Fizika, Elektrodinamika

Müxtəlif mühitlərdə cərəyan: metal, qaz, elektrolit, yarımkeçirici

Metalda, qazda, elektrolitdə və yarımkeçiricidə yükü kimin daşıdığını, qızanda cərəyanın və elektron sürətinin necə dəyişdiyini tapmağı öyrənəcəksən.

Oxumaq 4 dəqiqə çəkir

Süni intellektlə hazırlanmış şəkil: tutqun buludlardan boş yaşıl tarlanın üzərinə çaxan şimşək.

Elektrik cərəyanı hər yerdə eyni şeydir: yüklərin nizamlı hərəkəti. Amma yükü kimin daşıdığı mühitdən asılıdır. Mis teldə bu işi elektronlar görür, şimşəkdə havadakı elektronlar və ionlar, telefonun şarj cihazındakı yarımkeçirici diodda isə elektronlar və deşiklər.

Bir maraqlı fakt da var: közərmə lampası çox vaxt elə yandırılan anda sıradan çıxır. Soyuq sapın müqaviməti kiçikdir, ona görə ilk anda cərəyan böyük olur. Sap qızdıqca müqaviməti artır, cərəyan da azalır.

Bu mövzu elə belə suallardan ibarətdir: mühit qızanda, soyuyanda və ya işıqlananda cərəyan, gərginlik və elektronların sürəti necə dəyişir?

Niyə lazımdır

Bu qaydalar ətrafındakı çox cihazı izah edir: termometrdəki termistor, işığa həssas fotorezistor, cərəyanı bir tərəfə buraxan diod, metalı nazik qatla örtən elektroliz.

İmtahanda hesab qısadır, çətinlik məntiqdədir: hansı müqavimət dəyişdi, nə sabit qaldı. Bunu sıra ilə izləməyi öyrənsən, iş bir neçə sətirlik Om qanunu hesabı ilə bitir.

İmtahan bu mövzuda nə soruşur?

Metal və termistorun temperaturu dəyişəndə dövrədəki cərəyanı, gərginliyi və elektronların nizamlı hərəkət sürətini müqayisə edirsən. Açarın vəziyyətinə görə birləşməni yenidən müəyyənləşdirir, cihazların göstərişlərini hesablayırsan. Donor və akseptor aşqarların yaratdığı keçiriciliyi, əsas yükdaşıyıcıları fərqləndirmək də tələb olunur.

Qayda

Yükdaşıyıcılar metallarda sərbəst elektronlar, elektrolitlərdə müsbət və mənfi ionlar, ionlaşmış qazlarda elektronlar və ionlar, yarımkeçiricilərdə elektronlar və deşiklərdir. Vakuum diodunda yükü katoddan buraxılan elektronlar daşıyır.
Nizamlı hərəkət metalda elektronlar üçün cərəyan istiqamətinə əksdir. $I=envS$ , $j=I/S$ : $e$ elektron yükünün modulu, $n$ konsentrasiya, $v$ nizamlı sürətin modulu, $S$ en kəsiyinin sahəsidir. $n,S$ sabitdirsə, $v$ cərəyanla düz mütənasibdir.
Metalın müqaviməti $R=\rho l/S$ ilə hesablanır; $\rho$ xüsusi müqavimətdir. Mülayim temperatur intervalında $R=R_0[1+\alpha(T-T_0)]$ . Burada $R_0$ başlanğıc temperaturdakı müqavimətdir. Adi metallarda $\alpha>0$ : qızma qəfəs rəqslərini gücləndirir, müqaviməti artırır.
Termistor temperaturu ölçməyə imkan verir. Mənfi temperatur əmsallı termistor qızanda müqaviməti azalır. Yarımkeçiricidə istilik elektron-deşik cütləri yarada bilər; fotorezistorda işıqlanma artdıqda müqavimət azalır.
Aşqar keçiriciliyi: donor elektron verir, n-tip yaradır; akseptor deşiklərin sayını artırır, p-tip yaradır. Əsas daşıyıcılar müvafiq olaraq elektronlar və deşiklərdir. Hər iki aşqar keçiriciliyi artırır; kristal bütövlükdə neytral qalır.
Yarımkeçirici diod p–n keçidinə əsaslanır: p hissəni müsbət, n hissəni mənfi qütbə qoşmaq düz qoşulmadır. Əks qoşulmada cərəyan çox kiçikdir. Bipolyar tranzistor iki p–n keçidli olub siqnalı gücləndirmək və dövrəni açıb-bağlamaq üçün işlədilir.
Termoelektron emissiyası qızdırılmış katoddan elektronların çıxmasıdır. Vakuum diodunda bütün çıxan elektronlar anoda çatanda doyma yaranır: $I_d=eN/t$ . Katodun temperaturu yüksəldikcə doyma cərəyanı artır.
Qaz boşalması xarici ionlaşdırıcı götürüləndə dayanırsa qeyri-müstəqildir; özünü saxlayırsa müstəqildir. Qığılcım və qövs müstəqil boşalmalardır.
Elektroliz zamanı elektrodlarda maddə ayrılır. Ayrılan kütlə $m=kIt$ ilə tapılır; $k$ elektrokimyəvi ekvivalentdir.
Ardıcıl hissələrdə cərəyan eynidir, paralel qollarda gərginlik eynidir. $I=U/R$ , $R_{\text{ard}}=R_a+R_b$ , $R_{\text{par}}=R_aR_b/(R_a+R_b)$ . İdeal ampermetrin müqaviməti sıfırdır; ideal voltmetrdən cərəyan keçmir.

