Elektrický proud v látkách (v polovodičích, kapalinách a plynech

Elektrický proud v polovodičích

Polovodič

• látky s větším měrný odporem než vodiče ale menší než izolanty
• s rostoucí teplotou měrný odpor klesá(odpor také), na rozdíl od kovů, u kterých s rostoucí teplotou měrný odpor roste -> polovodiče vedou proud po zahřátí
• v polovodičích nevedou proud jenom záporně nabité částice(valenční elektrony), ale i kladné částice(díry), výsledný proud je součtem proud, který vedou valenční elektrony a díry
• využití: termistor – rezistor reagující na změny teploty, využívá se k měření teploty(změní se teplota -> změní se napětí v obvodu -> posune se ručička na voltmetru)
• fotorezistor – rezistor jehož odpor se mění podle osvětlení(energie elmag záření vytrhne e z vazby -> látka vede -> zvětší se proud -> …)

Díra

• místo, které zůstane po valenčním elektronu, který při zahřátí přetrhne vazby
• má kladný náboj(při nedostatku e vždy +)

Vlastní vodivost

• valenční elektrony ve vazbách získají zahříváním nebo dopadáním světla dostatečnou energii a vedou proud, po valenčních elektronech v látce zůstanou díry
• způsobená pouze prvkem polovodiče

Rekombinace

• do díry přejde valenční elektron jiného atomu a díra se tak přesune do původního atomu elektronu

Nevlastní vodivost

• do struktury polovodiče přimícháme atomy o jiné mocnosti

Mocnost

• počet valenčních elektronu
• podle mocnosti příměsi rozlišujeme 2 typy nevlastní vodivosti

Nevlastní vodivost typu n(negativní,elektronová)

• do krystalu polovodiče přimícháme látku s větší mocností(polovodič – 4 val. el., příměs – 5 val. el.)
• při zahřátí se nejdříve uvolní elektron z atomu příměsi -> proud vedou daleko více elektrony než díry – elektrony jsou majoritní nosiče náboje a díry minoritní
• příměs, která má více valenčních elektronů než polovodič = donor(prvky V.A)
• takto vzniklé polovodiče jsou polovodiče typu n

Nevlastní vodivost typu p(pozitivní,děrová)

• do krystalu polovodiče přimícháme látku s menší mocností(polovodič – 4 val. el., příměs – 3. val. el)
• v atomu, kde jsou jen 3 val. el. vznikne díra, kterou při zahřátí a následném uvolnění zaplní elektron jiného atomu -> díra se pohybuje a vede proud -> proud vedou hlavně díry – majoritní nosič náboje, elektrony jsou minoritním nosičem nábojem
• příměs, která má méně val. el. = akceptor(prvky III.A)
• takto vzniklé polovodiče jsou polovodiče typu p

Přechod PN

• těleso, jehož polovinu tvoří polovodič typu P a polovinu polovodič typu N
• elektrony polovodiče typu N budou přecházet do polovodiče typu P, kde se rekombinují s dírami tak dlouho až se u styku P a N vytvoří vrstva, ve které nebudou žádné částice s volným nábojem = hradlová vrstva

Diodový jev

• polovodič s PN přechodem propouští proud pouze v 1 směru

Připojení v propustném směru

• zdroj napětí připojíme tak, aby kladný pól byl připojený k polovodiči typu P a záporný k polovodiči typu N
• elektrony z polovodiče typu P jsou přitahovány ke kladnému pólu -> v polovodiči P se vytvoří kladně nabité díry, ze záporného pólu přichází do polovodiče typu N další elektrony -> oslabení hradlové vrstvy -> zmenšení odporu PN -> prochází proud

Připojení v závěrném směru

• zdroj napětí připojíme tak, aby kladný pól byl připojený k polovodiči typu N a záporný k polovodiči typu P
• elektrony polovodiče typu N jsou přitahovány ke kladnému pólu zdroje, elektrony vycházející ze záporného pólu zdroje zaplní díry v polovodiči typu P -> zesílení hradlové vrstvy -> zvýšení odporu -> prochází velmi malý proud(nějaký určitě, minoritní náboje bariéru překonají)

Dioda

• součástka, která obsahuje přechod PN
• propouští proud pouze v jednom směru – využití: pojistka proti obrácení polarity, usměrňování střídavého proudu
• oblast typu P – anoda, oblast typu N – katoda

