Вольт-амперные характеристики вакуумного диода. (График); Студопедия - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Сверхпроводимость.

Содержание

Вольтамперометрические характеристики вакуумного диода.

Металлы обладают хорошей электропроводностью, что объясняется наличием в них свободных электронов, которые под воздействием даже небольшой разности потенциалов приобретают движение, направленное от отрицательного полюса к положительному.

Температурная зависимость сопротивления металлических проводников.

При повышении температуры сопротивление металлического проводника увеличивается. R=R₀* (1 + α*∆T), где R₀-это сопротивление при 0°C. α-температурный коэффициент сопротивления α>0. ∆T-t.

Сверхпроводимость.

Свойство некоторых материалов иметь строго нулевое электрическое сопротивление при достижении критической температуры.

Свойство сверхпроводника.

1)Сопротивление = 0, поэтому тепло не выделяется; 2)Магнитное поле не проникает в проводник, сверхпроводник отталкивается от любого полюса магнита.

Что такое вакуум?

Это степень расширения газа, при которой практически не происходит столкновений между молекулами.

Когда создается вакуум?

Когда свободная длина частиц в сосуде больше, чем размер частиц в сосуде.

Концепция термоионной электронной эмиссии.

это испускание электронов твердыми телами или жидкостями при нагревании их до температуры, соответствующей видимому свечению раскаленного металла.

Концепция фотоэлектронной эмиссии.

это испускание электронов твердыми или жидкими веществами под воздействием света.

Концепция автоэлектронной эмиссии.

это эмиссия электронов твердыми или жидкими веществами при воздействии электрического поля.

Определение вакуумного диода.

представляет собой двухэлектродную (А – анод и К – катод) электронную лампу.

Какую проводимость имеет вакуумный диод.

Однонаправленная проводимость, поскольку используется p-n-переход.

Для чего используется вакуумный диод?

Вакуумный диод используется для выпрямления переменного тока.

Вольт-амперные характеристики вакуумного диода.

При низком напряжении на аноде не все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, и ток мал. При более высоких напряжениях ток достигает насыщения, максимального значения.

Зеркала из оптической системы планшетного сканера. Обратите внимание, что оптические зеркала металлизированы с внешней стороны стекла, в отличие от обычных бытовых зеркал, где для защиты за стеклом используется отражающее покрытие. Бытовые зеркала дают двойное отражение – от поверхности стекла и от отражающего покрытия, которое в быту не так критично, как защита отражающего покрытия.

В виде проводящих покрытий с использованием микроволновой технологии. Высокочастотный ток, благодаря скин-эффекту, протекает в основном по поверхности проводника, а не по его толщине, поэтому тонкое покрытие высокочастотного волновода серебром дает большее увеличение проводимости, чем покрытие серебром проводника постоянного тока.

Микроволновый волновод с внутренним покрытием из серебра.

В сплавах контактной группы. Контакты силовых реле, сигнальных реле, переключателей и автоматических выключателей обычно изготавливаются из сплава, содержащего серебро. Контактное сопротивление ниже, чем у меди, и она менее подвержена окислению. Поскольку контакты обычно миниатюрны, вклад этого небольшого добавления серебра в стоимость всего продукта незначителен. Хотя при утилизации большого количества реле стоимость серебра делает целесообразной работу по отделению контактов в кучу для последующего аффинажа.

Согласно документации производителя, контакты содержат серебро и кадмий.

Различные реле. Верхнее реле имеет даже посеребренный корпус с характерной патиной. Содержание драгоценных металлов в изделиях, произведенных в СССР, указывалось в паспортах изделий.

В качестве добавки к паяльным сплавам. Высококачественные припои (как твердые, так и мягкие) часто содержат серебро.

Проводящие покрытия на диэлектриках. Например, суспензия частиц серебра наносится на керамику для формирования контактной площадки, а затем обжигается в печи (метод обжига).

Компонент электропроводящих клеев и чернил. Электропроводящие чернила часто содержат суспензию частиц серебра. При высыхании этих красок растворитель испаряется, и частицы в растворе сближаются, слипаются и образуют проводящие мостики, по которым может протекать ток. Есть хорошее видео с рецептом изготовления таких чернил.

Металл, обладающий самой высокой электропроводностью из всех элементов группы оснований, – это медь. При температуре +20 градусов Цельсия она составляет 57*104 см-1. Медь является одним из наиболее распространенных проводников, используемых в быту и промышленности. Он хорошо выдерживает постоянные электрические нагрузки и отличается долговечностью и надежностью. Высокая температура плавления позволяет ему без проблем работать в течение длительного времени при нагревании.

