Постоянный электрический ток

1.

Постоянный электрический ток
Недостатки классической теории электропроводности
1.
(теория)
(опыт)
1000
2.
(теория)
T
(опыт)
T
3. При высоких температурах для молярной теплоемкости металлов
C (теория)
C (опыт)
4.
3
R
2 1.5
3R
3R
электроны проводимости
закон Дюлонга-Пти
Классическая теория не может объяснить явление сверхпроводимости.

2.

Постоянный электрический ток
Элементы зонной теории
104 Ом 1 см 1
10 10 104 Ом 1 см 1
10 10 Ом 1 см 1
проводники
полупроводники
диэлектрики
Энергетический спектр электрона в водородоподобном атоме
E
Свободные состояния
(сплошной спектр)
0
...
Связанные состояния
(дискретный спектр)
En
A
, n 1, 2,
2
n
,
1. Энергетические уровни вырождены:
число квантовых состояний с энергией En
(кратность вырождения) gn = 2n2
2. Электроны подчиняются принципу запрета
Паули – в квантовом состоянии может
находится только один электрон.
3. Энергетические уровни заполняются после
заполнения предшествующих, начиная с n=1.

3.

Постоянный электрический ток
Элементы зонной теории
Объяснение энергетических зон
1 атом
N изолированных атомов
E
E
l состояний
L=N l состояний
k состояний
K=N k состояний
Система N атомов (твердое тело)
E
разрешенная зона
L=N l состояний
K=N k состояний
запрещенная зона
Взаимодействие атомов снимает вырождение:
энергетические уровни превращаются в
энергетические зоны

4.

Постоянный электрический ток
Элементы зонной теории
Твердое тело при T = 0
Полупроводник
Металл
Зона
проводимости
Зона
проводимости
Валентная
зона
Валентная
зона
Валентная зона заполнена,
зона проводимости свободна.
Зона проводимости
заполнена частично.
Проводимость = 0.
Проводимость > 0.

5.

Постоянный электрический ток
Элементы зонной теории
Твердое тело при T > 0
Полупроводник
электроны
дырки
Зона
проводимости
Валентная
зона
Металл
kT
Зона
проводимости
Валентная
зона
В валентной зоне появляются
дырки, в зоне проводимости электроны.
Граница между заполненными
и незаполненными уровнями
размывается.
Проводимость > 0.
Проводимость > 0.

6.

Постоянный электрический ток
Элементы зонной теории
Примесные полупроводники
n–типа
Донорные
уровни
p–типа
Зона
проводимости
Валентная
зона
Зона
проводимости
Акцепторные
уровни
Валентная
зона
Электроны с донорных
уровней переходят в зону
проводимости.
Электроны из валентной зоны
переходят на акцепторные
уровни.
В зоне проводимости
появляются электроны.
В валентной зоне появляются
дырки.

7.

Постоянный электрический ток
Температурная зависимость сопротивления металлов и
полупроводников
j enu
1 en
u E
для металлов и полупроводников,
где – подвижность
Металлы
0 (1 t )
Для чистых металлов 1/273
Полупроводники
0 exp( E0 2kT )
E0 – константа

8.

Постоянный электрический ток
Электрический ток в вакууме
Причина тока в вакууме
E 0
E 0
вакуум
E
металл
металл
электронное
облако
Термоэлектронная эмиссия – явление образования электронного
облака вблизи поверхности металлов из-за теплового движения
свободных электронов

9.

Постоянный электрический ток
Электрический ток в вакууме
I
ток насыщения
Is
I
U
js AT 2 exp( kT )
– формула Ричардсона-Дешмана
A 120 А/(см2 К2), – термоэлектронная работа выхода.
Для чистых металлов значительный ток достигается при температуре
порядка 2000 К.
Для оксидных катодов, благодаря пониженной работе выхода,
значительные токи достигаются уже при 1100 К.

10.

Постоянный электрический ток
Закон трех вторых
уравнение
Лапласа
U
I 0
0
d 2
dx 2
0
j v
d
x
из закона
сохранения
энергии
v 2 | e | me
d 2
, j me 2| e | 0 0
2
dx
I CU 3 2
– закон трех вторых (Богуславского-Ленгмюра)

11.

Постоянный электрический ток
Электронные лампы
Вакуумный диод
анод
катод
Вольт–амперная характеристика
Ia
T3
T2
T1
U
3
2
Ua
Ток в диоде появляется, если
Uа Uк
Температура катода
T3 T2 T1

12.