Voltampérová charakteristika diody

• graf závislosti proudu, který prochází diodou na napětí
• I_max – pokud proud dosáhne větší hodnoty než této dochází ke zničení diody přehřátím
• U_F0 – prahové napětí – napětí, které musí procházet diodou, aby se „otevřela“, propouštěla proud v propustném směru
• U_BR – průrazné napětí – napětí, v závěrném směru při kterém dochází k porušení vlastností diody a diodou začne protékat proud

Tranzistor

• součástka s 2 přechody PN – buď PNP(PNP tranzistor) nebo NPN(jak se asi označuje tenhle typ?)
• střední část se označuje báze(B), oblasti s opačným typem vodivosti jsou kolektor(C) a editor(E)
• kolektor je širší než editor, báze je úzká -> mezi jednotlivými hradlovými vrstvami je úzká vrstva
• napojen na dva obvody – 1. C-B, 2. B-E
• využívá se k zesilování napětí

NPN

• kolektor a editor jsou typu N, báze typu P
• v případě že kolektor je připojen k zápornému pólu zdroji napětí je kolektorový přechod v propustném směru a emitorový v závěrném, obvodem C-B proud prochází a obvodem B-E ne
• v případě že kolektor je připojen ke kladnému pólu zdroji napětí je kolektorový přechod v závěrném směru a emitorový v propustném, obvodem C-B proud neprochází a obvodem B-E ano

PNP

• kolektor a editor typu P, báze typu N
• funguje přesně naopak

Tyristor

• 4 přechody PN, využití v elektromotorech

Elektrický proud v kapalinách

• v kapalinách vedou proud ionty na rozdíl od elektronů v pevných látkách, kapalina za normálních podmínek neobsahuje ionty -> izolant

Elektrolyt

• kapalina, která vede elektrická proud(roztoky solí, zásad, kyselin, taveniny kovů)

Elektrolytická disociace

• rozklad látek na ionty, nejčastěji působením molekul vody(rozpuštění) nebo teplotním rozkladem krystalické mřížky(taveniny) -> kapalina vede proud

Elektrolýza

• děj, při kterém dochází k změnám složení elektrolytu v důsledku toho, že jím prochází proud
• anodu a katodu napojenou na zdroj napětí ponoříme do elektrolytu, vzniklé elektrické pole bude usměrňovat pohyb kationů ke katodě a anionů k anodě, kde odevzdávají svůj náboj a stávají se elektroneutrálními atomy, které vyloučí na elektrodě(nebo reagují s elektrodou či elektrolytem)
• př. elektrolýza vodného roztoku NaCl
• nejdříve musíme dodat napětí, které látky disociuje – rozkladné napětí(U_R)
• proud procházející elektrolytem při elektrolýze je
• odpor roste se vzdálenosti elektrod, čím více jsou elektrody ponořené, tím větší je proud -> splňuje

Faradayovy zákony elektrolýzy

• na katodě se vylučuje vodík nebo kov, na anodě se může vylučovat nějaká látka nebo se anoda může jenom rozpouštět
• každá vyloučená látka příjme z katody několik elektronů/odevzdá anodě několik elektronů- N počet iontů, které se vyloučí
• 1. FZE
• – z – počet elementárních nábojů nutný k vyloučení látky(při oxidační čísle II je z 2), e je elementární náboj elektronů
• hmotnost vyloučené látky je přímo úměrná náboji, který prošel elektrolytem, konstanta úměrnosti je A – elektrochemický ekvivalent, [A] = kg.C^-1, množství látky vyloučené proudem 1 A za 1 s- upřesňuje elektrochemický ekvivalent
• – Faradayova konstanta – náboj, který vyloučí 1 mol jednomocného prvku
• 2. FZE

Voltampérová charakteristika elektrolýzy

• graf závislosti napětí na proudu, při elektrolýze
• elektrolytem nebude procházet proud až do překonání rozkladného napětí(U_r) – napětí potřebné k tomu, aby se elektrolyt rozložil na ionty

Elektrická dvojvrstva

• pokud ponoříme kovovou elektrodu(Zn,Cu) do elektrolytu(vodný roztok H₂SO₄), část molekul kovu elektrodu opustí -> elektrolyt se nabíjí kladně(kvůli kationů kovů, které do něj přichází z elektrody) a elektroda záporně, kationy kovů se ale nerozptýlí v elektrolytu, protože jsou přitahovány záporně nabitou elektrodou – na rozhraní elektrody elektrolytu vzniká tenká vrstva = elektrická dvojvrstva
• každá elektrická dvojvrstva má vlastní napětí potřebné k překonání pro průchod proudu, je to důsledek rozdílných potenciálů elektrolytu a elektrody

Polarizace elektrod

• změna polarity elektrody po ponoření do elektrolytu
• pokud ponoříme 2 různé elektrody(Cu a Zn) do elektrolytu(vodný roztok H₂SO₄) a připojíme na ně zdroj napětí změní se polarita elektrod, na rozhraní elektrod vzniká dvojvrstva
• každá elektroda má vzhledem k druhé opačný náboj a aby mezi nimi procházel proud, je třeba překonat napětí, které je rozdílem mezi napětími elektrických dvojvrstev = polarizační napětí

Využití

• galvanický článek, Voltův článek, akumulátory

Suchý galvanický článek

• tvořen zinkovou nádobou, které je anoda, ve které je uhlíková katoda a obě elektrody jsou spojeny elektrolytem(salmiak,chlorid zinečnatý) -> v baterii probíhá elektrolýza, při které se mění chemická energie na elektrickou
• aby se baterie vybíjela pomaleji je vždy u jedné elektrody vrstva depolarizátoru, který zmenšuje potenciál na dvojvrstvě -> polarizační napětí

Elektrický proud v plynech

• plyny za normálních podmínek izolanty

Výboj

• vedení proudu v plynech

Ionizace

• dodáním energie molekule plynu dojde k rozštěpením plynu na elektron a kladný iont -> plyn vede proud
• volné částice s nábojem jsou pak logicky kationy a elektrony

Ionizační energie

• energie potřebná k rozštěpení molekuly plynu

Rekombinace

• zánik iontů, spojování iontů a kationů v neutrální molekulu

Ionizace nárazem

• částice získají při ionizaci na tolik velkou energii, že jsou schopny ionizovat při srážce další elektroneutrální molekuly(radioaktivní záření, silné elektrické pole, zahřátí)

Voltampérová charakteristika plynů

• vložíme-li do ionizovaného plynu elektrody bude plynem procházet proud(plyn obsahuje volné částice s náboje a ty jsou přitahovány na elektrody, kde stejně jako u kapalin odevzdají náboj a jsou z nich neutrální částice)
• v úseku 0 – U_n dochází k ionizaci plynu, ale dochází k četné rekombinaci a tak většina e zanikne dříve než dorazí k elektrodě(platí Ohmův zákon)
• při U_n se rychlost částic s nábojem zvýší na tolik, že se nestačí nekombinovat dříve ne dorazí k elektrodě -> většina částic vede proud = nasycený proud(dlouho se nemění – Ohmův zákon už neplatí)
• při U_z – zápalném napětí jsou částice natolik urychleny, že dokáži ionizovat další částice = ionizace nárazem -> dochází k výraznému zvyšování proudu = samostatný výboj

Nesamostatný výboj

• v plynu se udržuje proud a dochází k ionizaci jen díky působení ionizátoru(0 až zápalné napětí

Samostatný výboj

• částice v plynu se ionizují samy, elektrický proud proudí i bez působení ionizátoru(plazma je silně ionizovaným plynem v samostatném výboji)

Samostatný výboj za atmosférického tlaku

Obloukový výboj

• dvě uhlíkové elektrody ve vzduchu, do kterých dodáváme nízké napětí(60V),obvodem prochází vysoký proud(10A)
• elektrody spojíme a ty se zahřejí na vysokou teplotu a při pohybu s nimi dojde k ionizaci vzduchu mezi nimi(trvá dlouho)
• využívá se při svařování(!vzniká při něm UV záření!)

Jiskrový výboj

• dojde k němu, když napětí plynu dosáhne zápalného napětí, při absenci zdroj, který by trvale dodával proud
• trvá velice krátkou dobou
• př. blesk(vysoký potenciálový rozdíl mezi nabitým mrakem a zemí -> vysoké napětí -> výboj)

Koróna

• vzniká v nehomogenním poli, kde je napětí jen natolik velké aby došlo pouze k ionizaci nebližšího okolí
• kolem vedení vysokého napětí, hrotů nabitých předmětů

Samostatný výboj za sniženého tlaku

Doutnavý výboj

• uzavřeme-li plyn v trubici, kde snížíme tlak -> zvětšení střední volné dráhy iontů -> k samostatnému výboji dochází při nižším napětí -> doutnavý výboj
• k doutnavému výboj dochází už za běžných napětí a proud, který prochází mezi elektrodami je malý
• napětí je rozloženo nerovnoměrně -> více elektronů dopadajících na anodu -> světélkování(anodový sloupec ve většině trubice a blízko katody je katodové doutnavé světlo)
• využití: neony

Katodové záření

• proud elektronů se dostává za anodu a světélkuje