Підручник Фізика 8 клас - А. М. Сердюченко - Освіта 2016 рік

Розділ 4. Електричний струм

ЧАСТИНА II. ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА

§ 28. Провідники, діелектрики, напівпровідники. Електричний струм у металевих провідниках

Думки вголос

Я вивчу речовини, які мають різні властивості проходження через них електричного струму.

У природі і техніці спостерігають електричні явища, які супроводжуються проходженням електричного струму. Наприклад, блискавка — яскравий приклад проходження електричного струму в газах (у повітрі). Великим досягненням науково-технічного прогресу є сучасні обчислювальні машини. В основі їх головного пристрою — процесора — лежать інтегральні схеми, що складаються з великої кількості напівпровідникових елементів.

Які електричні процеси відбуваються в провідниках? Провідниками електрики можуть бути метали, рідини і гази (схема 3). Природу електричного струму в різних середовищах можна пояснити на основі МКТ, дослідів і електронної теорії.

Поділ речовин на провідники, діелектрики і напівпровідники залежить від концентрації вільних заряджених частинок, тобто носіїв електричного струму. У металах — провідниках — концентрація вільних електронів дуже велика, близько 1029 в 1 м3. Це пояснює високу електропровідність металів (мал. 102). В усіх інших провідникових речовинах теж висока концентрація заряджених вільних частинок: в електролітах — йони, в газах — йони і вільні електрони.

У діелектриках вільних заряджених частинок дуже мало, близько 103 107 в 1 м3. Тому такі речовини є поганими провідниками електрики (гума, скло, пластмаси, кераміка). У більшості випадків їх використовують для ізоляції від дії електричного струму (мал. 103).

Схема З

Мал. 102. Металеві провідники

Мал. 103. Діелектрики

Мал. 104. Напівпровідники

У напівпровідниках (мал. 104) вільних носіїв заряду менше, ніж у провідниках, і більше, ніж в діелектриках, — близько 1012 - 1013 в 1 м3. Власна провідність напівпровідників невисока, але кількість носіїв струму можна збільшити шляхом їх нагрівання, освітлення або внесення домішок. Фізичні дослідження властивостей напівпровідників зумовили науково-технічний прогрес унаслідок їх використання (термоелементи, фотоелементи, діоди, транзистори тощо).

Для дослідження електричного струму у різних середовищах було проведено багато експериментів. Так, електронну провідність металів було експериментально доведено 1913 року фізиками-експериментаторами: Л. І. Мендельштамом і Н. Д. Папалексі, а потім 1916 року Б. Стюартом і Р. Толмеком. Розглянемо дослід.

Дослід

Котушку з мідним проводом було замкнено на гальванометр зі спеціальними ковзаючими контактами (мал. 105). За допомогою електродвигуна

(n = 5000) котушка дуже швидко оберталась, а потім різко гальмувалась. У цей момент гальванометр фіксував короткочасний струм. Це пояснено тим, що після різкого гальмування вільні електрони ще деякий час за інерцією рухалися спрямовано, і в котушці виникав електричний струм. Цей дослід є експериментальним доведенням електронної провідності металів.

У металах вільні електрони беруть участь у хаотичному тепловому русі. Під впливом електричного поля вони починають переміщуватись впорядковано із середньою швидкістю приблизно 0,5 .

А швидкість поширення електричного поля всередині металевого провідника наближається до 300 000 .

Саме цю швидкість пов'язують з поширенням електричного струму в металах. Так електронна теорія пояснює перенесення електричного заряду в металах, тобто створення електричного струму.

Мал. 105. Гальванометр реєструє електричний струм у момент різкого гальмування котушки

Підсумки

• За характером електричної провідності всі речовини поділяють на провідники, діелектрики і напівпровідники.

• Концентрація вільних заряджених частинок у речовині визначає її електричну провідність.

• У металах електричний струм утворюється спрямованим рухом вільних електронів. Цей висновок підтверджено експериментально.

Перевір свої знання

1. Назви приклади речовин, які є діелектриками, провідниками.

2. Як можна пояснити практично миттєве включення споживачів електричного струму після вмикання електричного кола?

3. Поясни назву речовин «напівпровідники».

4. Як можна довести, що носіями електричного струму в металах є вільні електрони?

Для тих, хто хоче знати більше

Щоб зрозуміти механізми збільшення носіїв електричного струму зі збільшенням температури або освітлення, необхідно знати будову напівпровідникових кристалів і природу зв’язку, що утримує атоми кристала один біля одного. Для прикладу розглянемо кристал кремнію. Кремній — чотиривалентний елемент. Це означає, що на зовнішній оболонці атома знаходяться чотири електрони, що порівняно слабо пов’язані з ядром. Число найближчих сусідів кожного атома кремнію також дорівнює чотирьом. У чистих напівпровідниках між атомами є ковалентний зв’язок. Кожний атом обмінюється валентними електронами з чотирма сусідами. Внаслідок теплових співударів атомів якийсь із електронів, отримавши порцію енергії, може залишити зв’язок з атомом — утворюється вільний електрон. Відсутній міжатомний зв’язок називають діркою, яка є еквівалентною позитивному заряду. Таким чином, у напівпровідниках є носії зарядів двох типів: електрони і дірки. Концентрація вільних електронів і дірок зростає за збільшення температури або освітлення.

Провідність чистих напівпровідників (електронно-діркова) називають власною. Якщо до напівпровідника внести домішки, то можна значно збільшити кількість носіїв електричного струму, тоді провідність буде називатися домішковою. Залежно від домішок можна одержати збільшення кількості електронів (електронна провідність) або дірок (діркова провідність).

Електронна провідність називають провідністю n-типу; діркову — провідністю р-типу.

р-л перехід. Якщо в напівпровіднику є ділянки з електронною і дірковою провідністю, то на межі цих ділянок виникає шар, який має односторонню електричну провідність. Цей шар широко використовують в напівпровідникових приладах.

Такий контакт двох напівпровідників з різним типом провідності має малий опір, якщо p-ділянку підключити до позитивного полюсу джерела струму, а n-ділянку — до негативного. Якщо полюси джерела поміняти на протилежні, то опір р-n-переходу буде дуже великим. Ця властивість р-п переходу широко використовується в напівпровідникових приладах.

Зображення на схемах

Напівпровідниковий діод

Напівпровідниковий тріод (транзистор)





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити