованными торцами металлических цилиндра (Сu, Al, Cu) одинакового радиуса. Несмотря на то, что общий заряд, прошедший через эти цилиндры, достигал огромного значения (Кл), никаких, даже микроскопических, следов переноса вещества не обнаружилось. Это явилось экспериментальным доказательством того, что ионы в металлах не участвуют в переносе электричества, а перенос заряда в металлах осуществляется частицами, которые являются общими для всех металлов. Такими частицами могли быть открытые в 1897г. английским физиком Д. Томсоном (1856 — 1940) электроны.» [1]

Эксперимент показал, что электроны участвуют в процессе прохождения электрического тока, но из этих экспериментов не следует, что именно они являются носителями электрического тока. Этот эксперимент не доказал, что направленное движение электронов может достигнуть скорости света. Также  из этого эксперимента нельзя понять, почему электрический ток образует магнитное поле.  

Рассмотрим второй эксперимент, по результатам которого был  сделан вывод, что носителями электрического тока являются  электроны проводимости. 

«Для доказательства этого предположения необходимо было определить знак и величину удельного заряда носителей (отношение заряда носителя к его массе). Идея подобных опытов заключалась в следующем: если в металле имеются подвижные, слабо связанные с решеткой носители тока, то при резком торможении проводника эти частицы должны по инерции смещаться вперед, как смещаются вперед пассажиры, стоящие в вагоне при его торможении. Результатом смещения зарядов должен быть импульс тока; по направлению тока можно определить знак носителей тока, а, зная размеры и сопротивление проводника, можно вычислить удельный заряд носителей.

          Идея этих опытов (1913) и их качественное воплощение принадлежало российским физикам С.Л. Мандельштаму  (1879 — 1944) и Н.Д. Папалекси (1880 — 1947). Эти опыты в 1916 году были усовершенствованы и проведены американским физиком Р. Толменом (1881 — 1948) и ранее шотландским физиком Б. Стюартом (1828 — 1887). Ими экспериментально доказано, что носители тока в металлах имеют отрицательный заряд, а их удельный заряд примерно одинаков для всех исследованных металлов. По значению удельного заряда носителей электрического тока и по определенному ранее                          Р. Милликеном элементарному электрическому заряду была определена их масса. Оказалось, что значения удельного заряда и массы носителей тока и электронов, движущихся в вакууме, совпадали. Таким образом, было окончательно доказано, что носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.

Существование свободных электронов в металлах можно объяснить следующим образом: при образовании кристаллической решетки металла (в результате сближения изолированных атомов) валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомными ядрами, отрываются от атомов металла, становятся «свободными» и могут перемещаться по всему объему. Таким образом, в узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный электронный газ, обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.»[1]

Эксперимент по возбуждению инерционного тока показал, что при резком торможении электроны в металле могут быть источником тока (за счёт сил инерции). Также этот эксперимент показал, что электроны проводимости участвуют в процессе прохождения электрического тока.

Но этот эксперимент не доказал, что носителями электрического тока являются именно свободные электроны.

Не учтёнными остались основные свойства электрического тока – скорость электрического тока, равная скорости света и его способность образовывать магнитное поле.

«Проводник, по которому протекает электрический ток, всегда окружен магнитным полем, причём магнитное поле появляется и исчезает вместе с появлением или исчезновением электрического тока. Магнитное поле, подобно электрическому, является носителем энергии. Естественно предположить, что энергия магнитного поля равна работе, которая затрачивается током на создание этого поля.»[1]

Если бы в анализе экспериментов по определению носителей электрического тока было принято во внимание, что скорость электрического тока равна скорости света, и проведён анализ результатов экспериментов М. Фарадея по изучению индукционного тока, проведённые значительно раньше, то эксперименты были бы продолжены, и электроны не были бы назначены носителями электрического тока.    

Анализ экспериментов М. Фарадея в качестве этапа по определению носителей электрического тока, будет проведён в следующей статье.

     

         

   Литература

 

1.  Трофимова Т. И. Курс Физики. «Высшая школа». М.,1997.

2.  Дрюков В.М. О чём молчат физики. Тула, 2004.

3.  http://drjukow.narod.ru/ 

2. Дрюков В.М. Физика. Дополнительные материалы. Тула изд. ООО Аквариус. 2021

 

Поиск носителей электрического тока

Электрический ток в вакууме

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рассмотрим некоторые свойства электронных пучков.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

19.1. Носители тока в газах

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

1.Какие частицы являются носителями электрического тока в газах? а) Только электроны б)

колесо велосипела имеет радиус 25 см. определите частоту вращения колеса, если велосипел едет со скоростью 2м/спомогите​

сталева посудина це речовина чи фізичне тіло​

СРОЧНООООО ПОМОГИТЕ!!!! 50 БАЛЛОВ!!!!перед початком поїздки на одометрі автомобіля зафіксовано 40 280 км. Автомобіль проїхав 30 км прямолінійно, потім … здійснив поворот, проїхавши половину кола кільцевої дороги радіусом 20 км, і зупинився. Визначте переміщення автомобіля. Якими стали покази одометра?