Классическая теория электропроводности металлов

В теории электропроводности металлов существует шесть основных положений. Во-первых: высокая проводимость обусловлена наличием большого количества свободных электронов. Второй: при внешнем воздействии на металл возникает электрический ток, при котором электроны переходят от неупорядоченного к упорядоченному движению.

Третье: Ток, протекающий через металлический проводник, рассчитывается по закону Ома. Четвертое: Различное количество элементарных частиц в кристаллической решетке приводит к различному удельному сопротивлению металлов. Пятое: При взаимодействии электронов в цепи возникает электрический ток. Шестое: При повышении внутренней температуры металла его сопротивление увеличивается.

Природа электропроводности металлов объясняется вторым пунктом. В состоянии покоя все свободные электроны хаотично вращаются вокруг ядра. В этот момент металл не способен самостоятельно генерировать электрический заряд. Но как только подключается внешний источник воздействия, электроны тут же выстраиваются в упорядоченную последовательность и становятся носителями электрического тока. С повышением температуры электропроводность металлов уменьшается.

Это происходит потому, что молекулярные связи в кристаллической решетке ослабевают, элементарные молекулы начинают вращаться в еще более хаотичном порядке, поэтому построение электронов в цепи становится более сложным. Поэтому необходимо принять меры по предотвращению перегрева проводников, так как это отрицательно сказывается на их рабочих характеристиках. Электропроводность металлов не может быть изменена в силу действующих законов физики. Однако можно нейтрализовать негативные внешние и внутренние влияния, которые мешают этому нормальному процессу.

В отличие от них, диэлектрики имеют небольшое количество свободных ионов, что означает низкую проводимость и почти полную неспособность проводить электричество. К ним относятся древесина, смолы, пластмассы, стекло и т.д. Электропроводность диэлектриков составляет менее 10 6 (Ом-м)-1 . [3]

Восьмая международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум – 2016.

В зависимости от электропроводности вещества можно условно разделить на три группы: проводники, диэлектрики и полупроводники. Однако провести четкие границы между этими группами не представляется возможным.

Проводники имеют большое количество свободных ионов и, следовательно, высокую электропроводность. Они делятся на два типа, которые различаются по физической природе протекания электрического тока. К первому типу относятся металлы с электронной проводимостью, т.е. протекание тока обусловлено движением свободных электронов. Второй тип проводников – это растворы кислот, оснований и солей, которые мы называем электролитами. Протекание тока в электролитах обусловлено движением положительных и отрицательных ионов. Эти проводники обладают ионной проводимостью. Электропроводность проводников превышает 10 6 (Ом-м)-1 . [3]

Диэлектрики, с другой стороны, имеют небольшое количество свободных ионов, что означает низкую электропроводность и практически отсутствие способности проводить электричество. К ним относятся древесина, смолы, пластмассы, стекло и т.д. Электропроводность диэлектриков составляет менее 10 6 (Ом-м)-1 . [3]

Полупроводники обладают проводящими свойствами на среднем уровне между проводниками и диэлектриками. Полупроводники включают, например, германий, кремний, селен и другие искусственные соединения. [3]

На электропроводность вещества или тела влияет температура вещества. Однако температурная зависимость различна для разных веществ. В металлах эта зависимость определяется уменьшением свободного пробега электронов с ростом температуры. При повышении температуры тепловые колебания кристаллической решетки, на которой рассеиваются электроны, увеличиваются, и электропроводность соответственно уменьшается. Для полупроводников соотношение иное. Электропроводность увеличивается с ростом температуры, поскольку увеличивается количество электронов проводимости и положительных носителей заряда. Диэлектрики также обладают повышенной электропроводностью, но при очень высоких электрических напряжениях. [2]

Металлы обладают свойством проводить электричество. Это связано с тем, что электромагнитное поле взаимодействует с проводящим металлом, в результате чего электрон ускоряется настолько, что теряет связь с атомом.

Электронная теория проводимости металлов была разработана П. Друди в 1900 году и получила дальнейшее развитие в работах Г. Лоренца. С точки зрения этой теории, высокая электропроводность металлов обусловлена наличием очень большого числа носителей заряда – электронов проводимости, которые движутся по всему объему проводника. Электроны проводимости во время своего движения сталкиваются с ионами в решетке металла. Поэтому средний свободный путь электронов составляет 10 -8 см. [1]

Плотность тока, протекающего через проводник, будет равна суммарному заряду всех электронов, которые проходят через единицу площади поперечного сечения проводника за одну секунду.