Постоянный электрический ток
Электронные лампы
Схема выпрямителя
Uн
C
Uн
Rн
с конденсатором
без конденсатора
t

13.

Постоянный электрический ток
Электронные лампы
Триод
анод
I а I а (U с , U к )
сетка
Сетка располагается значительно ближе к
аноду, чем катод. Поэтому Uс сильнее
влияет на Iа , чем Uа.
катод
I а I а (U с , U а const) – сеточные характеристики
I а I а (U с const, U а ) – анодные характеристики

14.

Постоянный электрический ток
Электронные лампы
Сеточные характеристики
Ia
U a1
Ua2
U a1 U a 2 U a 3
Ua3
Ua
≈ смещение характеристики
влево при Uа ↑ и вправо при Uа ↓
I а I а (U с DU а )
D – проницаемость сетки

15.

Постоянный электрический ток
Электронные лампы
Схема усилителя
U
Rа
U вых
U вх
При
Ri Rа
Так как D < 1
K
U а
Ri
– дифференциальное
I а U с сопротивление триода
U а
1
U с
D
– коэффициент усиления
усиление (с инвертированием) переменного сигнала

16.

Постоянный электрический ток
Электронные лампы
Тетрод
U
Назначение экранной сетки –
уменьшение влияния Ua на Ia .
Rа
экранная
сетка
U вх
U вых
Уменьшается D и
увеличивается K.
Недостаток – динатронный эффект (из-за вторичной электронной эмиссии),
что приводит к ухудшению характеристик тетрода.

17.

Постоянный электрический ток
Электронные лампы
Пентод
U
защитная
сетка
U вх
Rа
U вых
Назначение защитной сетки –
устранение динатронного эффекта.
Вторичные электроны под действием
поля между анодом и защитной сеткой
возвращаются на анод.

18.

Электрические явления в контактах
Контактная разность потенциалов
M1, M2 – металлы
M1
1
M2
2
При контакте 1 2
В приконтактной области действует ЭДС.
M1
M2
...
Ti T
Mn
Правило Вольта:
( n– 1) не зависит от числа и вида
промежуточных металлов.
Правило Вольта является следствием законов термодинамики.

19.

Электрические явления в контактах
Контактная разность потенциалов
M1
+
+
+
+
+
–
–
–
–
–
M2
Причина возникновения КРП – диффузия электронов
из-за их разной концентрации и скорости в
контактирующих металлах.
При термодинамическом равновесии
1 e i1 2 e i 2
i 2 i1 ( 1 2 ) e
– внутренняя контактная
разность потенциалов
– химический потенциал электронного газа в металле
в отсутствии электрического поля,
– электрический потенциал металла.

20.

Электрические явления в контактах
Контактная разность потенциалов
M1
i1
1
M2
1
e1
2
i 2
В тонком приповерхностном слое металла
имеется электрическое поле, по причине того,
что “центр тяжести” электронной оболочки
поверхностного атома не совпадает с его ядром.
2
e 2
e1 i1 , e 2 i 2
По определению – работа выхода электрона из металла
e e ( e i )
e 2 e1 ( 1 2 ) e
– внешняя контактная
разность потенциалов

21.

Электрические явления в контактах
Термоэлектрический ток (явление Зеебека)
T1
M1
M2
Если температуры контактов не равны T1 T0 ,
то в цепи возникает ток и, следовательно,
возникает термоЭДС.
Явление Зеебека – явление возбуждения
термоэлектрического тока.
T0
Причина возникновения термоЭДС:
1. Диффузия электронов по причине различия
а) тепловых скоростей электронов
б) концентраций электронов в случае полупроводников
2. Зависимость КРП от температуры.

22.

Электрические явления в контактах
Термоэлектрический ток (явление Зеебека)
B
A
1
T0
C
1
2
T1
T1 T0
D
T0
T0
Распределение потенциала в цепи
T1 T0
0
A
1
0
B
T1 T0
C
A B
0
D
A
B
C
A B
D

23.

Электрические явления в контактах
Термоэлектрический ток (явление Зеебека)
Положительное направление термоЭДС
T
T1
1
1
2
T
T0
21
(T T )
21
Свойства термоЭДС
Положительным направлением термоЭДС
принимается направление в проводнике 2 от
более нагретого контакта к менее нагретому.
21
20
21
10
1
0
T0
T
Термопара – устройство для
измерения температуры
V
21 – коэффициент термоЭДС