НАЦІОНАЛЬНИЙ ПЕДАГОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім МП ДРАГОМАНОВА

Лабораторна робота з цифрових освітніх ресурсів

на тему laquoСила струмуraquo

Виконав

студент 41 ФІА групи

Банак Роман

КИЇВ 2015

Зміст1Електричний струм сила і густина струму3

2Сторонні сили ЕРС та напруга6

3Електричний струм у рідинах8

4Електричний струм у напівпровідниках11

Список літератури15

2

1Електричний струм сила і густина струмуЕлектричним струмом називається впорядкований рух заряджених

частинок (Мал11 Рух електронів без ЕП 1Мал12 Рух електронів під дією ЕП 1) Зарядженими частинками в різних середовищах можуть бути різні частинки в металах - електрони в напівпровідниках - електрони і дірки в електролітах - іони

Мал11 Рух електронів без ЕП 1

Мал12 Рух електронів під дією ЕП 1

Умови виникнення струму1Наявність вільних носіїв заряду2 Присутність електричного поля в провіднику або різниці потенціалів

між кінцями провідникаРечовини що проводять електричний струм називають провідниками Як

було сказано основним методом збудження струму провідності є створення в провіднику електричного поля Під дією сил поля виникає упорядкований рух носіїв заряду позитивні мікроскопічні заряди рухаються в напрямі вектора напруженості поля а негативні mdash у протилежному напрямі За напрям електричного струму прийнято вважати напрям руху позитивно заряджених частинок В металах за напрям струму вибирають напрям протилежний до напрямку руху електронів хоча струм обумовлений рухом електронів

Мал13 Рух електронів у провіднику 13

Опишемо в загальних рисах модель електричного струму (Error Referencesource not found) Відомо що при температурах відмінних від 0К електрони в металі перебувають у безперервному хаотичному русі але враховуючи хаотичність руху можна стверджувати що сумарний заряд який переноситься через будь-який поперечний переріз провідника рівний нулю Коли в провіднику створити електричне поле електрони набуватимуть деякої додаткової (напрямленої) швидкості Ця швидкість називається дрейфовою Перенесення заряду може відбуватись лише за рахунок дрейфової швидкості вона і визначає струм в провіднику

Вивчаючи струм провідності рух заряджених частинок у речовині зображають неперервними кривими mdash лініями струму Лінія струму ndash це лінія дотична в кожній точці якої співпадає із напрямком дрейфової швидкості носія заряду в цій точці За напрям ліній струму в кожній точці речовини прийнято напрям упорядкованого руху позитивних носіїв заряду Лінії струму утворюють замкнені циліндричні поверхні які називають трубками струму тобто трубка струму ndash це частина середовища по якому протікає струм обмежена лініями струму При цьому носії заряду під час руху не перетинають бокових поверхонь трубок струму Поверхню провідника в багатьох задачах можна вважати трубкою струму

Силою струму називають скалярну величину яка чисельно дорівнює зарядові що переноситься крізь поперечний переріз провідника за одиницю часу

I=dqdt

(11)

де dt-нескінченно малий проміжок часу dq-заряд що проходить через поперечний переріз провідника протягом цього часу

Якщо за однакові проміжки часу Δt крізь поперечний переріз провідника проходять однаковий заряд Δq і напрям струму при цьому не змінюється такий струм називають стаціонарним або постійним Сила постійного струму визначатиметься відношенням

I=∆ q∆t

(12)

Одиницею вимірювання сили струму є Ампер означення дається через електромагнітну взаємодію двох провідників вимірюється за допомогою приладів які називаються амперметрами

Дуже часто зручно використовувати поняття густини струму яка також є характеристикою струму але векторною Густина струму - це вектор що по напрямку співпадає з дрейфовою швидкістю в даному місці і по модулю рівний величині заряду що переноситься за одиницю часу через одиницю площі розміщеної нормально до дрейфової швидкості Або по іншому Густина

4

струму чисельно дорівнює відношенню сили струму dI що проходить крізь перпендикулярну до напряму руху носіїв поверхню dS до площі цієї поверхні

Згідно з цим означенням густини струму можемо записати звязок між силою струму та густиною струму

J= dIdS (13)

Визначимо густину струму як векторну величину і через характеристики носіїв заряду

J=en v (14)

де еasymp-1610-19Кл ndashзаряд електрона n- концентрація електронів для металів n=1022-1023см-3 v - дрейфова швидкість електронів З 14 видно що густина струму напрямлена протилежно до напрямку руху електронів

Провівши більш детальний аналіз та розглянувши випадок коли струм обумовлений рухом як негативно так і позитивно заряджених частинок отримаємо таку формулу

J=eminusiquestnminusiquest vminusiquest+e+iquest n+ iquest v+iquest iquest iquest iquest iquestiquest iquest (115)

де eminusiquest nminusiquest vminusiquestiquest iquestiquest та e+iquestn+iquest v+iquestiquestiquest iquest - заряд концентрація дрейфова швидкість негативно та позитивно заряджених вільних носіїв заряду - відповідно