Tapşırıqlarda işlənən düsturlar

Öyrənilməli düstur

\begin{gathered}I=\frac{U}{R+R_M}\\[6pt]U_M=U-IR\\[6pt]v=\frac{I}{enS}\end{gathered}

$U$ mənbənin, $U_M$ metal naqilin gərginliyi, $R$ rezistorun, $R_M$ naqilin müqaviməti, $I$ dövrənin cərəyanıdır. $e$ elektron yükünün modulu, $n$ elektron konsentrasiyası, $S$ en kəsiyinin sahəsi olduqda $v$ nizamlı hərəkətin orta sürət modulunu verir; müqavimət dəyişikliyini bu əlaqələr üzrə izlə.

Öyrənilməli düstur

\begin{gathered}I=envS\\[6pt]R=\rho\frac{l}{S}\\[6pt]I=\frac{U}{R_{\mathrm{eq}}}\end{gathered}

$e$ elektron yükünün modulu, $n$ konsentrasiya, $v$ nizamlı hərəkətin orta sürət modulu, $S$ kəsik sahəsi, $\rho$ xüsusi müqavimət, $l$ uzunluq, $R_{\mathrm{eq}}$ dövrənin ekvivalent müqavimətidir. Ardıcıl naqillərdə eyni $I$ cərəyanını müqayisə et, sonra açarın hansı naqili müqavimətsiz yolla qısa qapadığını nəzərə alıb sabit $U$ gərginliyi üçün yenidən hesabla.

Öyrənilməli düstur

\begin{gathered}R_M=R_{M0}(1+\alpha t)\\[6pt]I=\frac{U}{R_M}+\frac{U}{R},\qquad U_M=U\\[6pt]v=\frac{U}{enSR_M}\end{gathered}

Kiçik temperatur intervalında $R_{M0}$ metalın $0^\circ\mathrm{C}$ -də müqaviməti, $t$ Selsi temperaturu, $\alpha$ temperatur əmsalıdır; $U$ mənbənin, $U_M$ telin gərginliyi, $I$ ümumi cərəyan, $R$ digər qolun müqavimətidir. $e$ elektron yükünün modulu, $n$ konsentrasiya, $S$ kəsik sahəsi, $v$ nizamlı hərəkətin orta sürət modulu olmaqla, soyumanın təsirini əvvəl $R_M$ -də, sonra paralel dövrənin ifadələrində nəzərə al.

Öyrənilməli düstur

I=envS,\qquad \frac{v_2}{v_1}=\frac{I_2}{I_1}\quad(n,S=\mathrm{const})

$I$ naqildəki cərəyan, $e$ elektron yükünün modulu, $n$ elektron konsentrasiyası, $S$ kəsik sahəsi, $v$ nizamlı hərəkətin orta sürət moduludur. Açarın iki vəziyyətində dövrənin müqavimətindən tapdığın cərəyanları bu əlaqədə müqayisə et; mənfi yüklü elektronların yönəlmiş hərəkəti şərti cərəyan istiqamətinə qarşıdır.

Öyrənilməli qayda

Donor qatqısı sərbəst elektronları çoxaldaraq $n$ tipli, akseptor qatqısı isə deşikləri çoxaldaraq $p$ tipli keçiricilik yaradır; bu zərrəciklər müvafiq kristalda əsas yükdaşıyıcı sayılır. Təmiz kristala az miqdarda belə aşqar əlavə edilməsi keçiriciliyi yüksəltdiyindən diaqramda ortaq xassəni yükdaşıyıcının növündən ayır.

Özün hesabla

Hər sualda lazım olan bütün verilənlər var. Cavabı yaz, sonra həllinə bax.

