Постійний електричний струм Провідність середовищ різного типу Провідники

Постійний електричний струм. Провідність середовищ різного типу. Провідники, напівпровідники та діелектрики

План. Постійний електричний струм. Провідність середовищ різного типу (основні означення, характеристики, закономірності) 1. Означення електричного струму. Характеристики: величина струму (I), густина струму (j). Одиниці вимірювання. Умови існування електричного струму. Напрям, носії електричного струму в різних середовищах. Типові значення струму. 2. Рівняння нерозривності. 3. Зв'язок густини струму з типом середовища та напруженістю електричного поля. Коефіцієнт електропровідності (σ). Рухливість носіїв струму (μ).

4. Випадок незалежності σ від Е, закон Ома в диференціальній формі, закон Ома в інтегральній формі, опір (R). Одиниці вимірювання R, ρ, σ. 5. Класифікація середовищ за величинами питомих опорів та їх температурними залежностями. 6. Провідники(метали). Носії струму (досліди Рікке). Модель Друде. Омічна закономірність. Розсіяння енергії дрейфуючих електронів, закон Джоуля-Ленца. Недоліки моделі Друде. «Металеві» молекули. 7. Напівпровідники. Зонна модель твердих тіл(провідники, напівпровідники та діелектрики). Носії струму у напівпровідниках. Залежність опору напівпровідників від температури. Вплив домішок на електричні властивості напівпровідників Напівпровідники p- та n-типу. Фотопровідність. 8. Діелектрики. Носії струму. Залежність опору діелектриків від температури. Фотопровідність. Прикладні аспекти. Копіювальні апарати та лазерні принтери.

Типові значення сили струму Смертельний для людини струм – 0. 05 А і вище Лампа розжарювання – 1 А Обігрівач, праска, чайник (1, 5 к. Вт) – 7 А Лінії живлення електровозу – 100 -1000 А Лінійна блискавка – 100000 -1000000 А

Георг Симон Ом (16 березня 1787 р. – 7 липня 1854 р. ) – видатний німецький фізик. Відомий в першу чергу своїми працями по теорії гальванічного ланцюга, які він пише під час своєї роботи викладачем математики в Кьольні (1817 -1828). В 1849 р. запрошений до Мюнхену на посаду професора фізики, де і працює до кінця свого життя. Найбільш відомі праці Ома стосувались питань щодо проходження електричного струму та привели до відомого “закону Ома”. Його ім'ям названа одиниця електричного опору – Ом. I=U/R

Носії струму в металах Джозеф Джон Томсон (18 грудня 1856 р. – 30 серпня 1940 р. ) – англійський фізик, відкрив електрон(1987 р. ), лауреат Нобелевської премії по фізиці 1906 року. В своїх працях є одним з найбільш талановитих послідовників Максвелла. Карл Віктор Едуард Рікке (1 грудня 1845 р. – 11 червня 1915 р. ) – німецький фізик. Основні роботи присвячені кристалографії, феромагнетизму, гідродинаміці, термодинаміці, фізичній хімії, дослідженню явищ у катодних трубках, теорії піроі п'єзоелектриків, провідності металів. Припустив (1898 р. ), що нейтральні атоми металу, зв'язані в кристалічній гратці, є частково іонізованими. Побудував на цьому теорію провідності металів (теорія Рікке). Дослід Рікке (1901 р. ) Суть досліду: показав, що навіть при тривалому проходженні струму по металічному провіднику маса і хімічний склад провідника не змінюються, тобто електричний струм у металах не пов’язаний з переміщенням у них атомів чи іонів, що дозволило припустити, що носіями струму у металах є електрони.

Провідність середовищ різного типу. Твердотільні середовища. Середовища Провідники (метали) n~1022 см-3 Напівпровідники (Ом-1*см-1) Температурна залежність 6*103 - 6*105 ніхром срібло 104 -10 -10 (графіт, кремній, германій(n~1013 см-3) фосфор, миш'як, селен, кремній (n~1010 см-3) телур, йод ) Діелектрики (Ізолятори) 10 -10 -10 -20 (більшість органічних речовин, скло янтар пластики, алмаз, кварц) σ спадає з ростом температури σ зростає з температурою

Теплові швидкості електронів у металах та оцінка величини швидкості дрейфового руху електрона спричиненого дією поля Якщо розглядати електрони в металі як ідеальний газ, тоді середня швидкість електрона визначається температурою середовища: - швидкість теплового руху електронів Оцінимо швидкості направленого руху електронів у типових випадках: нехай через мідний провідник перерізом 1 мм 2 протікає струм величиною в 1 А. Тоді: - швидкість направленого руху електронів Отримані результати дозволяють зробити висновок про те, що вільні електрони в основному знаходяться в стані хаотичного руху. Але на цей домінуючий рух накладається дуже мала швидкість напрямленого руху.

Модель Друде Пауль Карл Людвіг Друде (12 липня 1863 р. – 5 липня 1906 р. ) – німецький фізик. Відомий своїми працями щодо застосування класичної електронної теорії: розробив теорію електронної провідності металів, теорію поляризації світла, відбитого від металічної поверхні, теорію дисперсії світла. Теорія Друде (1900 р. ) – класичний опис руху електронів в металах, добре пояснює ефект Холла, питому провідність у змінному та постійному струмі, Теплопровідність у металах і тому залишається актуальною й до сьогодні. (фільм) J=σE

Розсіяння енергії дрейфуючих електронів у провідниках Джеймс Прескотт Джоуль (24 грудня 1818 р. – 11 жовтня 1889 р. ) – англійський фізик, пивовар. Вивчав природу тепла і віднайшов її зв'язок з механічною роботою. Це привело до закону збереження енергії, що в свою чергу привело до розробки першого принципу термодинаміки. На честь Джоуля названа одиниця виміру енергії – Джоуль (Дж). відкрив зв’язок між струмом, що тече крізь провідник з певним опором та теплом, що при цьому виділяється, названий законом Джоуля(Джоуля-Ленца). Q=I 2 Rt Емілій Христіанович Ленц (12 лютого 1804 р. – 10 лютого 1865 р. ) – російський фізик, працював в області фізичної географії та електромагнетизму. До основних результатів його роботи відносять: закон індукції (правило Ленца), закон Джоуля-Ленца, досліди по підтвердженню ефекту Пельтьє, досліди щодо поляризації електродів.

“Металеві” молекули

Зонна модель твердих тіл n~1022 см-3 ΔЕ~0, 1 -2 е. В Кремній 1, 09 е. В (n~1010 см-3) Германій 0, 72 е. В (n~1013 см-3) ΔЕ>3 е. В Алмаз ≈7 е. В