В 1900 году П. Друде, основываясь на молекулярно-кинетической теории и рассматривая электроны в металле как идеальный газ, разработал классическую электронную теорию проводимости металлов. Первоначально эта теория не учитывала распределение скоростей электронов, включение этого распределения было сделано в 1904 году Х. Лоренцем.

Проводимость металлов

Такая структура кристаллической решетки приводит к тому, что электроны могут очень легко перемещаться под воздействием внешнего электрического поля. Это означает, что металлы, имеют много свободных легких электронов и обладают высокой проводимостью.

Существование свободных электронов было доказано экспериментами, проведенными в 1916 году. Т. Стюартом и Р. Толманом (позже выяснилось, что те же эксперименты были проведены ранее Л. Мандельштамом и Н. Papaleksi, но их результат не был опубликован).

Рисунок 2: Эксперимент Мандельштама и Папалекси.

Зональная модель электронной проводимости металлов

Как металлы проводят электричество

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля.

Наиболее убедительные доказательства электронной природы тока в металлах были получены в экспериментах с инерцией электронов (эксперимент Толмана и Стюарта):

Катушку с большим числом витков тонкой проволоки (рис. 9.1) заставили быстро вращаться вокруг своей оси. Концы катушки были соединены гибкими проводами с чувствительным баллистическим гальванометром. Размотанная катушка быстро замедлялась, и в цепи возникал мгновенный ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Общий заряд, протекающий через цепь, измерялся с помощью гальванометра.

За счет торможения вращающейся катушки для каждого носителя заряда e масса m тормозное усилиекоторая играет роль внешней силы, т.е. сила неэлектрического происхождения.:

Внешняя сила, связанная с единицей заряда, по определению является напряженностью внешнего силового поля:

Следовательно, в цепи при торможении катушки генерируется электродвижущая сила:

Во время торможения катушки заряд q цепь будет нести заряд q, равна:

где – длина провода катушки, I – мгновенное значение тока в катушке, R – общее сопротивление цепи, начальная линейная скорость провода.

Хорошая электропроводность металлов объясняется тем, что высокой концентрацией свободных электроновравный по порядку величины количество атомов на единицу объема.

Предположение о том, что за электрический ток в металлах отвечают электроны, появилось гораздо раньше экспериментов Толмана и Стюарта. Еще в 1900 году немецкий ученый П. Друде, основываясь на гипотезе о существовании свободных электронов в металлах, разработал электронную теорию проводимости металлов. Эта теория была разработана голландским физиком Х. Лоренцем и называется классическая теория электронов.. Согласно этой теории, электроны в металлах ведут себя как электронный газ, подобно идеальному газу.

Электронный газ заполняет пространство между ионами, образуя металлическую решетку. Из-за взаимодействия с ионами, электроны могут покинуть металл, только пересекая так называемый потенциальный барьер. Высота этого барьера называется работа по спасению.

При нормальной температуре (комнатной) электроны не имеют достаточно энергии, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Согласно теории Друде-Лоренца, электроны имеют такую же среднюю энергию теплового движения, как и молекулы идеального одноатомного газа. Это позволяет оценить среднюю скорость теплового движения электронов по формулам молекулярно-кинетической теории:

При приложении внешнего электрического поля в металлическом проводнике, помимо теплового движения электронов, возникает упорядоченное движение (дрейф) электронов, т.е. электрический ток. Скорость дрейфа электронов лежит в диапазоне 0,6 – 6 мм/с. Таким образом, средняя упорядоченная скорость электронов в металлических проводниках на много порядков ниже средней скорости их теплового движения.

Низкая скорость дрейфа не противоречит экспериментальному факту, что ток в цепи постоянного тока устанавливается почти мгновенно. Замыкание цепи приводит к тому, что электрическое поле распространяется со скоростью c = 3-10 8 м/с. По истечении определенного времени (l – длина цепи) устанавливается стационарное распределение электрического поля и начинается упорядоченное движение электронов в цепи.

Классическая электронная теория металлов предполагает, что движение электронов подчиняется законам ньютоновской механики. Эта теория пренебрегает взаимодействием электронов и сводит их взаимодействие с положительными ионами только к столкновениям. Также предполагается, что при каждом столкновении электрон передает всю энергию, запасенную в электрическом поле, решетке и поэтому после столкновения начинает двигаться с нулевой скоростью дрейфа.

Хотя все эти предположения очень приблизительны, классическая теория электронов качественно объясняет законы электрического тока в металлических проводниках: закон Омаи Джоуля закон Ленца и объясняет существование электрического сопротивления в металлах.

Электрическое сопротивление проводника:

Однако во многих отношениях классическая теория электронов приводит к выводам, противоречащим опыту. Например, теория не может объяснить, почему молярная теплоемкость металлов, как и молярная теплоемкость диэлектрических кристаллов, составляет 3R (закон Дюлонга и Пети). Классическая электронная теория также не может объяснить температурную зависимость удельного сопротивления металлов: теория дает , в то время как из эксперимента зависимость ρ

Наиболее ярким примером расхождения между теорией и экспериментом является сверхпроводимость ..

Зональная модель электронной проводимости металлов

Качественное различие между металлами и полупроводниками (диэлектриками) заключается в характере температурной зависимости проводимости. У металлов проводимость уменьшается с повышением температуры, а у полупроводников и диэлектриков – увеличивается. При T ® 0 K проводимость чистых металлов составляет s ® ¥. В полупроводниках и диэлектриках при T ® 0 K, s ® 0. Нет качественного различия между полупроводниками и диэлектриками в отношении проводимости.

Проявление металлических свойств у одних веществ и полупроводниковых и диэлектрических свойств у других может быть последовательно объяснено только в терминах квантовая теория.

Согласно квантовой теории, энергия электронов в атоме может изменяться дискретно. Согласно принципу Паули, в одном квантовом состоянии не может находиться более одного электрона. В результате электроны не накапливаются на каком-либо одном энергетическом уровне, а последовательно заполняют разрешенные энергетические уровни в атоме, образуя его электронные оболочки.

Когда большое количество атомов собирается вместе и образует кристаллическую структуру, между атомами образуются химические связи за счет электронов во внешних, валентных, электронных оболочках.

Согласно принципу Паули, атомы не могут слипаться в плотную массу, поскольку в этом случае в одном квантовом состоянии будет находиться множество частиц с полуцелый спин, собственный угловой момент (L = ħ/2). Такие частицы называются фермионыи включают, в частности, электроны, протоны и нейтроны. Их название происходит от имени итальянского физика Э. Ферми, который первым описал особенности поведения коллективов таких частиц. Когда большое количество атомов в твердом теле движется вместе, начальный энергетический уровень валентного электрона в атоме расщепляется на N подуровни, где N – число атомов, составляющих кристалл. В результате образуется зона разрешенных энергетических уровней для электронов в твердом теле (рис. 9.2).

В металлах внешние валентные оболочки заполнены не полностью, например, в случае атомов серебра во внешней оболочке 5s 1 во внешней оболочке находится один электрон, тогда как согласно принципу Паули могло бы быть два электрона с разными спиновыми ориентациями, но второго электрона во внешней оболочке атома серебра просто не существует. На подходе к N Атомы Ag и расщепление внешнего энергетического уровня 5s 1 1 к N каждый из подуровней уже заполнен двумя электронами с различной спиновой ориентацией. В результате, при приближении к N атомов серебра приводит к образованию энергетической полосы, наполовину заполненной электронами. Энергия, соответствующая последнему заполненному электронному уровню при температуре 0 K, называется энергией Ферми e_F≈kT_g. Расстояние между соседними энергетическими уровнями DЕ очень мала, потому что N является очень большой, до .

1¸10 эВ, ΔЕ = e_F/N << kT ” 0,025 эВ.

Расстояние между соседними разрешенными уровнями электронов в металлах намного меньше энергии теплового движения электронов даже при самых низких температурах. Если поместить проводник в электрическое поле, например, включить его в замкнутую цепь с источником электромагнитного поля, электроны начнут перемещаться от точки проводника с более низким потенциалом к точке с более высоким потенциалом, поскольку их заряд отрицателен. Но движение в электрическом поле означает увеличение энергии электрона, а согласно квантовым представлениям, переход на более высокий энергетический уровень у электрона возможен, если этот соседний уровень свободен. В металлах таких свободных уровней для электронов вблизи уровня Ферми вполне достаточно, поэтому металлы являются хорошими проводниками электричества.

Однако не все свободные электроны в металле обеспечивают такую проводимость, а только те электроны, которые находятся вблизи уровня Ферми. Концентрация этих электронов составляет приблизительно nT/T_gгде T_g = 5×10 4 K – температура вырождения.

Читайте далее: