Методика вивчення теми ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ У РІЗНИХ СЕРЕДОВИЩАХ

4. Методика вивчення основних питань теми

Оскільки тема складається з підтем, кожна з них може розглядатись як цілком завершена структурна одиниця зі своїми основними поняттями.

Електричний струм у металах. Початок створення класичної електронної теорії провідності металів пов’язують з науковою діяльністю англійського фізика Д.Д. Томсона, який у 1897 році відкрив електрон, а в 1898 році визначив його заряд.

Німецький фізик П. Друде у 1900 році поклав основи класичної теорії провідності металів, яку розвинув у 1904 році Г. Лоренц.

Електронна провідність металів була доведена наступними фундаментальними дослідами:

1. Дослід Рікке, який показав, що електропровідність металевих провідників не пов’язана з перенесенням речовини.
2. Дослід Толмена і Стюарта (1916р.), який дозволив визначити знак та питомий заряд „носіїв заряду” в металевих провідниках.

У основу електронної теорії провідності металів покладені ідеї кінетичної теорії газів. Уважається, що вільні електрони в металах підлягають законам ідеального газу. Середня квадратична швидкість хаотичного руху електронів може бути визначена так:

де k – стала Больцмана;

T – температура;

m – маса електрона;

u – середня квадратична швидкість.

Для кімнатної температури ця швидкість сягає 110 км/с.

Якщо на кінцях провідника створити різницю потенціалів, однорідне електричне поле всередині провідника буде діяти на кожен з електронів з певною силою. Під дією електричного поля на хаотичний рух електронів накладається їх напрямлене переміщення в бік дії сили, тобто у провіднику утворюється електричний струм. Швидкість упорядкованого руху електронів у металевому провіднику при силі струму в декілька ампер менша за 1 мм/с.

Електронна теорія провідності дає можливість одержати закон Ома у такому вигляді:

де е – заряд електрона;

n – концентрація електронів;

– середня довжина вільного пробігу електронів;

m – маса електрона;

– середня квадратична швидкість хаотичного руху електронів;

j – провідність.

Експериментальні дослідження показали, що даний вираз справджується лише за звичайних та високих температур, тобто, застосування класичної електронної теорії є обмеженим.

Електричний опір металевого провідника залежить від температури. Почати вивчення цього питання доцільно з експерименту: складають електричне коло, в якому електрична лампочка живиться від джерела струму з регульованою напругою. Напругу на лампочці та силу струму в ній вимірюють за допомогою демонстраційних вольтметра та амперметра. Вмикають коло і знімають покази вольтметра та амперметра, а потім пропонують учням розрахувати силу струму, яка буде в колі, якщо напругу підвищити вдвічі, у межах допустимого для даного типу лампочки. За законом Ома сила струму повинна теж зрости удвічі. Але дослідна перевірка показує, що сила струму в колі суттєво менша від розрахованої.

У ході аналізу створеної проблеми припускають, що можливою причиною спостережуваного результату є залежність опору металевого провідника від температури. Для підтвердження гіпотези проводять експеримент: у зібране електричне коло послідовно з лампочкою вмикають сталеву спіраль, вмикають струм і демонструють, що при нагріванні спіралі сила струму в колі знижується. Ретельні дослідження показали, що залежність опору металевого провідника від температури така:

де R0 – опір провідника при 0°С;

R – опір провідника за температури t°С;

α – температурний коефіцієнт опору металу.

Причину зростання опору металевих провідників при підвищенні температури пояснюють на основі положень електронної теорії провідності з врахуванням внутрішньої будови металів. Оскільки при підвищенні температури зростає інтенсивність коливань йонів кристалічної гратки, то швидкість напрямленого руху електронів зменшується. При цьому важливо підкреслити, що такі уявлення є досить наближеними, оскільки електронний газ і кристалічна гратка становлять квантовану систему, а тому без залучення положень квантової теорії неможливо дати вичерпне пояснення природи електричного опору металів.

Велике пізнавальне значення має повідомлення учням про практичне застосування явища залежності опору металевих провідників від температури (термометри опору) та явища надпровідності, відкритого в 1911 році датським фізиком Каммерлінг-Онессом. При цьому важливо розповісти, що в наш час ведуться інтенсивні пошуки “високотемпературних” надпровідних матеріалів, винайдення яких могло б стати стимулом для розвитку електроенергетики, електротранспорту, електроніки та інших галузей науки і техніки, які базуються на використанні енергії електричного струму.

Електричний струм у вакуумі. Основоположним поняттям теми є поняття вакууму. Оскільки в учнів стихійно склалися уявлення про вакуум як про простір, де повністю відсутня речовина, потрібно вказати, що практично досягти такого стану неможливо. Тому у фізиці використовується поняття фізичного вакууму як середовища, в якому довжина вільного пробігу молекул спів розмірна з розмірами посудини розрідженого газу, в якому довжина вільного пробігу молекул спів розмірна з розмірами посудини, де знаходиться газ.

Оскільки в такому середовищі вільні носії заряду практично відсутні, то для одержання електричного струму, їх треба якимось чином ввести. З цією метою можна використати явище термоелектронної емісії, яке полягає у випромінюванні електронів розжареними тілами, або фотоелектронної емісії, під час якої електрони вивільнюються під дією світла.

Детально особливості електричного струму у вакуумі розглядають під час з’ясування принципу дії електронної лампи – діода.

Основною властивістю діода є його однобічна провідність, а основною характеристикою – залежність сили струму від напруги між анодом і катодом, або його вольт-амперна характеристика (ВАХ), яка показана на мал. 43.

Мал. 43

Продемонструвати однобічну провідність і ВАХ можна, використавши демонстраційну лампу-діод та зібравши коло за схемою, показаною на мал. 44.

Мал. 44

Як джерело струму доцільно використати випрямляч ВУП-2 або подібний йому, для вимірювання напруги та сили струму краще застосувати відповідні демонстраційні гальванометри з додатковими опорами та шунтами.

Демонстрація проводиться в декілька етапів:

1. Однобічна провідність діода, яка стає помітною при зміні полярності анодного джерела струму.
2. Наявність струму насичення, коли збільшення анодної напруги не призводить до збільшення сили струму в анодному колі.
3. Залежність сили струму насичення від температури катода.

Оскільки застосування вакуумних ламп у сучасних електронних приладах досить обмежене, то як приклад технічного застосування струму у вакуумі доцільно розглянути будову і принцип дії електронно-променевої трубки (мал. 45 ). Вона є основною частиною багатьох моделей телевізорів, комп’ютерних моніторів, осцилографів та інших електронних приладів.

Мал. 45

Основними елементами електронно-променевої трубки є колба, в якій створено високий вакуум, електронна гармата, що утворює сфокусований і керований за інтенсивністю електронний промінь, система відхилення променя та люмінесцентний екран.

Будову та принцип дії електронно-променевої трубки доцільно розглянути на моделі цієї трубки, використавши також її схематичне зображення на таблиці.

Електричний струм в рідинах. Вивчення теми традиційно розпочинається з експерименту. Для цього беруть скляну посудину з двома вугільними електродами, наливають в неї дистильовану воду і під’єднують електроди до джерела струму (мал. 46).

Мал. 46

Для вимірювання напруги і сили струму в утвореному електричному колі використовують демонстраційні вольтметр і амперметр. Змінюючи напругу від 0 до 30 В, помічають, що стрілка амперметра залишається на нульовій поділці. Отже, дистильована вода не проводить електричний струм. Але варто в посудину з водою капнути декілька крапель сірчаної кислоти, яка за звичайних умов також є діелектриком, як стрілка амперметра відхиляється від нульової поділки, вказуючи на існування електричного струму в колі. Отже, при розчиненні кислоти у воді створюються умови для проходження електричного струму. При розчиненні у воді солей, лугів, кислот, які в хімії називають електролітамим, відбувається розпад молекул на йони. Цей процес називається електролітичною дисоціацією. Незв’язані йони, які при цьому утворюються, під дією електричного поля між електродами утворюють електричний струм у колі.

Йонна провідність розчинів електролітів супроводжується переносом і виділенням на електродах речовин, що входять до складу електролітів. Такий процес виділення речовини на електродах внаслідок окислювально-відновлювальних реакцій називають електролізом.

Теоретичним підтвердженням справедливості такого тлумачення природи струму в розчинах електролітів є виведення закону Фарадея для електролізу на основі електронної теорії. Його можна подати учням у такому вигляді.

