DW = Aст + Aс
Так как изменение потенциальной энергии заряда связано с разностью потенциалов U между электродами: DW = qU , то :
U = ε -
Мы учли, что работа силы сопротивления отрицательна, так как эта сила направлена противоположно перемещению заряда.
Из формулы видно, что:
Разность потенциалов между полюсами источника тока (напряжение), приложенная к подключенному к полюсам проводнику, меньше ЭДС.
Напряжение на участке, содержащем источник тока, равно сумме ЭДС источника и разности потенциалов на этом участке.
Если внешняя цепь разомкнута и ток через источник не протекает, то работа силы сопротивления равна нулю:
ε = U
ЭДС равна напряжению между полюсами разомкнутого источника тока.
Простейшая электрическая цепь состоит из источника тока (сопротивлением r), потребителя или нагрузки (сопротивлением R) и соединительных проводов.
Закон Ома для замкнутой цепи связывает силу тока в цепи, ЭДС и полное сопротивление цепи R+r.
Закон Ома для полной цепи:
Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению:
I =
Электродвижущая сила гальванического элемента есть работа сторонних
сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому.
Сопротивление источника часто называют внутренним сопротивлением r в отличие от внешнего сопротивления R цепи.
В генераторе внутреннее сопротивление r — это сопротивление обмоток, а в гальваническом элементе — сопротивление раствора электролита и электродов.
По мере разряда батарейки или аккумулятора их внутреннее сопротивление возрастает.
Произведение силы тока и сопротивления участка цепи часто называют падением напряжения на этом участке.
Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи.
Сила тока зависит от трех величин: ЭДС, сопротивлений внешнего R и внутреннего r участков цепи.
Внутреннее сопротивление источника тока не оказывает заметного влияния на силу тока, если оно мало по сравнению с сопротивлением внешней части цепи (R>>r). При этом напряжение на зажимах источника приблизительно равно ЭДС: U = IR ≈ ε.
При коротком замыкании, когда R→0, сила тока в цепи определяется именно внутренним сопротивлением источника и при электродвижущей силе в несколько вольт может оказаться очень большой, если r мало (например, у аккумулятора r ≈ 0,1-0,001 Ом). Провода могут расплавиться, а сам источник выйти из строя.
Если цепь содержит несколько последовательно соединенных элементов с ЭДС, то
полная ЭДС цепи равна алгебраической сумме ЭДС отдельных элементов.
Если при обходе цепи переходят от отрицательного полюса источника к положительному, то ЭДС >0.
Закон Ома для цепи с несколькими источниками тока:
Сила тока в замкнутой цепи с последовательно соединенными источниками тока прямо пропорциональна алгебраической сумме их ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.
Обобщенный закон Ома для неоднородной цепи:
(Неоднородная цепь – цепь, содержащая источник тока)
(φ1- φ2) ± ε = U
где R – сопротивление нагрузки, r- внутреннее сопротивление источника.
ЭДС берется со знаком «+» если ток направлен от «+» к «-» источника тока
ЭДС берется со знаком «-» если ток направлен от «-» к «+» источника тока
Такой вид закона Ома применим к разным случаям.
Например при замкнутой цепи φ1= φ2 и закон принимает вид: I =
РАБОТА И МОЩНОСТЬ ТОКА. КПД ИСТОЧНИКА ТОКА
Работу сил электрического поля, создающего электрический ток, называют работой тока.
Согласно закону сохранения энергии эта работа должна быть равна изменению энергии рассматриваемого участка цепи. Поэтому энергия, выделяемая на данном участке цепи за время ∆t, равна работе тока.
Работа тока на участке с сопротивлением R за время Dt равна:
A = ∆qU = IU∆t = I2R∆t
Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа.
Мощность тока равна отношению работы тока за время ∆t к этому интервалу времени:
P = = UI = I2R =
Работа выражается, как обычно, в джоулях, мощность – в ваттах.
Если на участке цепи под действием электрического поля не совершается работа и не происходят химические реакции, то работа приводит к нагреванию проводника.
При этом работа равна количеству теплоты, выделяемому проводником с током:
Q = I2R ∆t (Закон Джоуля-Ленца).
Нагревание проводника под действием тока происходит следующим образом. Электрическое поле ускоряет электроны. При столкновении с ионами кристаллической решетки они передают им часть своей энергии. В результате энергия беспорядочного движения ионов около положений равновесия возрастает. Это означает увеличение внутренней энергии и температуры тела.
В электрической цепи работа совершается не только на внешнем участке, но и в батарее. Электрическое сопротивление источника тока называется внутренним сопротивлением r. На внутреннем участке цепи выделяется количество теплоты, равное (по закону Джоуля-Ленца):
Q = I2r ∆t
Полная работа сил электростатического поля при движении по замкнутому контуру равна нулю, поэтому вся работа оказывается совершенной за счет внешних сил, поддерживающих постоянное напряжение.
Отношение работы внешних сил к переносимому заряду называется электродвижущей силой источника:
ε =
Dq – переносимый заряд.
Если в результате прохождения постоянного тока произошло только нагревание проводников, то по закону сохранения энергии (и учитывая что I = Dq/Dt) :
A = Aст = Qполн ÞDqε = I2(R + r) Dt Þ ε = I(R + r) Þ I =
Cила тока в электрической цепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.
Полная мощность источника тока :
P = = Iε = I2(R + r) = I2R + I2r = Pполезн + Pпотерь
КПД источника тока:
η = = =
Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель) рассчитан на потребление определенной энергии в единицу времени.
ДОБАВИТЬ МОЩНОСТЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА
Количество теплоты определяется по закону Джоуля – Ленца:
Если электроток протекает в цепи, где не происходят химические реакции и не совершается механическая работа, то энергия электрического поля превращается во внутреннюю энергию проводника и его температура возрастает.
Путем теплообмена эта энергия передается окружающим, более холодным телам.
Закон, определяющий количество теплоты, которое выделяет проводник с током в окружающую среду, был впервые установлен экспериментально английским ученым Д.Джоулем и русским ученым Эмилем Христофоровичем Ленцом:
Закон Джоуля-Ленца:
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику
Q = I2R ∆t
Из закона сохранения энергии следует, что количество теплоты равно работе электрического тока.
Важной характеристикой любого электроприбора является энергия, потребляемая в единицу времени, или мощность тока.
Мощность электрического тока – работа, совершаемая в единицу времени электрическим полем при упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике.
Средняя мощность тока, учитывая, что по закону Джоуля-Ленца Q = I2R ∆t:
P = = = I2R = = IU
При последовательном соединении проводников (I = const) мощность, выделяемая в проводниках, пропорциональна их сопротивлению.
При параллельном соединении проводников (U = const) мощность, выделяемая в проводниках, обратно пропорциональна их сопротивлению.
ДОБАВИТЬ ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА ДЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Электронная проводимость – результат направленного перемещения в межатомном пространстве свободных электронов, покинувших валентную оболочку атома в результате внешнего воздействия на полупроводник (нагревание, воздействие внешних полей и т.д.)
Дырочная проводимость – результат направленного перемещения валентных электронов между электронными оболочками соседних атомов на вакантные места – дырки.
Примеси в полупроводнике – атомы посторонних химических элементов, содержащихся в основном полупроводнике.
Различают донорные и акцепторные примеси.
Атомы донорной примеси имеют валентность большую валентности основного полупроводника.
Атомы акцепторной примеси имеют валентность меньшую валентности основного полупроводника.
Полупроводник n-типа – полупроводник с донорной примесью
Полупроводник p-типа – полупроводник с акцепторной примесью
p-n-переход – контактный слой двух примесных полупроводников p и n типов.
Запирающий слой – двойной слой разноименных электрических зарядов, создающий электрическое поле на p-n-переходе, препятствующее свободному разделению зарядов.
Полупроводниковый диод – полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами для включения в электрическую цепь.
Транзистор – полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя выводами для включения в электрическую цепь.
Транзистор используется для усиления и генерации электрических сигналов.
Коэффициент усиления – отношение изменения величины выходного сигнала к вызвавшему его изменению входного.
ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Зависимость проводимости полупроводников от температуры
Собственная проводимость полупроводников
Примесная проводимость полупроводников
Донорные и акцепторные примеси
Использование различных типов проводимости полупроводников
ДАТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Наиболее отчетливо полупроводники отличаются от проводников характером зависимости электропроводности от температуры.
У соединений типа PbS, CdS и др. удельное сопротивление с увеличением температуры не растет, как у металлов, а резко уменьшается.
Полупроводники – элементы и соединения у которых с увеличением температуры удельное сопротивление не растет, как у металлов, а наоборот, чрезвычайно резко уменьшается.
При низких температурах полупроводник ведет себя как диэлектрик, его удельное сопротивление очень велико. По мере повышения температуры удельное сопротивление быстро уменьшается.
При нагревании полупроводника кинетическая энергия валентных электронов повышается и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои проторенные пути и станов свободными, подобно электронам в металле.
В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки образуя электрический ток.
При повышении температуры число разорванных валентных связей, а значит и свободных электронов, увеличивается. Это ведет к уменьшению сопротивления полупроводника.
Собственная проводимость – это проводимость чистых полупроводников.
Она обычно невелика, так как мало число свободных электронов. Число свободных электронов составляет одну десятимиллиардную часть от общего числа.
Различают два вида собственной проводимости полупроводников: электронную и дырочную.
