Vodniki, izolatorji in polprevodniki
Materiali so razvrščeni kot prevodniki, izolatorji ali polprevodniki glede na njihovo električno prevodnost. Klasifikacije lahko razumemo v atomskem smislu. Elektroni v atomu imajo lahko le določene natančno definirane energije in glede na njihovo energijo naj bi elektroni zasedli določene energijske ravni. V značilnem atomu z veliko elektroni se napolnijo nižje ravni energije, pri čemer je vsako število elektronov, ki jih dovoljuje kvantno mehansko pravilo, znano kot Paulijevo načelo izključitve. Glede na element je najvišja raven energije, ki jo imajo elektroni, lahko ali ne, da je popolnoma polna. Če sta dva atoma nekega elementa dovolj tesno povezana, da delujeta, ima dvoatomski sistem dve tesno razporejeni ravni za vsako raven posameznega atoma. Če bo medsebojno vplivalo 10 atomov, bo 10-atomski sistem imel skupino 10 ravni, ki ustreza vsaki ravni posameznega atoma. V trdnem tiru je število atomov in s tem tudi število ravni izredno veliko; večina višjih energijskih nivojev se neprekinjeno prekriva, razen nekaterih energij, v katerih sploh ni ravni. Energetske regije z nivoji se imenujejo energijski pasovi, regije, ki nimajo ravni, pa se imenujejo kot vrzeli v pasu.
Kviz
Električna energija: kratki stiki in enosmerni tokovi
Kdo je odkril zakon elektrolize?
Največji energijski pas, ki ga zasedajo elektroni, je valenčni pas. V prevodniku je valenčni pas delno napolnjen, in ker obstajajo številne prazne ravni, se elektroni pod vplivom električnega polja lahko premikajo; tako je v kovini valenčni pas tudi prevodni pas. V izolatorju elektroni popolnoma zapolnijo valenčni pas; in razkorak med njim in naslednjim pasom, ki je prevodni pas, je velik. Elektroni se pod vplivom električnega polja ne morejo premikati, če jim ne da dovolj energije, da preidejo veliko energijsko vrzel v prevodni pas. V polprevodniku je razmik do prevodnega pasu manjši kot v izolatorju. Pri sobni temperaturi je valenčni pas skoraj popolnoma napolnjen. V valenčnem pasu manjka nekaj elektronov, ker so pridobili dovolj toplotne energije, da preidejo vrzel v prevodni pas; posledično se lahko premikajo pod vplivom zunanjega električnega polja. "Luknje" v valenčnem pasu so mobilni nosilci naboja, vendar se obnašajo kot nosilci pozitivnega naboja.
Pri mnogih materialih, vključno s kovinami, se odpornost na tok naboja poveča s temperaturo. Na primer, povečanje za 5 ° C (9 ° F) poveča upornost bakra za 2 odstotka. V nasprotju s tem se upornost izolatorjev, zlasti polprevodnikov, kot sta silicij in germanij, s temperaturo hitro zmanjša; povečana toplotna energija povzroči, da nekateri elektroni naselijo ravni v prevodnem pasu, kjer se pod vplivom zunanjega električnega polja lahko premikajo. Razlika v energiji med valenčnimi nivoji in prevodnim pasom močno vpliva na prevodnost teh materialov, z manjšo vrzeljo, kar vodi do večje prevodnosti pri nižjih temperaturah.
Vrednosti električnih uporov, naštete v tabeli 2, kažejo na izjemno veliko variacijo sposobnosti različnih materialov za vodenje električne energije. Glavni razlog za velike razlike je širok razpon razpoložljivosti in mobilnosti nosilcev naboja znotraj materialov. Na primer, bakrena žica na sliki 12 ima veliko izjemno mobilnih nosilcev; vsak atom bakra ima približno en prosti elektron, ki je zaradi svoje majhne mase zelo mobilen. Elektrolit, na primer raztopina slane vode, ni tako dober prevodnik kot baker. Natrijevi in klorovi ioni v raztopini zagotavljajo nosilce naboja. Velika masa vsakega natrijevega in klorovega iona se povečuje, ko se drugi privlačeni ioni grozdijo okoli njih. Posledično je natrijeve in klorove ione veliko težje premikati kot prosti elektroni v bakru. Tudi čista voda je prevodnik, čeprav je slab, saj se le zelo majhen del molekul vode disociira v ione. Plini s kisikom, dušikom in argonom, ki sestavljajo ozračje, so nekoliko prevodni, ker se nekaj nosilcev naboja tvori, ko se plini ionizirajo z sevanjem radioaktivnih elementov na Zemlji, pa tudi iz nezemeljskih kozmičnih žarkov (tj. Atomska jedra s hitrimi hitrostmi in elektronov). Elektroforeza je zanimiva aplikacija, ki temelji na gibljivosti delcev, suspendiranih v elektrolitični raztopini. Različni delci (na primer beljakovine) se gibljejo v istem električnem polju z različnimi hitrostmi; razliko v hitrosti lahko uporabimo za ločevanje vsebine suspenzije.
Tok, ki teče skozi žico, ga greje. Ta znani pojav se pojavlja v grelnih tuljavah električne napeljave ali v vroči volframovi žarnici električne žarnice. To ohmično ogrevanje je osnova za varovalke, ki se uporabljajo za zaščito električnih tokokrogov in preprečevanje požarov; če tok presega določeno vrednost, se varovalka, ki je izdelana iz zlitine z nizkim tališčem, topi in prekine tok toka. Moč P se razprši v uporu R, skozi katerega teče i tok i
kjer je P v vatih (en vat je enak džul na sekundo), je v amperih, R pa v ohmih. Po Ohmovem zakonu je potencialna razlika V med obema koncema upora izražena z V = iR, zato lahko moč P izrazimo enako
V nekaterih materialih pa porazdelitev moči, ki se kaže kot toplota, nenadoma izgine, če se prevodnik ohladi na zelo nizko temperaturo. Izginotje vsakega upora je pojav, ki ga poznamo kot superprevodnost. Kot smo že omenili, elektroni pod vplivom električnega polja v žici pridobijo neko povprečno hitrost pomika v. Običajno elektroni, ki so izpostavljeni sili zaradi električnega polja, pospešujejo in postopoma pridobivajo večjo hitrost. Njihova hitrost je v žici omejena, ker izgubijo nekaj svoje pridobljene energije na žici pri trčenju z drugimi elektroni in pri trčenju z atomi v žici. Izgubljena energija se prenaša na druge elektrone, ki kasneje sevajo, ali pa žica vzbudi z drobnimi mehanskimi vibracijami, ki jih imenujemo fononi. Oba procesa segrevata material. Izraz fonon poudarja povezavo teh vibracij z drugo mehansko vibracijo, in sicer zvokom. V superprevodniku kompleksen kvantni mehanski učinek prepreči te majhne izgube energije v mediju. Učinek vključuje interakcije med elektroni in tudi med elektroni in preostalim materialom. Vizualiziramo ga lahko tako, da razmislimo o povezovanju elektronov v parih z nasprotnimi trenutki; gibanje parnih elektronov je takšno, da se med neelastičnimi trki ali fononskimi vzbujanji medij ne daje energije. Lahko si predstavljamo, da bi se lahko elektron, ki bi "trčil" in izgubil energijo v medij, namesto tega trčil s svojim partnerjem, tako da si izmenjujeta zagon, ne da bi ga nobenemu dali.
Superprevodni material, ki se široko uporablja pri gradnji elektromagnetov, je zlitina niobija in titana. Ta material je treba ohladiti na nekaj stopinj nad absolutno ničelno temperaturo, -263,66 ° C (ali 9,5 K), da se pokaže prevodnost. Takšno hlajenje zahteva uporabo utekočinjenega helija, kar je precej drago. V poznih osemdesetih letih so odkrili materiale, ki imajo superprevodne lastnosti pri veliko višjih temperaturah. Te temperature so višje od –196 ° C tekočega dušika, zaradi česar je mogoče uporabiti slednji namesto tekočega helija. Ker je tekočega dušika veliko in poceni, lahko takšni materiali prinesejo veliko koristi pri najrazličnejših aplikacijah, od električnega prenosa energije do visokohitrostnega računalništva.
Elektromotorna sila
12-voltna avtomobilska baterija lahko daljši čas dovaja tok v tokokrogu, kot je avtomobilski radio, med katerim potencialna razlika med sponkami akumulatorja ostane blizu 12 voltov. Akumulator mora imeti možnost nenehnega polnjenja presežnih pozitivnih in negativnih nabojev, ki se nahajajo na ustreznih terminalih in so odgovorni za 12-voltno razliko potencialov med terminali. Naboje je treba prevažati z enega terminala na drugega v smeri, nasprotni električni sili na nabojih med terminali. Vsaka naprava, ki opravi ta prevoz naboja, je vir elektromotorne sile. Avtomobilska baterija na primer uporablja kemične reakcije za ustvarjanje elektromotorne sile. Generator Van de Graaff, prikazan na sliki 13, je mehanska naprava, ki proizvaja elektromotorno silo. V tridesetih letih prejšnjega stoletja je ameriški fizik Robert J. Van de Graaff izumil to vrsto pospeševalcev delcev, ki se pogosto uporablja za preučevanje subatomskih delcev. Ker je konceptualno preprostejši od kemičnega vira elektromotorne sile, bomo najprej razpravljali o Van de Graaffovem generatorju.
Izolacijski transportni trak nosi pozitiven naboj od podnožja stroja Van de Graaff do notranjosti velike prevodne kupole. Polnjenje se odstrani s pasu z bližino ostrih kovinskih elektrod, ki se imenujejo točke za odstranjevanje naboja. Nato se naboj hitro premakne na zunanjo stran prevodne kupole. Pozitivno nabita kupola ustvarja električno polje, ki usmeri stran od kupole in zagotavlja odbojno delovanje dodatnih pozitivnih nabojev, ki se prevažajo na pasu proti kupoli. Tako se dela, da se tekoči trak obrača. Če je dovoljen tok, da teče od kupole do tal in če je s prenosom naboja na izolacijskem pasu zagotovljen enak tok, se vzpostavi ravnotežje in potencial kupole ostane pri konstantni pozitivni vrednosti. V tem primeru je tok od kupole do zemlje sestavljen iz toka pozitivnih ionov znotraj pospeševalne cevi, ki se giblje v smeri električnega polja. Gibanje naboja na pasu poteka v smeri, nasprotni sili, ki jo na naboj izvaja električno polje kupole. To gibanje naboja v smeri nasproti električnemu polju je značilnost, ki je skupna vsem virom elektromotorne sile.
V primeru kemično ustvarjene elektromotorne sile kemične reakcije sproščajo energijo. Če te reakcije potekajo s kemikalijami v neposredni bližini (npr. Če se pomešajo), sproščena energija segreva zmes. Da nastane voltaična celica, se morajo te reakcije pojaviti na ločenih lokacijah. Bakrena žica in cinkova žica, ki sta v limono, tvorita preprosto voltajsko celico. Potencialno razliko med bakreno in cinkovo žico je mogoče enostavno izmeriti in ugotovimo, da znaša 1,1 voltov; bakrena žica deluje kot pozitiven terminal. Takšna "limonska baterija" je precej slaba voltaična celica, ki lahko oskrbuje le majhne količine električne energije. Druga vrsta 1,1-voltne baterije, izdelane iz v bistvu enakih materialov, lahko zagotovi veliko več električne energije. V tem primeru se v raztopino bakrovega sulfata položi bakrena žica, cinkasta žica pa v raztopino cinkovega sulfata; obe raztopini sta električno povezani s solnim mostom kalijevega klorida. (Solni most je prevodnik z ioni kot nosilci naboja.) Pri obeh vrstah baterij energija izhaja iz razlike v stopnji vezave med elektroni v bakerju in tistimi v cinku. Energija se pridobi, ko se bakrovi ioni iz raztopine bakrovega sulfata odložijo na bakreno elektrodo kot nevtralni bakrovi ioni in tako odstranijo proste elektrone iz bakrene žice. Istočasno gredo atomi cinka iz cinkove žice v raztopino kot pozitivno nabiti cinkovi ioni, pri čemer cink žica pušča s presežki prostih elektronov. Rezultat je pozitivno nabita bakrena žica in negativno nabita cinkova žica. Obe reakciji sta ločeni fizično, solni most pa zaključi notranji tokokrog.
Slika 14 prikazuje 12-voltno baterijo svinčeve kisline, ki uporablja standardne simbole za prikaz baterij v vezju. Akumulator je sestavljen iz šestih voltaičnih celic, od katerih ima vsaka približno dva volta elektromotorne sile; celice so priključene zaporedno, tako da šest posameznih napetosti sešteva do približno 12 voltov (slika 14A). Kot je prikazano na sliki 14B, je vsaka dvovoltna celica sestavljena iz številnih pozitivnih in negativnih elektrod, ki so vzporedno električno povezane. Vzporedna povezava je namenjena zagotavljanju velike površine elektrod, na katerih lahko potekajo kemične reakcije. Večja hitrost, s katero so materiali elektrod sposobni kemične preobrazbe, omogoča akumulatorju, da odda večji tok.
V svinčevi kislini je vsaka voltajska celica sestavljena iz negativne elektrode iz čistega, spužvega svinca (Pb) in pozitivne elektrode svinčevega oksida (PbO 2). Svinec in svinčev oksid sta v raztopini žveplove kisline (H 2 SO 4) in vode (H 2 O). Pri pozitivni elektrodi je kemijska reakcija PbO 2 + SO - / 4 - + 4H + + 2e - → PbSO 4 + 2H 2 O + (1,68 V). Na negativnem terminalu je reakcija Pb + SO - / 4 - → PbSO 4 + 2e - + (0,36 V). Potencial celice je 1,68 + 0,36 = 2,04 voltov. 1,68 in 0,36 voltov v zgornjih enačbah sta potenciala redukcije in oksidacije; so povezane z vezavo elektronov v kemikalijah. Ko se akumulator napolni z avtomobilskim generatorjem ali zunanjim virom napajanja, se dve kemijski reakciji obrneta.
Vezja z enosmernim tokom
Najpreprostejši tok z enosmernim tokom (DC) je sestavljen iz upora, ki je povezan prek vira elektromotorne sile. Simbol za upor je prikazan na sliki 15; tukaj je vrednost R, 60Ω, podana s številčno vrednostjo, ki meji na simbol. Simbol za vir elektromotorne sile, E, je prikazan s pripadajočo vrednostjo napetosti. Konvencija daje terminalu z dolgo črto večji (tj. Bolj pozitiven) potencial kot terminal s kratko črto. Domneva se, da imajo ravne črte, ki povezujejo različne elemente v vezju, zanemarljiv zapor, tako da v teh povezavah ni potenciala. Vezje prikazuje 12-voltno elektromotorno silo, povezano z uporom 60Ω. Črke a, b, c in d na diagramu so referenčne točke.
Funkcija vira elektromotorne sile je vzdrževati točko a pri potencialnih 12 voltih bolj pozitivno kot točka d. Tako je potencialna razlika V a - V d 12 voltov. Potencialna razlika med uporom je V b - V c. Iz Ohmovega zakona je tok, ki teče skozi upor
Ker sta točki a in b povezani z prevodnikom zanemarljivega upora, sta v istem potencialu. Iz istega razloga sta c in d enaka. Zato je V b - V c = V a - V d = 12 voltov. Tok v tokokrogu dobimo z enačbo (24). Tako je i = 12/60 = 0,2 ampera. Moč, ki se v uporu porazdeli kot toplota, se enostavno izračuna z enačbo (22):
Od kod prihaja energija, ki se v uporu odvaja kot toplota? Zagotavlja ga vir elektromotorne sile (npr. Svinčena kislina). Znotraj takega vira se za vsako količino naboja dQ, premaknjeno iz nižjega potenciala na d, na višji potencial pri a, opravi količina dela, enaka dW = dQ (V a - V d). Če to delo opravimo v časovnem intervalu dt, moč, ki jo odda baterija, dobimo tako, da dW delimo na dt. Tako je moč, ki jo oddaja baterija (v vatih)
Z vrednostmi i = 0,2 ampera in V a - V d = 12 voltov je dW / dt = 2,4 vata. Po pričakovanju je moč, ki jo oddaja baterija, enaka moči, ki jo razpršimo kot toplota v uporu.
