Číslo a název projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0619 OP: Vzdělávání pro konkurenceschopnostZvyšování vzdělanosti pomocí e-prostoru

Název a adresa školy Soukromá střední škola a jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Č. Budějovice, s.r.o., Jeronýmova 28/22,České Budějovice

Kód materiálu Klíčová aktivita III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

Název materiálu 14. Vedení elektrického proudu

Autor Mgr. Miroslav Dušek

Tematická oblast Fyzika – Elektřina a magnetismus

Anotace Vzdělávací materiál je určen pro Obchodní akademii a Ekonomické lyceum Materiál obsahuje výklad k problematice vedení elektrického proudu v látkách.

Ročník 2.ročník Obchodní akademie, Ekonomické lyceum

Datum tvorby září -říjen 2013

Pokud není uvedeno jinak, použitý materiál je z vlastních zdrojů autora

Vedení elektrického proudu

v kovech, polovodičích, kapalinách a plynech

Vedení proudu v kovech

• Volné elektrony – posun ve vodiči rychlostí mm /s

• Elektrony – volné z atomového obalu • elektrické pole se rozšíří po celé délce

vodiče velkou rychlostí = všechny elektrony ve vodiči se začnou pohybovat současně !!

Vedení proudu v polovodičích• Polovodiče – látky jejichž odpor je mnohem

vyšší než kovů• Je ovlivněn:

a)teplotou, b) světlem, c)příměsí• při zahřátí měrný odpor klesá !• Polovodičové látky (IV.skupina MPTP): křemík,

selen, germanium• Vodivé částice

– a) volné elektrony (elektronová vodivost)

– b) „díry“ + (děrová vodivost)

Vedení proudu v polovodičích

• Čisté polovodiče bez příměsí – vlastní polovodiče

• Příměsové polovodiče (ze III.nebo V.skupiny MPTP) – 1.donory (dárci) elektronová vodivost ( As, At, Pb) – polovodič typu N

• 2.akceptor (příjemce) – děrová vodivost (Al,Ga,In) – polovodič typu P

• 0,001% příměsi zvyšuje vodivost polovodiče tisícinásobně

Polovodič typu P a NVodivost typu N (negativní):V krystalu křemíku jsou některé atomy nahrazeny pětimocnými atomy, např. fosforu nebo arzenu. Jejich čtyři valenční elektrony se účastní vazeb, ale páté se již v chemických vazbách nemohou uplatnit. Jsou velmi slabě vázané a již při nízkých teplotách se z vazeb uvolní. Tyto volné elektrony způsobují po připojení zdroje elektronovou vodivost polovodiče typu N.

Vodivost typu P (pozitivní)::Zabudují-li se do krystalové mřížky křemíku atomy trojmocného prvku se třemi valenčními elektrony, např. india, chybí pro obsazení všech chemických vazeb elektrony. V místě nenasycené vazby vznikne "díra" s kladným nábojem. Tuto "díru" může zaplnit elektron z některé jiné vazby a "díra" se v krystalu přesune na jeho místo. Po připojení zdroje vznikne děrová vodivost polovodiče typu P.

[1]

Fotovoltaický jev• byl objeven v roce 1839 Antoine-César

Becquerelem (1788-1878). Na rozhraní dvou polovodičových materiálů, na něž dopadá světlo, vzniká elektrické napětí. Světlo se skládá z nesčetných drobných nosičů energie, fotonů. Dopadnou-li tyto fotony na solární článek, budou uvolněny elektrony na n-vrstvě a přesouvat se k p-vrstvě křemíkového polovodiče. Tento přesun se nazývá průtok proudu a probíhá vždy od – do +.

Vedení proudu v kapalinách

• Elektrolyty – roztoky nebo taveniny solí kyselin (zásad)

• Rozklad soli na ionty (např. NaCL Na+ Cl-)• Ionty = nabité částice = přenos

elektrického proudu ( odpor kladou molekuly vody – odpor elektrolytu)

• Ionty – putují k elektrodám – záporná – katoda, kladná - anoda

Využití vedení proudu v kapalinách

• Galvanické pokovování – přenos kladných iontů kovu solí kyselin na zápornou elektrodu (Au, Ag, Cu, Zn,…)

• Elektrolýza vody ( Hofmannův přístroj) – rozklad vody na vodík a kyslík průchodem stejnosměrného elektrického proudu.

• Elektrolýza taveniny – získávání kovů z roztavené rudy (Al, Na)

Faradayův zákon elektrolýzy

• Hmotnost látky, která se vyloučí na elektrodě je přímo úměrná velikosti prošlého náboje

• Faradayova konstanta – F=9,648.104 C.mol-1

( Náboj, který vyloučí z roztoku 1mol látky )

1.zákon: m = A.I.t = A.QA…elektrochemický ekvivalent

2.zákon: AM

F zm

.

F .. Faradayova konstantaz…množství nábojeMm..molární hmotnost

Elektrolýza

[2]

Vedení proudu v plynech• Suchý vzduch – dobrý izolant• Ionty (nabité částice, které vznikají kosmickým

zářením či radioaktivitou v zemské kůře) – vodivé částice ve vzduchu

• Ionizátor – UV záření, radioaktivní záření, plamen svíčky,….

• Výboj – způsob vedení proudu v plynu– A) nesamostatný – všechny ionty (vytváří vnější

činitel) se uspořádaně pohybují a další nejsou k dispozici

– B) samostatný – energie iontů je tak vysoká, že sami tvoří další ionty nárazem na molekuly – počet iontů začne lavinovitě narůstat

Voltampérová charakteristika výboje v plynu

I

U0

In

Un Uz

In……nasycený proudUn…..nasycené napětíUz…..zápalné napětí

Rozdělení výbojů• Rozdělení podle tlaku, při kterém vznikají

– A) atmosférický tlak – obloukový, jiskrový, koronový

– B) nízký tlak – doutnavý výboj

• 1. Obloukový výboj – mezi dvěma uhlíkovými elektrodami – elektrody se nejprve dotknou, pak se rozžhaví

proudem a oddálí od sebe – ubývají (udržení oblouku vyřešil Křižík – oblouková lampa)

[3]

• 2. Jiskrový výboj – nejznámější v přírodě - blesk– Nahromadění velkého

množství el.náboje vyvolá ionizaci vzduchu a následné vybití na hrotu bleskosvodu přes bleskový kanál

• Kulový blesk – dosud nevysvětlený přírodní úkaz související s elektrickým výbojem. Objevuje se za bouřky či před ní v podobě svítící koule nízko nad zemí. Pohybuje se pomalu a nepředvídatelně. Trvá až desítky sekund – pak vyhasne nebo exploduje.

[4]

[5]

• 3. Korónový výboj – oheň sv.Eliáše – již od pradávna znali námořníci – před bouřkou na vrcholcích stěžňů či věží

• Vzniká na vodičích vysokého napětí a způsobuje ztráty elektrického napětí

• 4. Doutnavý výboj – v nízkotlakých výbojkách ( skleněné trubice různého tvaru, plněné netečnými plyny za nízkého tlaku

Katoda Anoda

[6]

• Využití doutnavého výboje– 1) Doutnavky

(signální) – tvar žárovky,plněny neonem – kontrola přítomnosti napětí ( např. el.sporák v kuchyni, žehlička apod.)

– 2) Zářivky a reklamní trubice – úsporné zdroje světla – (povrch trubice je pokryt světélkující vrstvou, která je buzena UV zářením výboje) – studené světlo, vyšší účinnost přeměny el.energie na světlo.

[7]

[8]

Použité zdroje:

SVOBODA, Emanuel aj. Přehled středoškolské fyziky. 4. upravené vydání. Praha: Prometheus, 2006. 515 s. ISBN 80-7196-307-0.DOC.ING.IVAN ŠTOLL,CSC. - Fyzika (pro netechnické obory SOŠ a SOU)Prometheus 2007, 260 s. ISBN 978-80-7196-223-6učebnice s doložkou MŠMT čj.1 527/07-23 ze dne 2.4.2007AKADEMIK VLADIMÍR HAJKO, PROF.RNDR.JURAJ DANIEL-SZABO, CSC. - Základy fyzikyVEDA 1983 (Bratislava)

Použité obrázky:[1] polovodiče typu P a N[online]. 3. 9. 2013 [cit. 3. 9. 2013]. Dostupný na http://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/obr/polo3.gif [2] Elektrolýza[online]. 3.9.2013. [cit. 3. 9. 2013]. Dostupný na http://dragonadam.wz.cz/obrazky/elektrolyza_cuso4_c.gif[3] František Křižík[online]. 3.9.2013. [cit. 3. 9. 2013]. Dostupný na http://www.mestobechyne.cz/customers/bechyne/ftp/www/mesto/osobnosti/krizik.jpg[4] Jiskrový výboj - blesk[online]. 3.9.2013. [cit. 3. 9. 2013]. Dostupný http://www.aldebaran.cz/astrofyzika/plazma/plasma/blesk.jpg[5] Kulový blesk[online]. 3.9.2013. [cit. 3. 9. 2013]. Dostupný http://www.aldebaran.cz/astrofyzika/plazma/plasma/blesk.jpg[6] Korónový výboj – oheň sv.Eliáše[online]. 3.9.2013. [cit. 3. 9. 2013]. Dostupný http://www.projektzare.cz/wp-content/uploads/2012/02/eliasuv-ohen1.jpg[7] Doutnavka [online] 3.9.2013. [cit. 3. 9. 2013]. Dostupný na http://pokusy.chytrak.cz/schemata/inframenic/doutnavka.jpg[8] Neonová reklamní trubice [online] 3.9.2013. [cit. 3. 9. 2013]. Dostupný na http://www.neon-reklama.cz/image.axd?picture=slider/bg12.jpg