Вектор густини струму J визначає електричний струм у даній точці провідника де заряджені частинки рухаються зі дрейфовою швидкістю v Знаючи густину струму в кожній точці провідника можна розрахувати силу струму в цьому провіднику за формулою

I=ints

J d S=ints

J n dS=ints

J n dS (116)

де d S=dS n n mdash вектор нормалі до елемента площі dS Jn= J n=Jcosα mdash проекція вектора J на напрям нормалі n α mdash кут між векторами J і n Інтегрування проводиться по площі поперечного перерізу провідника З іншого боку потік вектора напруженості електричного поля та проводячи аналогічні міркування можна сказати що сила струму в провіднику визначається потоком вектора густини струму через поперечний переріз провідника

У випадку рівномірного розподілу струму по площі S поперечного перерізу провідника перпендикулярній до напряму струму сила постійного струму визначатиметься формулою

I=env=JS (117)

5

2Сторонні сили ЕРС та напруга

Постійний струм проходить в провіднику доти доки в ньому існує стаціонарне електричне поле Припустимо що в цьому полі на носіїв наряду діють одні тільки кулонівські сили які переносять позитивні заряди в напрямі поля від вищого потенціалу до нижчого Оскільки кулонівські сили потен-ціальні й роботу по переміщенню зарядів виконують завдяки енергії елект-ричного поля то переміщення носіїв заряду дуже швидко приведе до того що поле всередині провідника зрівноважиться провідник стане еквіпотенціальним і впорядкований рух заряджених частинок припиниться Отже постійний струм у провіднику неможливо підтримувати за допомогою одних лише кулонівських сил Для цього разом з кулонівськими силами потрібна дія інших сил неелектричної природи внаслідок роботи яких можна протягом тривалого часу підтримувати незмінною напруженість електричного поля всередині провідника Інакше кажучи за допомогою додаткового процесу потрібно від кінця провідника з меншим потенціалом безперервно відводити принесені струмом позитивні заряди а до кінця провідника з більшим потенціалом безперервно їх підводити

Такий рух зарядів можна здійснити по замкненому контуру (Мал21 Рухзарядів в замкненому контурі 1) утвореному резистивним елементом R і джерелом електрорушійної сили або кількома такими джерелами в яких позитивні заряди переносяться проти напряму сил електричного поля (від нижчого потенціалу φ2 до вищого φ1)

Переміщення носіїв позитивного заряду на цих ділянках проти напряму вектора напруженості можливе тільки за допомогою сил неелектростатичного походження Будь-які сили неелектростатичної природи які діють на заряджені частинки називають сторонніми силами Сторонні сили можуть діяти як на окремих ділянках так і по всій довжині замкненого кола Вони можуть бути зумовлені механічними або хімічними процесами дифузією носіїв заряду в неоднорідному середовищі змінними магнітними полями освітленням поверхні деяких речовин короткохвильовим випромінюванням тощо Пристрій в якому виникають сторонні сили називають джерелом струму (наприклад гальванічний елемент генератор електричного струму термопара сонячна

6

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 1

батарея) Джерелом електричної енергії називають пристрій який перетворює енергію будь-якого виду в електричну

Отже постійні струми проходять тільки в провідниках приєднаних до джерел струму При цьому на кінцях провідника підтримується постійна різниця потенціалів внаслідок роботи яку виконують сторонні сили завдяки енергії джерела струму Параметром поля сторонніх сил є напруженість поля сторонніх сил яка вводиться за формальною аналогією з напруженістю електричного поля

E= Fq

(21)

Використовуючи 21 можна визначити силу що діє на одиничний позитивний заряд q в джерелі струму

F=E q (22)

Слід відмітити що поле сторонніх сил не є потенціальним відповідно до означення потенціальності поля робота по замкненому шляху не дорівнюватиме нулю

Джерело електрорушійної сили характеризується електрорушійною силою (ЕРС) Електрорушійна сила виникає лише в не потенціальних полях і чисельно рівна роботі по перенесенню одиничного позитивного заряду по всьому замкнутому електричному колі

ε=A0

q (23)

Де ε - електрорушійна сила A0 - робота із переміщення заряду q по всьому колі

Вимірюється ЕРС у Вольтах Електрорушійна сила незважаючи на цю назву є енергетичною характеристикою самого джерела струму

7

3Електричний струм у рідинахСпостереження показали що багато рідини дуже погано проводять

електричний струм (дистильована вода гліцерин гас і тд) Водні розчини солей кислот і лугів добре проводять електричний струм

Розглянемо дослід (Мал31 Дослід з дистильованою водою 1) У посудину з дистильованою водою опустимо два електроди Зберемо коло із джерела струму ключа лампочки та чутливого амперметра Якщо замкнути коло то стрілка амперметра не відхилиться Це означає що дистильована вода не містить вільних носіїв заряду й у колі немає струму

У такий же спосіб можна переконатися що суха камяна сіль так само є діелектриком

А тепер laquoобєднаємоraquo ці два діелектрики насиплемо у посудину з водою дві-три ложки камяної солі Ми побачимо що лампочка загориться причому в міру розчинення солі розжарення лампи збільшується

Мал31 Дослід з дистильованою водою 1

Цей дослід доводить що підсолена вода є провідником причому носії заряду зявляються під час розчинення солі у воді