СРОЧНООООООО!!!!! перед початком поїздки на одометрі автомобіля зафіксовано 40 280 км. Автомобіль проїхав 30 км прямолінійно, потім здійснив поворот, … проїхавши половину кола кільцевої дороги радіусом 20 км, і зупинився. Визначте переміщення автомобіля. Якими стали покази одометра?

Помгите пж, у меня 10 мин ДАМ 35 БАЛЛОВ

моделирование физических явления и процессов​

определить протекции векторов s1 и s2 на оси координат ОЧЕНЬ СРОЧНО​

ДЗ РО ФИЗИКЕ Подумайте и ответьте, не подглядывая в инет (др.с другом можно), и очень кратко (не зависая), но по сути ответьте на вопросы: 1. на как … ом языке говорит наука? 2. чему доверяет наука? 3. сила, масса, путь, объем — это физическая величина, то есть мера чего-то численная. она может быть измерена и быть конкретным числом. Но без чего не имеет смысла физическая величина? 4. метр, кг, секунда, год, фунт, миля — это все единицы измерения. Без чего не имеет смысла единица измерения, то есть она теряет всякую точность и значимость, если у нее нет чего? 5. талон — это некая данность, выражающая какую-нибудь характеристику (нагретость, сколько пространства занимает, цвет, яркость, громкость, длину и т.п.), которая не может быть иной или разной. то есть она всегда такая, какая есть, неизменная. поэтому для всех всегда одинаковая. какой эталон придумал Цельсий для градуса? к чему он «привязал» свой градус? что имеет везде одинаковую нагретость? 6. как можно пройти путь 2км, а переместиться на 1м? 7. от чего по вашему зависит сила гравитации вокруг планеты из-за которой происходит притяжение к ней 8. почему все измерения врут, то есть имеют погрешность? Какие три вещи делают невозможным абсолютную точность измерения? 9. что обязательно есть на измерительном приборе? 10 Как может быть скорость черепахи больше скорости пули?

підготувати повідомлення про температурну шкалу різних країн світу

Підготувати повідомлення про температурні шкали різних країн світу

Электрический ток, что это такое

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

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

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

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

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

Постоянный ток:

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

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

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

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

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

Генератор Ван Де Граафа:

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

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

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

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

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

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

По материалам: electrik.info.

Проектируем электрику вместе: Электрический ток в вакууме

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

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

Когда речь идет о вакууме, то многие почему-то считают, что это совсем пустое пространство. На самом же деле это не так, идет ли речь о замкнутой емкости, из которой откачан газ, или о межзвездном пространстве.
В технике и прикладной физике вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа и линейным размером вакуумной камеры. Если молекула пробегает от стенки к стенке камеры, не встречаясь с другими молекулами, то считают, что в сосуде создан вакуум, хотя в нем еще может быть очень много молекул. При глубоком вакууме молекула может много раз пролететь от стенки к стенке, прежде чем встретится с другой молекулой.
Откачать все молекулы из сосуда практически невозможно. Сверхвысоким вакуум считается при достижении давления ниже 10^– 9 мм рт.ст. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, а в дальнем космосе и вовсе может достигать 10^{– 16} мм рт.ст. Космический вакуум является наилучшим приближением к физическому вакууму, но и он не является совершенным, даже в межзвёздном пространстве есть как минимум несколько атомов водорода на кубический сантиметр. Кроме того, космическое пространство заполнено так называемым реликтовым излучением (состоящим из фотонов), а также большим количеством реликтовых нейтрино.
 
Носители электрических зарядов в вакууме

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

Поверхностный потенциальный барьер

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

Действительно, когда отдельные электроны покидают металл (на расстояния порядка атомных), в его поверхностном слое возникает избыточный положительный заряд за счет образования положительных ионов. Покинувшие металл электроны под  действием сил притяжения положительного заряда возвращаются обратно, в результате чего над поверхностью металла образуется «электронное облако» из выходящих и возвращающихся электронов, находящихся в динамическом равновесии.
Это «облако» вместе с наружным слоем положительных ионов металла образует двойной электрический слой, электрическое поле которого подобно полю плоского конденсатора. Толщина этого слоя равна нескольким межатомным расстояниям (10^{– 10} — 10^– 9 м). Он не создает электрического поля во внешнем пространстве, но образует поверхностный потенциальный барьер, препятствующий выходу электронов из металла.

Работа выхода

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

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

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

Термоэлектронная эмиссия

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

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

Вакуумный диод

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

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

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

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

О скорости движения электронов в вакууме

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

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

Применение термоэлектронной эмиссии

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

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


 

Эпизод 103: Токи и носители заряда

Заряд

Электричество и магнетизм

Эпизод 103: Токи и носители заряда

Урок для 16-19

• Время активности 50 минут
• Уровень Продвинутый

В этом эпизоде ​​есть две основные цели: представить ряд примеров, включающих различные типы носителей заряда, а также измерить токи и связать измеренный ток со скоростью потока заряда.

Краткое содержание урока

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

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

Демонстрация: идентификация носителей заряда

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

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

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

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

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

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

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

Демонстрация: электронный луч

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

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

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

Демонстрация: студенты проводят электричество

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

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

Электричество — Электрический ток — Физика 299

Электричество — Электрический ток — Физика 299

«Когда я оказываюсь в компании ученых, я чувствую себя жалким священником, сбившимся с пути ошибка в гостиную, полную герцогов »
W.Х. Оден

Электрический ток

• Электрический ток равен скорости прохождения заряда неподвижная точка в пространстве.


Сила тока измеряется в амперах: 1 Ампер = 1 кулон в секунду
Хотя из приведенного выше определения кажется, что ампер определяется в терминах кулона, на самом деле это ампер, который — основная единица, кулон — это дервивед.Ампер определяется как сила между двумя параллельными проводами, несущими текущий, как мы увидим позже.
• Важно понимать, что величина тока постоянная, независимо от поперечного сечения проводника. Если это было не так, тогда заряд мог бы «накапливаться» в точках вдоль дирижер.


• Когда вы щелкаете выключателем, мгновенно загорается лампочка. Фактически, течение движется со скоростью, близкой к скорости свет.Однако носители заряда, электроны в металлическая проволока движется с гораздо меньшей скоростью — скоростью дрейфа.
  Рассмотрим провод длиной l, сечением А, с проводимостью n. электронов в единице объема. Ток в проводе может быть письменный,

где e — заряд на электроне, а v _d — дрейфовая скорость.

• Плотность тока, Дж (А / м ² ) определяется по,

физически, J представляет движение заряда в определенном месте в пределах дирижер, эл.грамм. когда A большое, J маленькое, когда A маленькое J большой.
Общее соотношение между I и J:

Ток — это поток J через поверхность.

Важно: В Текущий, Я, является скалярная величина, а J — вектор. У меня есть «смысл» в том, что мы рисуем стрелки, чтобы обозначить его «направление», но не подчиняется правилам вектора алгебра.

• Историческая причуда. Направление тока определяется как направление в который будет двигаться положительным зарядом. Но в твердом металле проводниками носителями заряда являются электроны (отрицательные заряды) которые фактически движутся в противоположном направлении. Отрицательный заряды, движущиеся справа налево, в точности эквивалентны положительным заряды движутся слева направо.

Сопротивление

• В металлических проводниках электрическое поле и плотность тока находятся в одном направлении и пропорциональны друг друга,

где ρ — удельное сопротивление проводника — характеристика дирижер.Электропроводность проводящего материала равна определяется как, σ = 1 / ρ.
Для однородного проводника длиной l, сечением A имеем E = V / l и J = i / A, так что сопротивление проводника R определяется как,

Сопротивление измеряется в омах (Ом), тогда удельное сопротивление единиц ом.метр и проводимости (ом.метр) ^-1

• Важно: соотношение V = ИК НЕ Закон Ома !

Закон Ома:
«Если соотношение напряжение через проводник к току через она постоянна для всех напряжений, тогда проводник подчиняется закону Ома »

Закон Ома справедлив для металлических проводников, но не для таких устройств, как транзисторы, диоды и т. д. Отношение V = IR всегда можно использовать для определить сопротивление при некотором конкретном I и V для любого устройства.

• Даже в проводниках ток будет течь только между двумя точками A и B, когда

1. Существует разность потенциалов между A и B (производящая электрическое поле, которое заставляет заряды двигаться) и,
2. A и B образуют часть полной цепи.
   

Мощность

• Предположим, заряд dq перемещается из точки A в точку B, где разность потенциалов между A и B составляет V _AB , тогда энергия, выделяемая за время dt, определяется как

так что скорость, с которой энергия передаваемая (мощность), P, определяется как:

В единицах измерения можно утверждать, что Амперы x Вольт = Ватты.

