Электрический ток в различных средах

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

Среды Носители заряда Металлы Свободные электроны Электролиты Положительные и отрицательные ионы Газы, плазма Электроны и ионы Вакуум Электроны, вылетевшие в результате эмиссии с поверхности металла Полупроводники Электроны и дырки

 

РЕШЕНИЕ ХАРАКТЕРНЫХ ЗАДАЧ

48. Определить скорость дрейфа электронов проводимости в медном проводнике, по которому проходит ток 2 А, если площадь его поперечного сечения 40 мм 2, число свободных электронов в единице объема 9 × 10 28 м – 3 . За какое время электрон переместится по проводнику на 5 см?

Дано: = 2 А = 40 мм2 = = 4 × 10-5 м 2 = 9 × 1028 м – 3 = 1,6 × 10– 19 Кл = 5 см = 5×10–2 м

Решение Скорость дрейфа определим по формуле для плотности тока , где , тогда , Считая среднюю скорость дрейфа электронов постоянной (для постоянного тока), получим ;

49. Какой длины надо взять при 20 °С вольфрамовый проводник диаметром 0,4 мм, чтобы изготовить нагревательный прибор, имеющий сопротивление 49,6 Ом при температуре 820 °С?

Дано : = 20 °C = 820 °C = 0,4 мм = = 4 × 10 – 4 м = = 49,6 Ом = ?

Решение Из формулы для сопротивления проводника найдем искомую длину , где - сопротивление проводника при температуре . Определим пользуясь зависимостью , записанной для температур и : . Из системы находим . Учитывая, что площадь сечения проводника равна , получим формулу для длины проводника . (Из табличных данных находим = 0,0045 1/град., = 0,055×10 –6 Ом×м)

 

РЕШЕНИЕ ХАРАКТЕРНЫХ ЗАДАЧ

50. Покрытие стальных деталей производится двухвалентным никелем при плотности тока в электролитической ванне 500 А/м2. Сколько времени потребуется для покрытия детали слоем никеля толщиной 75 мкм?

Дано: = ?

Решение По I закону Фарадея Определим массу никеля через объем и плотность где - площадь пластин. Тогда имеем откуда . Учитывая, что плотность тока по определению , окончательно получим . Численное значение электрохимического эквивалента никеля определим по таблице = 3 × 10 – 7 кг / Кл. В результате получим

51. Определить электрическую энергию, затраченную для получения 61,2 г цинка при электролизе водного раствора ZnSO4. Напряжение на зажимах электролитической ванны 10 В.

Дано : = ?

Решение : Затраченная энергия равна , где - заряд прошедший через электролит. По I закону Фарадея , где - электрохимический эквивалент, определяемый по II закону Фарадея . Тогда , (Здесь использовано, что 1 кВт × ч =3,6 × 10 6 Дж).

Газы 1.  Носители электрического тока в газах возникают только в результате ионизации (отрыва электронов от атомов). 2. Внешние ионизаторы: ультрафиолетовое излучение; рентгеновское излучение; радиоактивное излучение; сильный нагрев.

 

 

Плазма Четвертое состояние вещества, частично или полностью ионизованный газ. Свойства плазмы: 1.  Большая электропроводимость, близкая к металлам, обусловленная высокой концентрацией заряженных частиц (n ~ 1018 м– 3). 2.  Чувствительность к действию электрических и магнитных полей. 3.  Излучение электромагнитных волн (в том числе видимого спектра).

 

Электрический ток в вакууме Возникает при электронной эмиссии – выходе свободных электронов из металла (, работа выхода определяется родом вещества). Типы: фотоэмиссия, вторичная электронная эмиссия, термоэлектронная эмиссия.

 

 

Примесная проводимость полупроводников Обусловлена наличием в полупроводнике определенного количества примесей.

 

 

 

 

РЕШЕНИЕ ХАРАКТЕРНЫХ ЗАДАЧ

52. Определить длину свободного пробега электрона в электронной трубке, заполненной разреженным азотом, в момент возникновения ударной ионизации, если напряженность электрического поля между электродами трубки 4×104 В/м, а работа ионизации молекулы азота 15,8 эВ.

Дано: = 1,6 × 10–19 Кл = 15,8 эВ = = 15,8 × 1,6 × 10-19 Дж = 4 × 10 4 В/м = ?

Решение: Работа электрического поля, совершаемая над электроном на расстоянии равном длине свободного пробега , равна работе ионизации , то есть , откуда , .

53. С какой скоростью ударяется электрон об анод электронной лампы, если между ее электродами поддерживается напряжение 220 В?

Дано : = 220 В = 9,1 × 10 –31 кг = 1,6 × 10–19 Кл = ?

Решение : По закону сохранения энергии кинетическая энергия электрона в момент удара об анод равна работе электрического поля по перемещению электрона Таким образом , откуда ; .

54. Какой тип полупроводника получится, если в германий ввести небольшое количество а) алюминия; б) мышьяка?

Решение:

а) Атом германия имеет четыре валентных электрона, а алюминий – три. Если в кристалл германия ввести небольшую дозу алюминия, то часть атомов германия будет заменена атомами алюминия. Атом алюминия будет иметь прочную ковалентную связь с тремя соседними атомами германия, а четвертая связь будет незаполненной, что приведет к созданию дырки. Такой примесный полупроводник обладает преимущественно дырочной проводимостью.

б) Данный полупроводник имеет преимущественно электронную проводимость, поскольку в кристаллическую решетку четырехвалентного германия включены атомы пятивалентного мышьяка. Избыточный пятый электрон не имеет ковалентной связи с атомами четырехвалентного элемента и является свободным.