Маса речовини, що виділяється за інтервал часу Δt на електроді може бути обчислена так:

де m0i – маса йона,

Ni – кількість йонів.

Маса одного йона може бути розрахована на основі положень молекулярної фізики:

де М – молярна маса речовини;

NА – число Авогадро.

Кількість йонів, що досягли електрода, можна розрахувати, знаючи заряд йона і загальний заряд, який пройде в колі за певний час:

де ΔQ=IΔt – заряд, що пройшов через електроліт за інтервал часу Δt;

Q – заряд о даного йона.

Застосувавши положення про дискретність електричного заряду, одержимо:

де n – валентність атома;

е – заряд електрона.

Остаточно маємо:

Оскільки числове значення виразу залежить лише від природи речовини, то його називають електролітичним еквівалентом цієї речовини.

Тоді остаточний вираз першого закону Фарадея для електролізу буде мати такий вигляд:

Вперше електроліз дослідив і в 1834 році сформулював його закони англійський вчений М. Фарадей.

Розглядаючи практичне значення електролізу, учням розповідають, що eлектроліз набув широкого застосування в промислових технологіях для нанесення декоративних покриттів на металеві вироби (гальваностегія), виготовлення металевих зліпків з рельєфних моделей (гальванопластика), одержання металів з розплавлених руд (наприклад, алюмінію), очистки металів (гідрометалургія), у добуванні хлору і т.д.

Електричний струм у газах теж доцільно почати з експерименту. Беруть електрометр з приєднаними до нього дисками і заряджають цей плоский конденсатор до певної різниці потенціалів (мал. 47).

Мал. 47

При кімнатній температурі, якщо повітря сухе, конденсатор помітно не розряджається. Це свідчить про те, що електричний струм у шарі повітря між дисками практично відсутній. Повітря можна вважати діелектриком. Якщо внести в простір між пластинами запалений сірник чи свічку, то стрілка електрометра покаже зменшення заряду. Такого ж ефекту можна досягти, якщо повітряний простір між дисками опромінювати ультрафіолетовим, рентгенівським чи радіоактивним випромінюванням. Пояснення природи струму в цьому випадку потрібно здійснити на основі електронної теорії. Під дією нагрівання і різних видів випромінювання нейтральні атоми газів розпадаються на позитивні йони й електрони – відбувається процес йонізації газу.

Частина вільних електронів приєднується до нейтральних молекул і утворює негативні йони. За наявності електричного поля йони та електрони набувають певної швидкості уздовж силових ліній поля. Процес проходження струму в газі називають газовим розрядом.

Електричний розряд у газах досліджують за допомогою скляної трубки з двома електродами, увімкненої в електричне коло так, як показано на схемі (мал. 48).

Якщо діяти на газ в трубці якимось йонізатором, у трубці буде протікати електричний струм. Із збільшенням різниці потенціалів між електродами трубки кількість заряджених частинок, що досягають електродів, зростає, а, отже, зростає і сила струму в колі.

Мал. 48

При певному значенні напруги сила струму в колі перестає зростати – досягає насичення, що свідчить про те, що всі заряджені частинки, що утворились під дією йонізатора, досягають електродів трубки. Силу струму насичення можна збільшити, посиливши дію йонізатора.

Якщо підвищувати напругу між електродами трубки й надалі, при певному значенні напруги, сила струму в колі знову починає швидко зростати. І, навіть, якщо прибрати зовнішній йонізатор, струм у колі з трубкою не припиняється, оскільки відбувається йонізація електронним ударом. Розряд, що не потребує для свого підтримання зовнішнього йонізатора, називається самостійним газовим розрядом.

Усі види розряду в газах розглядаються на основі аналізу ВАХ (мал. 49).

Мал. 49

Окремим видом газового розряду є дуговий розряд відкритий російським вченим В.В.Петровим у 1802 р.

Електричну дугу можна отримати в умовах шкільного кабінету фізики. Але з огляду на високу яскравість дуги і потужний потік ультрафіолетового випромінювання правила безпеки не дозволяють це робити. При аналізі природи дугового розряду потрібно пояснити роль термоелектронної емісії.

Практичне застосування електричної дуги для зварювання металів вперше було запропоноване російським винахідником М.М. Бенардосом у 1882 році. Значний внесок у розвиток теорії і практики дугового зварювання вніс вітчизняний вчений Є.О.Патон (1870-1953).

Тліючий розряд. Газовий розряд такого типу легко отримати в скляній трубці з двома електродами. Якщо електроди трубки під’єднати до джерела високої напруги і почати відкачувати з неї повітря, настане момент, коли майже весь простір між електродами почне світитись, що засвідчить початок розряду в повітрі при зниженому тиску. Причиною такого розряду є автоелектронна емісія з катода трубки під дією сильного електричного поля.

Тліючий розряд використовується в газонаповнених освітлювальних лампах та газосвітних трубках зовнішньої реклами.

Іскровий розряд. Виникає при високій напрузі між електродами, якщо потужність джерела струму недостатня для підтримання дугового чи коронного розряду. Іскровий розряд найпростіше одержати за допомогою електрофорної машини, розвівши електроди на відстані 20-30 мм і привівши машину в дію. Яскравим прикладом іскрового розряду в природі є блискавка. особливості іскрового розряду дозволяють застосовувати його в багатьох технологічних процесах, зокрема, для обробки металів.

Коронний розряд. Він спостерігається в повітрі за нормального атмосферного тиску поблизу загострених частин провідника, який перебуває під високою напругою. Цей вид розряду отримав свою назву через специфічну форму, що нагадує корону. Іноді коронний газовий розряд спостерігається перед грозою або під час грози на високих загострених предметах. Заряджена грозова хмара індукує на предметах під собою заряди протилежного знака. Особливо великий заряд збирається на вістрях. А, оскільки, напруженість електричного поля біля вістря є найвищою, то саме там і починається газовий розряд.

Коронний розряд призводить до значних втрат електричної енергії при передачі її високовольтними лініями. Щоб зменшити втрати, доводиться лінійні провідники виготовляти з кількох паралельно з’єднаних дротів, ретельно виконувати кожне електричне з’єднання.

Коронний розряд використовується в електричних фільтрах, які дозволяють здійснювати якісне очищення димових викидів електростанцій та великих підприємств.

Плазма – це частково чи повністю йонізований газ, у якому густини позитивно і негативно заряджених частинок практично однакові. Плазма, в цілому, електрично нейтральна система, хоча й містить у собі заряджені частинки. Рівень йонізації плазми може бути різним; а при дуже високій температурі можна отримати повністю йонізовану плазму, в якій повністю будуть відсутні нейтральні атоми. Висока температура плазми свідчить про велику рухливість частинок плазми. У стані плазми перебуває 99% речовини Всесвіту.

Рухом плазми можна керувати за допомогою електричного та магнітного полів, а тому електричний струм у плазмі широко використовується в сучасній техніці та технологіях: в МГД генераторах, в плазмотронах для різання і обробки металів, у газонаповнених електричних лампах, у хімічній технології одержання ацетилену і ін.

Електричний струм у напівпровідниках. До напівпровідників належать речовини, питомий опір яких, на відміну від металів, із підвищенням температури зменшується.

Для з’ясування причин такої властивості напівпровідників розглядається модель кристалічної гратки типового напівпровідника – кремнію (Sі) (мал. 50). Оскільки цей елемент належить до четвертої групи в періодичній системі Д. Менделєєва, то це свідчить, що кожен атом кремнію має на зовнішній оболонці чотири валентних електрони. При утворенні кристалу кожен валентний електрон у починає рухатись по орбіті, що оточує не лише свій атом, але й сусідній. Таким чином, кожна сусідня пара атомів має спільну пару електронів, що рухаються двома спільними орбітами. Такий зв’язок атомів називають ковалентним. У цілому, згідно з моделлю, кожен атом зв’язаний із сусідніми атомами вісьмома орбітами, якими рухаються чотири пари електронів.

Мал. 50

У хімічно чистих напівпровідниках при температурі поблизу абсолютного нуля вільних носіїв заряду немає. З підвищенням температури кристалу теплові коливання гратки ведуть до розриву деяких валентних зв’язків. Унаслідок цього частина електронів відщеплюється і стає електронами провідності. За наявності електричного поля вони переміщуються проти поля і створюють електричний струм. Цей механізм провідності не відрізняється по суті від провідності металів. Однак істотною відмінністю від металів, яка визначає виняткові можливості технічного використання напівпровідників, є можливість ще й іншого механізму електропровідності. Він обумовлений тим, що кожен розрив ковалентного зв’язку веде до виникнення вакантного місця, де відсутній зв’язок.

Такі “пусті” місця з відсутніми електронами зв’язку дістали назву “дірок”.

У чистому напівпровіднику під дією зовнішнього електричного поля струм забезпечується як електронами провідності, так і дірками.

Власна провідність напівпровідників за звичайних умов невелика. Оскільки лише один з десяти мільярдів атомів втрачає електрон, вільних носіїв заряду відносно мало. Але, якщо в кристал напівпровідника ввести певні домішки (мал. 51), можна суттєво змінити концентрацію вільних носіїв заряду. Причому, в залежності від типу домішки, можна отримати напівпровідники з переважаючою електронною, чи дірковою провідністю.

Мал. 51

Якщо в кристал кремнію ввести атоми Арсену, електронна провідність напівпровідника зростає у багато разів. Атоми Силіцію мають чотири валентних електрони, а атоми Арсену – п’ять. Чотири з них беруть участь у створенні ковалентного зв’язку атома Арсену з навколишніми атомами кремнію, а п’ятий виявляється слабо зв’язаним з власним атомом і може легко його залишити і стати вільним (мал. 52). Домішки, які легко віддають електрони і збільшують кількість вільних електронів у напівпровіднику, називають донорними. Напівпровідник, в який уведено донорні домішки, називають напівпровідником n - типу (від negativ). У напівпровіднику n-типу електрони – основні носії заряду, а дірки – неосновні.

Мал. 52

Якщо ж як домішку використати Індій – елемент третьої групи, атоми якого тривалентні, характер провідності зміниться. Для встановлення нормальних парноелектронних зв’язків з сусідами атому Індію не вистачає електрона. Внаслідок цього утворюється дірка. Кількість дірок у кристалі дорівнює кількості атомів домішок. Такі домішки називаються акцепторними (приймаючими).

Напівпровідник з акцепторними домішками має переважно діркову провідність, а тому дістав назву напівпровідника p–типу (від positiv). Дірки – основні носії заряду в напівпровіднику р-типу, а електрони – неосновні.

Якщо з’єднати два напівпровідника різних типів провідності, почнеться дифузія електронів з напівпровідника n-типу в напівпровідник р-типу і, навпаки, дірок в напівпровідник n-типу. Однак, незважаючи на дифузію, дірки в напівпровіднику n-типу не будуть розподілені рівномірно по всьому об’єму. Концентрація їх буде зменшуватись при просуванні вглиб напівпровідника, оскільки дірки будуть рекомбінувати з електронами – основними носіями заряду в напівпровіднику n-типу. Так само, концентрація електронів у міру їх просування вглиб напівпровідника р-типу від межі розділу буде зменшуватись внаслідок рекомбінації електронів з основними носіями заряду напівпровідника р-типу – дірками. На малюнку 53 ці рекомбіновані носії показані кружечками.

Мал. 53

Унаслідок дифузії електронів у напівпровідник р-типу, концентрація їх у напівпровіднику n-типу поблизу межі розділу зменшиться. Це відбувається ще й тому, що ті дірки, що перейшли з напівпровідника р-типу в напівпровідник n-типу рекомбінують з тими електронами, що знаходяться поблизу межі розділу, тобто, теж зменшують їх концентрацію. Як наслідок, концентрація електронів в напівпровіднику n-типу біля межі розділу настільки зменшується, що їх загальний заряд не зможе скомпенсувати позитивний заряд атомів-донорів, що віддали свої електрони. Тому в напівпровіднику n-типу поблизу межі розділу утворюється позитивний заряд.

Таке ж явище відбувається і в напівпровіднику р-типу, тільки в ньому біля межі розділу утворюється негативний заряд внаслідок того, що сумарний заряд основних носіїв у напівпровіднику – дірок, які перейшли в напівпровідник n-типу, не може скомпенсувати негативний заряд атомів-акцепторів, що захопили електрони. Таким чином, на межі розділу двох напівпровідників різної провідності утворюється вузька область, в якій сконцентровано електричні заряди (об’ємний заряд) і пов’язане з ними електричне поле, направлене від напівпровідника n-типу до напівпровідника р-типу. Область цього заряду, в якій сильно зменшена концентрація основних носіїв електрики, має більший, у порівнянні з іншими ділянками, електричний опір. Тому ця область називається запірним шаром.