• Форма «выделяемой» энергии зависит от электрический компонент, расположенный между A и B, для например,

• Двигатель — выделенная механическая энергия (работа)
• Аккумулятор — химическая энергия, хранящаяся в аккумуляторе
• Сопротивление — выделенная тепловая энергия (тепло)
  

Электродвижущая сила — «ЭДС»

• При обсуждении электрических схем вы можете встретить термин «ЭДС» — электромотив сила. Важно понимать, что ЭДС — это НЕ сила!

• Если устройство имеет «ЭДС», оно способно поддерживать разность потенциалов (напряжение). Так, например, аккумулятор поддерживает ЭДС между положительным и отрицательным терминалы.

• ЭДС устройства может быть определена как ε = dW / dq, где dW работа, проделанная над положительным зарядом dq при его взятии пересекает разность потенциалов устройства.в случай простой схемы с батареей (см. выше) в качестве заряд проходит через внешнюю (по отношению к батарее) цепь, теряет энергию. В схеме выше появляется энергия как тепло и свет в лампочке. Когда заряд возвращает АКБ ЭДС АКБ восполняет свою энергию.

• На этом вводном уровне мы можем рассмотреть ЭДС «источник» (аккумулятор, генератор и т. д.) должен быть точно эквивалентным к напряжению, обеспечиваемому источником.

• Направление ЭДС всегда представляет направление a положительный заряд переместится во внешнюю цепь. См. Схему справа. Направление ЭДС — это важный фактор, когда мы используем законы Кирхгофа для анализа схемы.

Внутреннее сопротивление

• Все ЭДС — батареи, генераторы и т. Д. — и электрические измерительные приборы — амперметры, вольтметры и т. д. — имеют «внутреннее сопротивление».

• Что касается схемотехнического анализа эти внутренние сопротивления могут быть просто рассматривать как резисторы последовательно с «идеальным» ЭДС / метр.

• Для амперметров (токоизмерительных приборов) цель: иметь как можно более низкое внутреннее сопротивление, чтобы ток не влияет.

• Для вольтметра внутреннее сопротивление должно быть не меньше насколько возможно.
  

В: Есть ли у света масса?
A: Конечно, нет. Это даже не католик !!!

Доктор К. Л. Дэвис
Физический факультет
Университет Луисвилля
электронная почта : [email protected]

Что такое электрический ток — Новости о хранении энергии, батареях, изменении климата и окружающей среде

Поток электрического заряда в проводнике между двумя точками с разным электрическим потенциалом называется электрическим током.Итак, для протекания электрического тока нам нужно следующее:

ü Движущийся электрический заряд

ü Подходящая среда, называемая проводником

ü Разница потенциалов между двумя точками

Носителями заряда могут быть электроны или ионы.

Металл или электролит могут быть подходящей средой, называемой электрическим проводником. Любая жидкость или гель, содержащие ионы и разлагаемые электролизом, называются электролитом.

Разница в электрической энергии между двумя точками называется разностью потенциалов между этими двумя точками.Как обсуждалось в предыдущем посте, электричество течет от точки с более высокой разностью потенциалов к точке с более низкой разностью потенциалов.

Единицей измерения электрического тока в системе СИ является ампер или ампер. Эта единица названа в честь физика Андре-Мари Ампера, который сформулировал закон силы Ампера, который стал основой для определения силы тока.

Электрический ток подразделяется на переменного тока, (также переменного или переменного тока) и постоянного тока, (также постоянного или постоянного тока) в зависимости от направления протекания тока.В постоянном токе электричество течет в одном направлении. Такая энергия вырабатывается батареями, солнечными элементами и т. Д. При переменном токе направление тока меняется на противоположное с фиксированными интервалами. Электроснабжение в наших домах и офисах осуществляется от сети переменного тока. Эти две формы показаны на рис. 1 .

Рисунок 1: Постоянный и переменный ток

Когда электрические заряды проходят через проводник, будь то металл, электролит или плазма, при столкновении движущихся заряженных частиц с атомами статического проводника выделяется тепло.Это тепло препятствует прохождению электричества. Самый распространенный пример этого явления — лампа накаливания. Если через некоторое время после включения прикоснуться к лампочке накаливания, вы почувствуете, что она горячая.

Провод, несущий электрический заряд, создает вокруг себя магнитное поле. Это было продемонстрировано Ампером и заложило основы электромагнетизма в физике. Обратное также верно. То есть, если проводящий провод помещен в изменяющееся магнитное поле, через него может протекать электричество.

Электрический ток — это то, что движет нашей жизнью, от вентиляторов, ламп, холодильников, телевизоров до ноутбуков и мобильных телефонов.Будь то предметы первой необходимости или предметы роскоши, нельзя отрицать, что крохотный электрон — это то, что заряжает их всех !!

Статьи по теме:

Ионы и электричество

Переменный ток

Закон силы Ампера

Носителей заряда. Полупроводник против проводника против изолятора

Структура энергетического диапазона

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

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

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

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

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

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

Носители заряда в полупроводниках

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

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

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

Энергия, необходимая для создания заряд несет полупроводники

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

измерения этой величины показывают почти линейная зависимость от ширины запрещенной зоны, и линейная аппроксимация данных, полученных для разные материалы дает [ 1 ]

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

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

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

Список литературы

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

Физика: Носитель заряда — HandWiki

Краткое описание
Частица, свободная для движения, несущая электрический заряд, особенно частицы, несущие электрические заряды в электрических проводниках

В физике носитель заряда — это частица или квазичастица, которая может свободно перемещаться, несущая электрический заряд, особенно частицы, которые несут электрические заряды в электрических проводниках. ^[1] Примерами являются электроны, ионы и дырки. В проводящей среде электрическое поле может воздействовать на эти свободные частицы, вызывая результирующее движение частиц через среду; это то, что составляет электрический ток. ^[2] В проводящих средах частицы несут заряд:

• Во многих металлах носителями заряда являются электроны. Один или два валентных электрона от каждого атома могут свободно перемещаться внутри кристаллической структуры металла. ^[3] Свободные электроны называются электронами проводимости, а облако свободных электронов называется ферми-газом. ^{[4] [5]} Многие металлы имеют электронные и дырочные зоны. В некоторых случаях большинство носителей — дырки. (Цитата?)
• В электролитах, таких как соленая вода, носителями заряда являются ионы, ^[5] , которые представляют собой атомы или молекулы, которые приобрели или потеряли электроны, поэтому они электрически заряжены. Атомы, получившие электроны и получившие отрицательный заряд, называются анионами, а атомы, потерявшие электроны и получившие положительный заряд, называются катионами. ^[6] Катионы и анионы диссоциированной жидкости также служат носителями заряда в расплавленных ионных твердых телах (см., Например, процесс Холла-Эру в качестве примера электролиза расплавленного ионного твердого вещества). Протонные проводники — это электролитические проводники, использующие в качестве носителей положительные ионы водорода. ^[7]
• В плазме, электрически заряженном газе, который находится в электрических дугах через воздух, неоновые вывески, солнце и звезды, электроны и катионы ионизированного газа действуют как носители заряда. ^[8]
• В вакууме свободные электроны могут действовать как носители заряда. В электронном компоненте, известном как вакуумная трубка (также называемый клапаном , ), мобильное электронное облако создается нагретым металлическим катодом с помощью процесса, называемого термоэлектронной эмиссией. ^[9] Когда электрическое поле прикладывается достаточно сильным, чтобы втянуть электроны в пучок, его можно назвать катодным лучом, и он является основой дисплея на электронно-лучевой трубке, широко используемого в телевизорах и компьютерных мониторах до тех пор, пока 2000-е гг. ^[10]
• В полупроводниках, материалах, используемых для изготовления электронных компонентов, таких как транзисторы и интегральные схемы, возможны два типа носителей заряда. В полупроводниках p-типа «эффективные частицы», известные как электронные дырки с положительным зарядом, движутся через кристаллическую решетку, создавая электрический ток. «Дырки», по сути, представляют собой электронные вакансии в электронном населенном пункте валентной зоны полупроводника и рассматриваются как носители заряда, поскольку они подвижны, перемещаясь от одного узла к другому.В полупроводниках n-типа электроны в зоне проводимости движутся через кристалл, в результате чего возникает электрический ток.

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

В полупроводниках

В полупроводниках есть два признанных типа носителей заряда. Один из них — электроны, несущие отрицательный электрический заряд. Кроме того, бегущие вакансии в электронной популяции валентной зоны (дырки) удобно рассматривать как второй тип носителей заряда, которые несут положительный заряд, по величине равный заряду электрона. ^[11]

Генерация и рекомбинация носителей

Главная страница: Физика: Генерация и рекомбинация носителей

Когда электрон встречается с дыркой, они рекомбинируют, и эти свободные носители эффективно исчезают. ^[12] Выделяемая энергия может быть либо тепловой, нагревая полупроводник ( тепловая рекомбинация, , один из источников отходящего тепла в полупроводниках), либо выделяться в виде фотонов ( оптическая рекомбинация , используется в светодиодах и полупроводниковых лазерах. ). ^[13] Рекомбинация означает, что электрон, который был возбужден из валентной зоны в зону проводимости, возвращается в пустое состояние в валентной зоне, известное как дырки. Дырки — это пустые состояния, создаваемые в валентной зоне, когда электрон возбуждается после получения некоторой энергии для прохождения энергетической щели.