Nümunələr

12\,\text{V}

mənbəyə ardıcıl qoşulan

4\,\Omega

rezistor və metal tel var. Tel qızanda müqaviməti

2\,\Omega

-dan

8\,\Omega

-a yüksəlir. Cərəyan əvvəl

12/(4+2)=2\,\text{A}

, sonra

12/(4+8)=1\,\text{A}

olur. Teldə gərginlik

4\,\text{V}

-dan

8\,\text{V}

-a yüksəlir;

n,S

dəyişməzdirsə, nizamlı sürət yarıya enir.

Müqaviməti $6\,\Omega$ olan termistor sabit $3\,\text{V}$ mənbəyə qoşulub. Soyuyanda müqaviməti $12\,\Omega$ olur. Cərəyan $0{,}5\,\text{A}$ -dən $0{,}25\,\text{A}$ -ə düşür, termistordakı gərginlik dəyişmir.

Silisiuma beşvalentli fosfor qatılıb. Fosfor donor olduğundan n-tip keçiricilik yaranır; əsas daşıyıcı elektrondur, deşik isə qeyri-əsasdır.

Tipik səhv

Termistor soyudu, ümumi cərəyan azaldı, deməli, ona paralel qoşulmuş rezistordan keçən cərəyan da azaldı.

Rezistorun qolunda gərginlik yenə də mənbənin $U$ gərginliyidir, ona görə $I_R=U/R$ dəyişmir. Azalan yalnız termistorun qolundakı cərəyandır.

Ümumi cərəyanın azalmasını bütün budaqlara aid etmə. Əvvəl həmin qolun gərginliyini tap, sonra Om qanununu tətbiq et.

Elektronların xaotik hərəkətini nizamlı sürətlə qarışdırma: $v$ dedikdə nizamlı hərəkətin sürəti nəzərdə tutulur və onu $I=envS$ verir.

Özünü yoxla

Elektrolitdə və ionlaşmış qazda cərəyanı daşıyan zərrəciklər hansı variantda düzgün göstərilib?

Metal tel və sabit müqavimətli rezistor sabit gərginlik mənbəyinə paralel qoşulub. Tel qızdırıldıqda müqaviməti $3$ dəfə artır, $n$ və $S$ isə dəyişmir. Teldə elektronların nizamlı sürəti və rezistordakı cərəyan necə dəyişir?

Yarımkeçiriciyə akseptor aşqar əlavə edildikdə əsas yükdaşıyıcılar və kristalın bütövlükdə elektrik yükü necə olur?

Bu mövzu üzrə sınaq

Bu mövzunun tapşırıqlarını həll et və hər birinin izahına bax.

Mövzu üzrə sınaq, I qrup (RK)Mövzu üzrə sınaq, I qrup (Rİ)Mövzu üzrə sınaq, IV qrup

Digər mövzular

Bütün Fizika mövzuları

Dərslikdə bu mövzu

Dərslik: Fizika, 11-ci sinif, 2.1 «Metalların elektrik keçiriciliyinin elektron nəzəriyyəsinin elementləri», səh. 54
Dərslik: Fizika, 11-ci sinif, 2.4 «Vakuumda elektrik cərəyanı», səh. 66
Dərslik: Fizika, 11-ci sinif, 2.5 «Qazlarda elektrik cərəyanı», səh. 70
Dərslik: Fizika, 11-ci sinif, 2.6 «Elektrolit məhlullarında elektrik cərəyanı. Elektroliz qanunu», səh. 74
Dərslik: Fizika, 11-ci sinif, 2.7 «Yarımkeçiricilərdə elektrik cərəyanı», səh. 78
Dərslik: Fizika, 11-ci sinif, 2.8 «Yarımkeçirici diod. Tranzistor», səh. 82
Dərslik: Fizika, 11-ci sinif, 2.9 «Yarımkeçirici qurğular: onların elm, texnika və istehsalatda tətbiqi», səh. 86
Dərslik: Fizika, 9-cu sinif, «Metalların müqavimətinin temperaturdan asılılığı», səh. 19
Dərslik: Fizika, 9-cu sinif, «Qazlarda elektrik cərəyanı: qeyri-müstəqil qaz boşalması», səh. 34
Dərslik: Fizika, 9-cu sinif, «Qazlarda elektrik cərəyanı: müstəqil qaz boşalması», səh. 38
Dərslik: Fizika, 9-cu sinif, «Yarımkeçiricilərin məxsusi keçiriciliyi», səh. 42
Dərslik: Fizika, 9-cu sinif, «Yarımkeçiricilərin aşqar keçiriciliyi», səh. 47
Dərslik: Fizika, 9-cu sinif, «Yarımkeçirici kristalda p–n keçidi. Yarımkeçirici diod», səh. 50