Электронная проводимость – проводимость полупроводника, обусловленная наличием у них свободных электронов.
Дырочная проводимость – проводимость полупроводников, обусловленная упорядоченным перемещением дырок.
Механизм электронной и дырочной проводимости: в отсутствии внешнего поля имеется 1 электрон (-) и 1 дырка (+). При наложении поля происходит перемещение электронов. Свободные электр смещаются против напряженности поля. В этом направлении перемещается также один из связанных электронов. Образуется дырка, которая перемещается по всему кристаллу.
Примесная проводимость – дополнительная проводимость существующая наряду с собственной, обуславливаемая наличием примесей в полупроводнике.
Дозированное введение в чистый полупроводник примесей позволяет целенаправленно менять его проводимость.
Существуют донорные и акцепторные примеси.
Донорная примеси – это примеси, легко отдающие электроны, и следовательно, увеличивающие число свободных электронов. Поскольку полупроводник, имеющий донорные примеси обладают большим числом электр, их называют полупроводниками n-типа.
Донорная примесь — это примесь с большей валентностью.
При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются лишние электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа.
Полупроводники с донорной примесью называют полупроводниками n-типа (лат. negativus – отрицательный), так как они обладают преимущественно электронной проводимостью.
В полупроводниках n-типа электрон является основным носителем заряда, а дырки – не основным.
Например, для кремния Si с валентностью n = 4 донорной примесью является мышьяк As с валентностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости.
Акцепторные примеси – это принимающие примеси.
Акцепторная примесь — это примесь с меньшей валентностью.
При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником
p-типа.
Полупроводники с акцепторной примесью называют полупроводниками p-типа (лат. positivus – положительный), так как они обладают преимущественно дырочной проводимостью.
Основными носителями заряда в полупроводниках p-типа являются дырки, а электроны – не основными.
Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью n = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».
Электропроводность полупроводника нелинейно зависит от температуры, так как с повышением температуры возрастает число разрывов ковалентных связей и увеличивается количество свободных электронов.
Кроме нагрев разрыв ковалентных связей может быть вызван освещением или облучением (фотопроводимость полупроводников).
Терморезисторы используются для измерения температуры по силе тока в цепи с полупроводником. Терморезисторы применяются для дистанционного измерения температуры, противопожарной сигнализации и т.д.
Фоторезисторы – приборы, в которых использован фотоэлектрический эффект.
СВОБОДНАЯ И ПРИМЕСНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
См.выше «Проводимость полупроводников»
P-N ПЕРЕХОД
При изготовлении большинства полупроводниковых приборов используются кристаллы, в которых создаются области p и n типа. Механизм действия таких приборов основан на особых свойствах контакта между этими областями, называемого электронно-дырочным переходом.
Электронно-дырочным переходом называется контакт двух полупроводников n и p – типов.
(p – positivus –положительный, n – negativus - отрицательный)
Характерной особенностью p-n-перехода является его односторонняя проводимость: он пропускает ток практически только в одном направлении (от полупроводника p-типа к полупроводнику n-типа)
Создать p-n переход путем механического соединения полупроводников с различными типами проводимости не удается, так как при этом получается слишком большой зазор между ними. Толщина p-n перехода должна быть не больше межатомных расстояний.
p-n-переход изготавливают путем сплавления полупроводников.
Вследствие диффузии атомов индия в монокристалл германия у поверхности германия образуется область с проводимостью p-типа. Остальная часть кристалла германия, в которую атомы германия не проникли, по прежнему имеет n-проводимость. Между двумя областями с проводимостями различных типов возникает p-n переход.
В этом переходе образуется объемный слой, обедненный носителями заряда. Его образование объясняется диффузией. Концентрация дырок в p области велика, а в n-области относительно мала. В результате существует диффузионный поток дырок из p в n-область. Аналогично существует поток электронов в обратном направлении.
Электроны и дырки рекомбинируют. Концентрация основных носителей заряда в контактном слое оказывается уменьшенной.
В дальнейшем диффузия уменьшается, поскольку в электронно-дырочном переходе образуется препятствующая ей контактная разность потенциалов, называемая потенциальным барьером.
Его образование связано с наличием положительного и отрицательного пространственных зарядов в прилегающих к контактному слою областях.
Положительный заряд возникает со стороны электронной области полупроводника вследствие того, что там остаются ионизированные атомы доноров.
Отрицательный заряд образуется со стороны дырочной области ионизированными акцепторами.
В p-n-переходе образуется двойной электрический слой. Напряженность поля этого запирающего слоя направлена от n к p-полупроводнику (от плюса к минусу) и препятствует дальнейшему разделению зарядов.
Область с уменьшенным количеством носителей заряда называется запирающим слоем.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54