Мажоритарные и неосновные перевозчики

Наиболее распространенные носители заряда называются основными носителями , которые в первую очередь отвечают за перенос тока в части полупроводника. В полупроводниках n-типа это электроны, а в полупроводниках p-типа — дырки. Менее распространенные носители заряда называются неосновными носителями ; в полупроводниках n-типа это дырки, а в полупроводниках p-типа — электроны. ^[14]

В собственном полупроводнике, не содержащем примесей, концентрации обоих типов носителей идеально равны.Если собственный полупроводник легирован донорной примесью, то основными носителями являются электроны. Если полупроводник легирован акцепторной примесью, то основными носителями являются дырки. ^[15]

Меньшие носители играют важную роль в биполярных транзисторах и солнечных элементах. ^[16] Их роль в полевых транзисторах (FET) немного сложнее: например, MOSFET имеет области p-типа и n-типа. В действие транзистора вовлекаются основные носители в областях истока и стока, но эти носители проходят через тело противоположного типа, где они являются неосновными носителями.Тем не менее, пересекающих носителей намного больше, чем их противоположного типа в области переноса (фактически, носители противоположного типа удаляются приложенным электрическим полем, которое создает инверсионный слой), поэтому обычно используется обозначение истока и стока для носителей, и Полевые транзисторы называют устройствами «основной несущей». ^[17]

Концентрация свободных носителей

На главную: Физика: Плотность носителей заряда

Концентрация свободных носителей — это концентрация свободных носителей в легированном полупроводнике.Он аналогичен концентрации носителей в металле и может использоваться для расчета токов или скоростей дрейфа таким же образом. Свободные носители — это электроны (или дырки), которые были введены непосредственно в зону проводимости (или валентную зону) в результате легирования и не продвигаются термически. По этой причине электроны (дырки) не будут действовать как двойные носители, оставляя дырки (электроны) в другой зоне. Другими словами, носители заряда — это частицы / электроны, которые могут свободно перемещаться (переносить заряд). ^[18]

См. Также

Список литературы

1. ↑ Дхаран, Гокул; Стенхаус, Кайлин; Донев, Джейсон (11 мая 2018 г.). «Энергетическое образование — носитель заряда». https://energyeducation.ca/encyclopedia/Charge_carrier.
2. ↑ Нейв, Р. «Микроскопический взгляд на электрический ток». http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/miccur.html#c1.
3. ↑ Неф, Р. «Проводники и изоляторы». http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/conins.html#c1.
4. ↑ Фитцпатрик, Ричард (2 февраля 2002 г.). «Электроны проводимости в металле». https://farside.ph.utexas.edu/teaching/sm1/lectures/node86.html.
5. ↑ ^{5,0 5,1} «Проводники-изоляторы-полупроводники». https://www.halbleiter.org/en/fundamentals/conductors-insulators-semiconductors.
6. ↑ Стюард, Карен (15 августа 2019 г.). «Катион против аниона: определение, диаграмма и периодическая таблица». https://www.technologynetworks.com/analysis/articles/cation-vs-anion-definition-chart-and-the-periodic-table-322863.
7. ↑ Рамеш Суввада (1996). «Лекция 12: Протонная проводимость, стехиометрия». Университет Иллинойса в Урбане-Шампейн. http://www.life.illinois.edu/crofts/bioph454/lect12.html.
8. ↑ Соучек, Павел (24 октября 2011 г.). «Плазменная проводимость и диффузия». https://www.physics.muni.cz/~dorian/Soucek_Difuze.pdf.
9. ↑ Альба, Майкл (19 января 2018 г.). «Вакуумные трубки: мир до транзисторов». https://www.engineering.com/story/vacuum-tubes-the-world-before-transistors.
10. ↑ «Катодные лучи | Введение в химию». https://courses.lumenlearning.com/introchem/chapter/cathode-rays/.
11. ↑ Нейв, Р. «Внутренние полупроводники». http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/intrin.html.
12. ↑ Ван Зегбрук, Б. (2011). «Рекомбинация и генерация носителей». https://ecee.colorado.edu/~bart/book/book/chapter2/ch3_8.htm.
13. ↑ дель Аламо, Хесус (12 февраля 2007 г.). «Лекция 4 — Генерация и рекомбинация носителей».MIT Open CoursWare, Массачусетский технологический институт. п. 3. https://ocw.mit.edu/courses/electric-engineering-and-computer-science/6-720j-integrated-microelectronic-devices-spring-2007/lecture-notes/lecture4.pdf.
14. ↑ «Основные и неосновные носители заряда». https://www.physics-and-radio-electronics.com/electronic-devices-and-circuits/semiconductor/majority-and-minority-carriers.html.
15. ↑ Наве, Р. «Легированные полупроводники». http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/dope.html.
16. ↑ Смит, Дж. С. «Лекция 21: BJTs». https://inst.eecs.berkeley.edu/~ee105/sp04/handouts/lectures/Lecture21.pdf.
17. ↑ Тулбуре, Дэн (22 февраля 2007 г.). «Вернемся к основам силовых полевых МОП-транзисторов». EE Times. https://www.eetimes.com/back-to-the-basics-of-power-mosfets/.
18. ↑ Ван Зегбрук, Б. (2011). «Плотности носителей». https://ecee.colorado.edu/~bart/book/book/chapter2/ch3_6.htm#2_6_4.