Система, що складається з двох напівпровідників різного типу провідності, розділених запірним шаром, називається електронно-дірковим переходом (або р-n переходом). Якщо до такого переходу прикласти напругу, причому позитивний полюс джерела під’єднати до напівпровідника n-типу, а негативний – до напівпровідника р-типу, то перехід буде ввімкнено в зворотньому або запірному напрямі. У цьому випадку зовнішнє електричне поле додасться до електричного поля запірного шару. У результаті ширина запірного шару збільшиться і дифузія дірок з напівпровідника р - типу і електронів з напівпровідника n - типу повністю припиниться. Іншими словами, електричний опір запірного шару при його зворотньому ввімкненні дуже великий.

При прямому ввімкненні р-n – переходу, тобто плюс батареї до р-області, а мінус – до n-області, зовнішнє електричне поле буде направлене проти електричного поля запірного шару. У результаті збільшиться концентрація дірок у межовому шарі р – області і електронів у межовому шарі n-області, об’ємний заряд перехода зменшиться, а запірний шар звузиться. Як наслідок, відновиться рух електронів в р-область і дірок в n-область, тобто, опір переходу зменшиться і через нього піде прямий струм, причому тим більшої сили, чим більшою буде прикладена напруга. Тут важливо повідомити учням, що напівпровідниковий прилад, який має один р-n – перехід, можна використати замість лампи-діода, оскільки має односторонню провідність. Ці прилади так і називають – напівпровідникові діоди. ВАХ напівпровідникового діода можна отримати з допомогою електричного кола, показаного на малюнку (мал. 54).

Мал. 54

Напівпровідникові діоди набули широкого застосування в сучасній техніці і електроніці. Основне їх призначення – випрямлення змінного струму і детектування високочастотних радіосигналів.

Для підсилення та перетворення електричних сигналів використовують транзистори – напівпровідикові прилади, у яких використано щонайменше два р-n – переходи.

До складу сучасних мікросхем входять сотні тисяч транзисторів та діодів.

5. Типові задачі

Система навчальних задач із теми повинна бути підібрана таким чином, щоб акцентувати увагу на основних поняттях та особливостях електричного струму в кожному із середовищ

- Срібною дротиною перерізом 1 мм2 протікає струм силою 1 А. Обчислити середню швидкість дрейфу електронів у дротині, вважаючи, що кожен атом срібла дає один електрон провідності.
- Алюмінієва дротина при 0°С має опір 4,25 Ом. Який опір цієї дротини при 200°С?
- У лампі діоді максимальний анодний струм сягає 100 мА. Скільки електронів емітує катод кожної секунди?
- За який час при електролізі води виділиться 1 г водню, якщо сила струму 1 А?
- Якої товщини шар нікелю відкладеться на деталі за 2,4 год. Її нікелювання, якщо густина струму 100 А/м2
- Чому в лініях електропередачі високої напруги застосовують дроти великого діаметру?
- Чому опір кремнію при освітленні змінюється, а міді – ні?
- Чи можна з двох напівпровідникових діодів побудувати транзистор?

6. Організація контролю і обліку знань учнів

Оскільки тема досить велика, доцільно наприкінці вивчення струму в кожному із середовищ проводити фізичні диктанти, або самостійні роботи. Перед підсумковою контрольною роботою необхідно провести урок систематизації знань, на якому в ході опрацювання вивченого матеріалу заповнити узагальнюючу таблицю. Підсумкова контрольна робота може містити завдання на визначення рівня володіння теоретичним матеріалом та вміння розв’язувати розрахункові задачі.

Запитання для самоконтролю

1. Які зміст, структура та основні поняття теми?
2. У чому полягає єдиний підхід до вивчення всіх підтем?
3. Проілюструвати реалізацію єдиного підходу до вивчення всіх підтем на прикладі електричного струму в газах.
4. Як уводиться поняття p-n переходу?
5. На яких прикладах розглядають застосування напівпровідників?

Попередня сторінка На початок сторінки Наступна сторінка


































© 2003-2019 Методика навчання фізики в середній школі | Хостинг: RCHosting