Темы по физике — Цепная реакция

Цепь Реакция

Поток заряженных частиц в определенном направлении называется электрический ток.Те вещества, которые позволяют течь заряды через них называются проводниками, например. металлы. Тем не мение, те вещества, которые не пропускают поток через проводник если p.d. сохраняется на концах.

(I) Носитель тока в твердых проводниках: в твердых проводниках (е.грамм. металлы) имеется большое количество свободных электронов. когда электрическое поле (т. е. pd) приложено к проводнику, свободные электроны начинают дрейфовать в определенном направлении чтобы составить, что ток будет течь только через проводник если p.d. сохраняется на концах.

(II) Носитель тока в жидкостях: Некоторые жидкости являются проводниками электричества.Проводящая жидкость называется электролитом. (например, раствор CuSO 4 ). Электролитический раствор содержит положительные ионы (например, Cu ++ ) и отрицательные ионы (например, SO 4 —). приложено внешнее электрическое поле (т. е. п.д.), положительное ионы движутся в одном направлении, а отрицательные — в противоположном. направление, чтобы составлять электрический ток.Следовательно, при проведении жидкости, ионы (положительные и отрицательные) являются носителями тока.

(II) Носитель тока в газах: В обычных условиях, газы изоляторы. Однако когда газ под низким давлением подвергается воздействию сильного электрического поля (т.е.е. высокий p.d.), Ионизация в газах присутствуют молекулы, т. е. электроны и положительные образуются ионы. Следовательно, носители тока в газах свободны. электроны и положительные ионы.

Носитель заряда — обзор

Переходные процессы фототока и фотоэдс с малой модуляцией для исследования переноса и рекомбинации электронов

Информацию о переносе и времени жизни носителей заряда в DSC можно получить, отслеживая переходные процессы тока и напряжения после небольшого модуляция интенсивности света.На рисунке 15a показаны нормированные переходные процессы фототока твердотельной ДСК и ДСК с жидким электролитом, измеренные в условиях короткого замыкания при одинаковой интенсивности света смещения [107]. Из-за малой амплитуды модуляции переходные процессы могут быть достаточно хорошо описаны одним экспоненциальным затуханием:

Рисунок 15. (a) Нормализованные затухания тока двух ДСК при одинаковой интенсивности света смещения (560 Вт · м ⁻² ) после небольшой модуляции интенсивности света вниз. (b) Время отклика фототока, полученное из фитингов при разной интенсивности света, в зависимости от J _SC .Пунктирные линии показывают соответствие данных.

(Взято из рисунка 5.17 в [107].)

(23) J (t) = JSC + ΔJ⋅e − t / τresp

, где τ _или — характерная постоянная времени распада . График τ _или , измеренный при различных интенсивностях света смещения, можно увидеть на рисунке 15b. Время отклика по фототоку твердотельной ДСК значительно меньше, чем соответствующие постоянные времени для ДСК с жидким электролитом при том же токе короткого замыкания.

Постоянная времени затухания тока зависит от того, насколько быстро система приспосабливается к уменьшению инжекции зарядов в TiO ₂ . Следовательно, это зависит от скорости рекомбинации и от скорости, с которой носители заряда могут транспортироваться из ячейки. Учитывая, что и дырки, и электроны должны выводиться из ячейки независимо, это будет зависеть от одного из этих двух типов переноса заряда. Для ДСК с жидким электролитом это перенос электронов в TiO ₂ .Переносом I ₃ ^— к противоэлектроду обычно можно пренебречь, поскольку в электролите имеется избыток I ₃ ^— . τ _или можно связать со временем переноса электронов в TiO ₂ ( τ _tr ) и временем жизни электронов ( τ _e ) следующим образом:

(24) 1τresp = 1τtr + 1τe

Для оптимизированных ячеек с жидким электролитом в условиях короткого замыкания τ _e намного больше, чем τ _tr , и время отклика фототока становится прямой мерой времени переноса электронов в TiO ₂ .Коэффициент химической диффузии, D _e , можно рассчитать из времени переноса электронов, используя уравнение (25):

(25) De = d2C⋅τtr

, где d — толщина мезопористая оксидная пленка и C — это константа со значением около 2,5, которое слабо зависит от коэффициента поглощения пленки и направления освещения [118–119].

Для sDSC кажется возможным, что перенос заряда может быть ограничен переносом дырок к заднему контакту, если концентрации окисленного спиро-MeOTAD очень низкие [см. Ссылку 107 и ссылки в ней].Однако в таком случае можно ожидать увеличения τ _или по сравнению с сопоставимым методом ДСК с жидким электролитом. Причина более короткого времени транспортировки sDSC неясна.

Одним из методов измерения τ _e является измерение затухания фотоэдс, метод распада V _OC [21,120]. Здесь потенциал холостого хода DSC отслеживается как функция времени, когда свет выключен.Время жизни электронов рассчитывается из наклона переходного процесса V _OC :

(26) τe = −kTq (dVOCdt) −1

Преимущество этого метода состоит в том, что время жизни может быть определено в широкий диапазон потенциалов за одно измерение. Это также может быть выполнено без использования света путем приложения отрицательного потенциала перед распадом холостого хода [121].

Эффективность сбора заряда, η _CC , может быть оценена из измерений переноса электронов и времени жизни следующим образом [122]:

(27) ηCC = 1 − τrespτe = 11 + τtr / τe

Для правильного расчета эффективности сбора заряда время переноса и время жизни должны быть измерены на одном и том же квазиуровне Ферми (концентрация электронов) в мезопористом электроде.Если для расчета η _CC используются τ _или (измерено при коротком замыкании) и τ _e (измерено при разомкнутой цепи), то полученное значение будет занижено. η _{Значение CC} в условиях короткого замыкания. Для определения последнего необходимо определить τ _e в условиях, когда квазиуровень Ферми в мезопористом оксиде равен таковому в условиях короткого замыкания.Это может быть достигнуто путем (1) измерения квазиуровня Ферми в условиях короткого замыкания (см. Следующее обсуждение) и определения τ _e из соотношения между τ _e и V _OC или (2) измерение извлеченного заряда в условиях короткого замыкания и определение τ _e из отношения между τ _e и извлеченным зарядом (см. Ниже).Электрохимическая спектроскопия импеданса [123] и измерения нарастания или спада фотоэдс (см. Следующее обсуждение) могут использоваться для одновременного определения τ _tr и τ _e на одном и том же квази-уровне Ферми. Эффективность сбора заряда также может быть определена из IPCE с использованием уравнения 15.

Длина диффузии электронов, L , в DSC тесно связана с эффективностью сбора заряда. L — параметр, не зависящий от длины волны, тогда как η _CC зависит от длины волны.Södergren et al. полученные выражения для IPCE мезопористых ДСК как функции диффузионной длины, коэффициента поглощения и толщины пленки, предполагая количественную инжекцию электронов [44], см. ниже. В недавних работах Halme et al. [113] и Barnes et al. [114] эти соотношения были использованы для определения длины диффузии электронов в ДСК в различных условиях. Динамические методы малой амплитуды (спектроскопия импеданса, измерения переноса электронов и времени жизни) также могут быть использованы для определения длины диффузии электронов [124,125].

(28) L = Deτe

, где D _e — эффективный коэффициент диффузии электронов. Интересно, что значения L , определенные таким образом, были как минимум в 2 раза больше, чем полученные из измерений IPCE [126]. Бискерт и Мора-Серо [127] продемонстрировали в моделировании, что это можно объяснить тем фактом, что кинетика рекомбинации в ДСК нелинейно зависит от концентрации электронов в зоне проводимости, тогда как в методе IPCE предполагается линейность.Недавно было проведено тщательное сравнение значений диффузионной длины, полученных с помощью импедансной спектроскопии и измерений IPCE на передней или задней стороне с использованием света смещения, что показало, что методы согласуются, если измерения проводятся близко к разомкнутой цепи, чтобы гарантировать, что электрон концентрация по всей пленке практически постоянна [128].

Альтернативным методом, разработанным для измерения времени переноса электронов в ДСК, является метод нарастания фотоэдс [129]. Здесь ячейка находится в условиях разомкнутой цепи, и характеристическая постоянная времени для повышения фотоэдс измеряется после применения короткого светового импульса, наложенного на постоянное смещенное освещение.Время переноса электронов рассчитывается по времени нарастания с использованием значений емкости мезопористого оксида и границы раздела подложка-электролит, которые необходимо измерять независимо. Время жизни электронов определяется в том же эксперименте по спаду напряжения.