За допомогою подібних дослідів можна визначити що практично усі водні розчини солей кислот і лугів є провідниками електричного струму

Електролітами називаються речовини розчини яких проводять електричний струм

Молекули солей кислот і лугів утворені позитивними й негативними йонами що утримуються силами електростатичного притягування Наприклад у молекулах камяної солі NaCl позитивно заряджений іон натрію Na+

притягується до негативного йона хлору СІ- У водяному розчині молекули води послаблюють звязок між іонами (Мал32 Послаблення звязку між іонами1)

Мал32 Послаблення звязку між іонами 1

8

При зіткненнях обумовлених тепловим рухом молекула розпадається на позитивні й негативні йони що стають носіями заряду в електроліті

Таким чином носіями заряду в електролітах є йони тобто електроліти мають іонну провідність

Розпад молекул на йони називають електролітичною дисоціацією

Зі збільшенням температури ступінь дисоціації зростає а отже збільшується концентрація позитивно і негативно заряджених іонів

У розчині може відбуватися також процес що називається рекомбінацією

Рекомбінація mdash процес зєднання йонів у нейтральні молекули

Між процесами електролітичної дисоціації й рекомбінації йонів за незмінних умов установлюється динамічна рівновага за якої число молекул що розпадаються на йони за одиницю часу дорівнює числу пар іонів що за цей час зєднуються в нейтральні молекули Розглянемо схему дослідження струму у рідинах (Error Reference source not found) 1 ndash анод 2 ndash катод 3 ndash ванна з розчином електроліту

Мал33 Дослідження струму у рідинах 1

Іони в електролітах рухаються хаотично доти поки в рідину не опускаються електроди Тоді на хаотичний рух іонів накладається їхній упорядкований рух до відповідних електродів і в рідині виникає електричний струм

За йонної провідності проходження струму повязане з переносом речовини На електродах відбувається виділення речовин що входять до складу електролітів

Процес виділення речовини на електродах при проходженні елек-тричного струму через електроліт називають електролізом

На аноді негативно заряджені йони віддають свої зайві електрони (у хімії цей процес називається окисною реакцією) а на катоді позитивні йони одержують електрони яких не вистачає (відновна реакція)

9

Ступенем дисоціації називається число молекул n0 диссоциированного на іони до загального числа молекул n0

α=n0

n0 (31)

Кожний іон що в процесі електролізу нейтралізується на електроді й виділяється на ньому у вигляді нейтрального атома має визначену масу Але водночас він переносить через електроліт визначений заряд Тому і маса речовини що виділилася і кількість електрики що пройшла пропорційні числу йонів що підходять до даного електроду

Кількісно закон електролізу був установлений дослідним шляхом Майклом Фарадеєм у першій половині XIX сторіччя Фарадей виявив що

маса речовини яка виділилась на електроді при проходженні електричного струму пропорційна заряду що пройшов через електроліт

m=kq (32)

Оскільки q=It де I mdash сила струму t mdash час проходження струму то m=kIt

Сталу k називають електрохімічним еквівалентом речовини Зміст цього коефіцієнта можна зясувати з виразу

k=mq

(33)

Електрохімічний еквівалент чисельно дорівнює масі речовини в кг що виділяється при проходженні 1 Кл електрики

Як бачимо електрохімічні еквіваленти неоднакові не тільки для різних речовин але й для тієї самої речовини в різних сполуках у яких вона має різну валентність (наприклад CuCl і CuS04)

10

4Електричний струм у напівпровідниках

Напівпровідниками вважають речовини питомій опір яких має проміжне значення між питомим опором металів і діелектриків

Таке означення напівпровідників не є вичерпним оскільки є речовини з проміжним значенням питомого опору але які не є напівпровідниками Деякі напівпровідники є такими ж добрими провідниками струму як і метали

Напівпровідники відрізняються від інших речовин деякими

властивостями і значення їх питомого опору не є головним серед них Для

напівпровідників є характерною дуже сильна залежність їх питомого опору від

стану речовини від температури освітлення наявності домішок тощо

В провідниках є величезна кількість вільних зарядів які мають хорошу

рухливість

В діелектриках немає (майже) вільних зарядів

В напівпровідниках при звичайних умовах немає вільних зарядів а при

нагріванні опроміненні наявності домішок зrsquoявляється велика кількість

вільних зарядів і вони стають провідниками

Напівпровідники mdash речовини питомий опір яких дуже швидко зменшується з підвищенням температури

11

Мал41 Електричні властивості речовин 1Мал41 Електричні властивості речовин 1

Розглянемо залежність питомого опору напівпровідника від абсолютної температури (Мал42 Залежність питомого опору НП 1)

Мал42 Залежність питомого опору НП 1

Взаємодія пари сусідніх атомів у напівпровідниках здійснюється за допомогою ковалентного звязку В утворенні цього звязку від кожного атома бере участь по одному валентному електрону які відщеплюються від атомів і під час свого руху велику частину часу проводять у просторі між сусідніми атомами їх негативний заряд утримує позитивні іони один поблизу одного

Кожний атом утворює чотири звязки із сусідніми й будь-який валентний електрон може рухатися по одному з них Дійшовши до сусіднього атома він може перейти до наступного а потім далі вздовж усього кристала Валентні електрони належать усьому кристалу

Ковалентні звязки напівпровідника достатньо міцні й за низьких температур не розриваються Тому напівпровідники за низької температури не проводять електричний струм Валентні електрони що беруть участь у звязках атомів міцно привязані до кристалічних решіток і зовнішнє електричне поле не чинить помітного впливу на їхній рух

Власна провідність напівпровідників У разі нагрівання напівпровідника кінетична енергія частинок підвищується й відбувається розрив окремих звязків Деякі електрони стають вільними подібно до електронів у металі В електричному полі вони переміщаються між вузлами решіток утворюючи електричний струм

Провідність напівпровідників що зумовлена наявністю в них вільних електронів називається електронною провідністю

У тій парі атомів звідки зовнішнім впливом mdash нагріванням або освітленням mdash електрон був переведений у вільний стан зявляється надлишковий позитивний іон Тепловий рух атомів кристала призводить до того що який-небудь електрон із найближчих сусідніх атомів переходить до даного іона Тоді позитивним іоном виявляється сусідній атом звідки був ldquoзахопленийrdquo електрон Такий процес відбувається багато разів і тому переміщення позитивного заряду всередині кристала яке відображає насправді рух звязаних електронів від одного атома до іншого називають рухом дірок Легко побачити що поява дірок у кристалі створює додаткові можливості для

12

перенесення заряду Під час створення в напівпровіднику електричного поля дірки переміщаються в тому напрямі куди рухалися б позитивні заряди

Власну провідність напівпровідників можна розглянути на основі уявлення про будову типового напівпровідника mdash германію (Мал43Напівпровідник - германій 1)

Мал43 Напівпровідник - германій 1

Домішкова провідність напівпровідників Отже для чистих напівпровідників притамана власна провідність провідність що здійснюють переміщенням вільних електронів є електронна провідність а провідність дірок ndash діркова провідність Діркова провідність виникає тоді коли в кристал германію введені атоми (наприклад індію) Розглянемо атом індію який створив з допомогою своїх валентних електронів ковалентні звязки лише з трьома сусідніми атомами германію (Error Reference source not found)

Мал44 Звязок атома індію з германієм 1

За схемою будови напівпровідникового кристала бачимо що відбувається коли в нього вводиться домішка наприклад мишяку що має пять валентних електронів (донорна домішка) або тривалентного бору (акцепторна домішка) (Мал45 Акцепторна домішка 1)

Оскільки напівпровідники що мають донорні домішки віддають зайві валентні електрони наділені більшим числом електронів (у порівнянні з числом дірок) їх називають напівпровідниками n-типу переважає електронна

13

провідність В напівпровідниках n-типу електрони є основними носіями заряду а дірки mdash неосновними

Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу Акцепторні домішки створюють дірки утворюється напівпровідник р-типу Основними носіями заряду в напівпровіднику р-типу є дірки а неосновними mdash електрони

Мал45 Акцепторна домішка 1

14

Список літератури

[1] В Г Баряхтар Ф Я Божинова М М Кірюхін и О О Кірюхіна Фізика 11 клас Академічний рівень Профільний рівен Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів Харків Ранок 2011

[2] Т Засєкіна и Д Засєкін Фізика підручник для 11 класів загальноосвітніх закладів (академічний рівень профільний рівень) Харків Синиця 2011

[3] laquohttpstudopedianet1_9698_elektrichniy-strum-ta-yogo-harakteristiki-sila-gustina-strumuhtmlraquo [В Интернете]

[4] laquohttpstudopedianet6_21800_tema--elektrichniy-strum-v-ridinah-i-v-gazahhtmlraquo [В Интернете]

[5] laquohttpsvitpptcomuafizikasila-strumu-vimiryuvannya-sili-strumuhtmlraquo [В Интернете]

Мал11 Рух електронів без ЕП 13

Мал12 Рух електронів під дією ЕП 13

Мал13 Рух електронів у провіднику 13

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 16

15

Зміст1Електричний струм сила і густина струму3

2Сторонні сили ЕРС та напруга6

3Електричний струм у рідинах8

4Електричний струм у напівпровідниках11

Список літератури15

2

1Електричний струм сила і густина струмуЕлектричним струмом називається впорядкований рух заряджених

частинок (Мал11 Рух електронів без ЕП 1Мал12 Рух електронів під дією ЕП 1) Зарядженими частинками в різних середовищах можуть бути різні частинки в металах - електрони в напівпровідниках - електрони і дірки в електролітах - іони

Мал11 Рух електронів без ЕП 1

Мал12 Рух електронів під дією ЕП 1

Умови виникнення струму1Наявність вільних носіїв заряду2 Присутність електричного поля в провіднику або різниці потенціалів

між кінцями провідникаРечовини що проводять електричний струм називають провідниками Як

було сказано основним методом збудження струму провідності є створення в провіднику електричного поля Під дією сил поля виникає упорядкований рух носіїв заряду позитивні мікроскопічні заряди рухаються в напрямі вектора напруженості поля а негативні mdash у протилежному напрямі За напрям електричного струму прийнято вважати напрям руху позитивно заряджених частинок В металах за напрям струму вибирають напрям протилежний до напрямку руху електронів хоча струм обумовлений рухом електронів

Мал13 Рух електронів у провіднику 13

Опишемо в загальних рисах модель електричного струму (Error Referencesource not found) Відомо що при температурах відмінних від 0К електрони в металі перебувають у безперервному хаотичному русі але враховуючи хаотичність руху можна стверджувати що сумарний заряд який переноситься через будь-який поперечний переріз провідника рівний нулю Коли в провіднику створити електричне поле електрони набуватимуть деякої додаткової (напрямленої) швидкості Ця швидкість називається дрейфовою Перенесення заряду може відбуватись лише за рахунок дрейфової швидкості вона і визначає струм в провіднику

Вивчаючи струм провідності рух заряджених частинок у речовині зображають неперервними кривими mdash лініями струму Лінія струму ndash це лінія дотична в кожній точці якої співпадає із напрямком дрейфової швидкості носія заряду в цій точці За напрям ліній струму в кожній точці речовини прийнято напрям упорядкованого руху позитивних носіїв заряду Лінії струму утворюють замкнені циліндричні поверхні які називають трубками струму тобто трубка струму ndash це частина середовища по якому протікає струм обмежена лініями струму При цьому носії заряду під час руху не перетинають бокових поверхонь трубок струму Поверхню провідника в багатьох задачах можна вважати трубкою струму

Силою струму називають скалярну величину яка чисельно дорівнює зарядові що переноситься крізь поперечний переріз провідника за одиницю часу

I=dqdt

(11)

де dt-нескінченно малий проміжок часу dq-заряд що проходить через поперечний переріз провідника протягом цього часу

Якщо за однакові проміжки часу Δt крізь поперечний переріз провідника проходять однаковий заряд Δq і напрям струму при цьому не змінюється такий струм називають стаціонарним або постійним Сила постійного струму визначатиметься відношенням

I=∆ q∆t

(12)

Одиницею вимірювання сили струму є Ампер означення дається через електромагнітну взаємодію двох провідників вимірюється за допомогою приладів які називаються амперметрами

Дуже часто зручно використовувати поняття густини струму яка також є характеристикою струму але векторною Густина струму - це вектор що по напрямку співпадає з дрейфовою швидкістю в даному місці і по модулю рівний величині заряду що переноситься за одиницю часу через одиницю площі розміщеної нормально до дрейфової швидкості Або по іншому Густина

4

струму чисельно дорівнює відношенню сили струму dI що проходить крізь перпендикулярну до напряму руху носіїв поверхню dS до площі цієї поверхні

Згідно з цим означенням густини струму можемо записати звязок між силою струму та густиною струму

J= dIdS (13)

Визначимо густину струму як векторну величину і через характеристики носіїв заряду

J=en v (14)

де еasymp-1610-19Кл ndashзаряд електрона n- концентрація електронів для металів n=1022-1023см-3 v - дрейфова швидкість електронів З 14 видно що густина струму напрямлена протилежно до напрямку руху електронів

Провівши більш детальний аналіз та розглянувши випадок коли струм обумовлений рухом як негативно так і позитивно заряджених частинок отримаємо таку формулу

J=eminusiquestnminusiquest vminusiquest+e+iquest n+ iquest v+iquest iquest iquest iquest iquestiquest iquest (115)

де eminusiquest nminusiquest vminusiquestiquest iquestiquest та e+iquestn+iquest v+iquestiquestiquest iquest - заряд концентрація дрейфова швидкість негативно та позитивно заряджених вільних носіїв заряду - відповідно

Вектор густини струму J визначає електричний струм у даній точці провідника де заряджені частинки рухаються зі дрейфовою швидкістю v Знаючи густину струму в кожній точці провідника можна розрахувати силу струму в цьому провіднику за формулою

I=ints

J d S=ints

J n dS=ints

J n dS (116)

де d S=dS n n mdash вектор нормалі до елемента площі dS Jn= J n=Jcosα mdash проекція вектора J на напрям нормалі n α mdash кут між векторами J і n Інтегрування проводиться по площі поперечного перерізу провідника З іншого боку потік вектора напруженості електричного поля та проводячи аналогічні міркування можна сказати що сила струму в провіднику визначається потоком вектора густини струму через поперечний переріз провідника

У випадку рівномірного розподілу струму по площі S поперечного перерізу провідника перпендикулярній до напряму струму сила постійного струму визначатиметься формулою

I=env=JS (117)

5

2Сторонні сили ЕРС та напруга

Постійний струм проходить в провіднику доти доки в ньому існує стаціонарне електричне поле Припустимо що в цьому полі на носіїв наряду діють одні тільки кулонівські сили які переносять позитивні заряди в напрямі поля від вищого потенціалу до нижчого Оскільки кулонівські сили потен-ціальні й роботу по переміщенню зарядів виконують завдяки енергії елект-ричного поля то переміщення носіїв заряду дуже швидко приведе до того що поле всередині провідника зрівноважиться провідник стане еквіпотенціальним і впорядкований рух заряджених частинок припиниться Отже постійний струм у провіднику неможливо підтримувати за допомогою одних лише кулонівських сил Для цього разом з кулонівськими силами потрібна дія інших сил неелектричної природи внаслідок роботи яких можна протягом тривалого часу підтримувати незмінною напруженість електричного поля всередині провідника Інакше кажучи за допомогою додаткового процесу потрібно від кінця провідника з меншим потенціалом безперервно відводити принесені струмом позитивні заряди а до кінця провідника з більшим потенціалом безперервно їх підводити

Такий рух зарядів можна здійснити по замкненому контуру (Мал21 Рухзарядів в замкненому контурі 1) утвореному резистивним елементом R і джерелом електрорушійної сили або кількома такими джерелами в яких позитивні заряди переносяться проти напряму сил електричного поля (від нижчого потенціалу φ2 до вищого φ1)

Переміщення носіїв позитивного заряду на цих ділянках проти напряму вектора напруженості можливе тільки за допомогою сил неелектростатичного походження Будь-які сили неелектростатичної природи які діють на заряджені частинки називають сторонніми силами Сторонні сили можуть діяти як на окремих ділянках так і по всій довжині замкненого кола Вони можуть бути зумовлені механічними або хімічними процесами дифузією носіїв заряду в неоднорідному середовищі змінними магнітними полями освітленням поверхні деяких речовин короткохвильовим випромінюванням тощо Пристрій в якому виникають сторонні сили називають джерелом струму (наприклад гальванічний елемент генератор електричного струму термопара сонячна

6

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 1

батарея) Джерелом електричної енергії називають пристрій який перетворює енергію будь-якого виду в електричну

Отже постійні струми проходять тільки в провідниках приєднаних до джерел струму При цьому на кінцях провідника підтримується постійна різниця потенціалів внаслідок роботи яку виконують сторонні сили завдяки енергії джерела струму Параметром поля сторонніх сил є напруженість поля сторонніх сил яка вводиться за формальною аналогією з напруженістю електричного поля

E= Fq

(21)

Використовуючи 21 можна визначити силу що діє на одиничний позитивний заряд q в джерелі струму

F=E q (22)

Слід відмітити що поле сторонніх сил не є потенціальним відповідно до означення потенціальності поля робота по замкненому шляху не дорівнюватиме нулю

Джерело електрорушійної сили характеризується електрорушійною силою (ЕРС) Електрорушійна сила виникає лише в не потенціальних полях і чисельно рівна роботі по перенесенню одиничного позитивного заряду по всьому замкнутому електричному колі

ε=A0

q (23)

Де ε - електрорушійна сила A0 - робота із переміщення заряду q по всьому колі

Вимірюється ЕРС у Вольтах Електрорушійна сила незважаючи на цю назву є енергетичною характеристикою самого джерела струму

7

3Електричний струм у рідинахСпостереження показали що багато рідини дуже погано проводять

електричний струм (дистильована вода гліцерин гас і тд) Водні розчини солей кислот і лугів добре проводять електричний струм

Розглянемо дослід (Мал31 Дослід з дистильованою водою 1) У посудину з дистильованою водою опустимо два електроди Зберемо коло із джерела струму ключа лампочки та чутливого амперметра Якщо замкнути коло то стрілка амперметра не відхилиться Це означає що дистильована вода не містить вільних носіїв заряду й у колі немає струму

У такий же спосіб можна переконатися що суха камяна сіль так само є діелектриком

А тепер laquoобєднаємоraquo ці два діелектрики насиплемо у посудину з водою дві-три ложки камяної солі Ми побачимо що лампочка загориться причому в міру розчинення солі розжарення лампи збільшується

Мал31 Дослід з дистильованою водою 1

Цей дослід доводить що підсолена вода є провідником причому носії заряду зявляються під час розчинення солі у воді

За допомогою подібних дослідів можна визначити що практично усі водні розчини солей кислот і лугів є провідниками електричного струму

Електролітами називаються речовини розчини яких проводять електричний струм

Молекули солей кислот і лугів утворені позитивними й негативними йонами що утримуються силами електростатичного притягування Наприклад у молекулах камяної солі NaCl позитивно заряджений іон натрію Na+

притягується до негативного йона хлору СІ- У водяному розчині молекули води послаблюють звязок між іонами (Мал32 Послаблення звязку між іонами1)

Мал32 Послаблення звязку між іонами 1

8

При зіткненнях обумовлених тепловим рухом молекула розпадається на позитивні й негативні йони що стають носіями заряду в електроліті

Таким чином носіями заряду в електролітах є йони тобто електроліти мають іонну провідність

Розпад молекул на йони називають електролітичною дисоціацією

Зі збільшенням температури ступінь дисоціації зростає а отже збільшується концентрація позитивно і негативно заряджених іонів

У розчині може відбуватися також процес що називається рекомбінацією

Рекомбінація mdash процес зєднання йонів у нейтральні молекули

Між процесами електролітичної дисоціації й рекомбінації йонів за незмінних умов установлюється динамічна рівновага за якої число молекул що розпадаються на йони за одиницю часу дорівнює числу пар іонів що за цей час зєднуються в нейтральні молекули Розглянемо схему дослідження струму у рідинах (Error Reference source not found) 1 ndash анод 2 ndash катод 3 ndash ванна з розчином електроліту

Мал33 Дослідження струму у рідинах 1

Іони в електролітах рухаються хаотично доти поки в рідину не опускаються електроди Тоді на хаотичний рух іонів накладається їхній упорядкований рух до відповідних електродів і в рідині виникає електричний струм

За йонної провідності проходження струму повязане з переносом речовини На електродах відбувається виділення речовин що входять до складу електролітів

Процес виділення речовини на електродах при проходженні елек-тричного струму через електроліт називають електролізом

На аноді негативно заряджені йони віддають свої зайві електрони (у хімії цей процес називається окисною реакцією) а на катоді позитивні йони одержують електрони яких не вистачає (відновна реакція)

9

Ступенем дисоціації називається число молекул n0 диссоциированного на іони до загального числа молекул n0

α=n0

n0 (31)

Кожний іон що в процесі електролізу нейтралізується на електроді й виділяється на ньому у вигляді нейтрального атома має визначену масу Але водночас він переносить через електроліт визначений заряд Тому і маса речовини що виділилася і кількість електрики що пройшла пропорційні числу йонів що підходять до даного електроду

Кількісно закон електролізу був установлений дослідним шляхом Майклом Фарадеєм у першій половині XIX сторіччя Фарадей виявив що

маса речовини яка виділилась на електроді при проходженні електричного струму пропорційна заряду що пройшов через електроліт

m=kq (32)

Оскільки q=It де I mdash сила струму t mdash час проходження струму то m=kIt

Сталу k називають електрохімічним еквівалентом речовини Зміст цього коефіцієнта можна зясувати з виразу

k=mq

(33)

Електрохімічний еквівалент чисельно дорівнює масі речовини в кг що виділяється при проходженні 1 Кл електрики

Як бачимо електрохімічні еквіваленти неоднакові не тільки для різних речовин але й для тієї самої речовини в різних сполуках у яких вона має різну валентність (наприклад CuCl і CuS04)

10

4Електричний струм у напівпровідниках

Напівпровідниками вважають речовини питомій опір яких має проміжне значення між питомим опором металів і діелектриків

Таке означення напівпровідників не є вичерпним оскільки є речовини з проміжним значенням питомого опору але які не є напівпровідниками Деякі напівпровідники є такими ж добрими провідниками струму як і метали

Напівпровідники відрізняються від інших речовин деякими

властивостями і значення їх питомого опору не є головним серед них Для

напівпровідників є характерною дуже сильна залежність їх питомого опору від

стану речовини від температури освітлення наявності домішок тощо

В провідниках є величезна кількість вільних зарядів які мають хорошу

рухливість

В діелектриках немає (майже) вільних зарядів

В напівпровідниках при звичайних умовах немає вільних зарядів а при

нагріванні опроміненні наявності домішок зrsquoявляється велика кількість

вільних зарядів і вони стають провідниками

Напівпровідники mdash речовини питомий опір яких дуже швидко зменшується з підвищенням температури

11

Мал41 Електричні властивості речовин 1Мал41 Електричні властивості речовин 1

Розглянемо залежність питомого опору напівпровідника від абсолютної температури (Мал42 Залежність питомого опору НП 1)

Мал42 Залежність питомого опору НП 1

Взаємодія пари сусідніх атомів у напівпровідниках здійснюється за допомогою ковалентного звязку В утворенні цього звязку від кожного атома бере участь по одному валентному електрону які відщеплюються від атомів і під час свого руху велику частину часу проводять у просторі між сусідніми атомами їх негативний заряд утримує позитивні іони один поблизу одного

Кожний атом утворює чотири звязки із сусідніми й будь-який валентний електрон може рухатися по одному з них Дійшовши до сусіднього атома він може перейти до наступного а потім далі вздовж усього кристала Валентні електрони належать усьому кристалу

Ковалентні звязки напівпровідника достатньо міцні й за низьких температур не розриваються Тому напівпровідники за низької температури не проводять електричний струм Валентні електрони що беруть участь у звязках атомів міцно привязані до кристалічних решіток і зовнішнє електричне поле не чинить помітного впливу на їхній рух

Власна провідність напівпровідників У разі нагрівання напівпровідника кінетична енергія частинок підвищується й відбувається розрив окремих звязків Деякі електрони стають вільними подібно до електронів у металі В електричному полі вони переміщаються між вузлами решіток утворюючи електричний струм

Провідність напівпровідників що зумовлена наявністю в них вільних електронів називається електронною провідністю

У тій парі атомів звідки зовнішнім впливом mdash нагріванням або освітленням mdash електрон був переведений у вільний стан зявляється надлишковий позитивний іон Тепловий рух атомів кристала призводить до того що який-небудь електрон із найближчих сусідніх атомів переходить до даного іона Тоді позитивним іоном виявляється сусідній атом звідки був ldquoзахопленийrdquo електрон Такий процес відбувається багато разів і тому переміщення позитивного заряду всередині кристала яке відображає насправді рух звязаних електронів від одного атома до іншого називають рухом дірок Легко побачити що поява дірок у кристалі створює додаткові можливості для

12

перенесення заряду Під час створення в напівпровіднику електричного поля дірки переміщаються в тому напрямі куди рухалися б позитивні заряди

Власну провідність напівпровідників можна розглянути на основі уявлення про будову типового напівпровідника mdash германію (Мал43Напівпровідник - германій 1)

Мал43 Напівпровідник - германій 1

Домішкова провідність напівпровідників Отже для чистих напівпровідників притамана власна провідність провідність що здійснюють переміщенням вільних електронів є електронна провідність а провідність дірок ndash діркова провідність Діркова провідність виникає тоді коли в кристал германію введені атоми (наприклад індію) Розглянемо атом індію який створив з допомогою своїх валентних електронів ковалентні звязки лише з трьома сусідніми атомами германію (Error Reference source not found)

Мал44 Звязок атома індію з германієм 1

За схемою будови напівпровідникового кристала бачимо що відбувається коли в нього вводиться домішка наприклад мишяку що має пять валентних електронів (донорна домішка) або тривалентного бору (акцепторна домішка) (Мал45 Акцепторна домішка 1)

Оскільки напівпровідники що мають донорні домішки віддають зайві валентні електрони наділені більшим числом електронів (у порівнянні з числом дірок) їх називають напівпровідниками n-типу переважає електронна

13

провідність В напівпровідниках n-типу електрони є основними носіями заряду а дірки mdash неосновними

Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу Акцепторні домішки створюють дірки утворюється напівпровідник р-типу Основними носіями заряду в напівпровіднику р-типу є дірки а неосновними mdash електрони

Мал45 Акцепторна домішка 1

14

Список літератури

[1] В Г Баряхтар Ф Я Божинова М М Кірюхін и О О Кірюхіна Фізика 11 клас Академічний рівень Профільний рівен Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів Харків Ранок 2011

[2] Т Засєкіна и Д Засєкін Фізика підручник для 11 класів загальноосвітніх закладів (академічний рівень профільний рівень) Харків Синиця 2011

[3] laquohttpstudopedianet1_9698_elektrichniy-strum-ta-yogo-harakteristiki-sila-gustina-strumuhtmlraquo [В Интернете]

[4] laquohttpstudopedianet6_21800_tema--elektrichniy-strum-v-ridinah-i-v-gazahhtmlraquo [В Интернете]

[5] laquohttpsvitpptcomuafizikasila-strumu-vimiryuvannya-sili-strumuhtmlraquo [В Интернете]

Мал11 Рух електронів без ЕП 13

Мал12 Рух електронів під дією ЕП 13

Мал13 Рух електронів у провіднику 13

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 16

15

1Електричний струм сила і густина струмуЕлектричним струмом називається впорядкований рух заряджених

частинок (Мал11 Рух електронів без ЕП 1Мал12 Рух електронів під дією ЕП 1) Зарядженими частинками в різних середовищах можуть бути різні частинки в металах - електрони в напівпровідниках - електрони і дірки в електролітах - іони

Мал11 Рух електронів без ЕП 1

Мал12 Рух електронів під дією ЕП 1

Умови виникнення струму1Наявність вільних носіїв заряду2 Присутність електричного поля в провіднику або різниці потенціалів

між кінцями провідникаРечовини що проводять електричний струм називають провідниками Як

було сказано основним методом збудження струму провідності є створення в провіднику електричного поля Під дією сил поля виникає упорядкований рух носіїв заряду позитивні мікроскопічні заряди рухаються в напрямі вектора напруженості поля а негативні mdash у протилежному напрямі За напрям електричного струму прийнято вважати напрям руху позитивно заряджених частинок В металах за напрям струму вибирають напрям протилежний до напрямку руху електронів хоча струм обумовлений рухом електронів

Мал13 Рух електронів у провіднику 13

Опишемо в загальних рисах модель електричного струму (Error Referencesource not found) Відомо що при температурах відмінних від 0К електрони в металі перебувають у безперервному хаотичному русі але враховуючи хаотичність руху можна стверджувати що сумарний заряд який переноситься через будь-який поперечний переріз провідника рівний нулю Коли в провіднику створити електричне поле електрони набуватимуть деякої додаткової (напрямленої) швидкості Ця швидкість називається дрейфовою Перенесення заряду може відбуватись лише за рахунок дрейфової швидкості вона і визначає струм в провіднику

Вивчаючи струм провідності рух заряджених частинок у речовині зображають неперервними кривими mdash лініями струму Лінія струму ndash це лінія дотична в кожній точці якої співпадає із напрямком дрейфової швидкості носія заряду в цій точці За напрям ліній струму в кожній точці речовини прийнято напрям упорядкованого руху позитивних носіїв заряду Лінії струму утворюють замкнені циліндричні поверхні які називають трубками струму тобто трубка струму ndash це частина середовища по якому протікає струм обмежена лініями струму При цьому носії заряду під час руху не перетинають бокових поверхонь трубок струму Поверхню провідника в багатьох задачах можна вважати трубкою струму

Силою струму називають скалярну величину яка чисельно дорівнює зарядові що переноситься крізь поперечний переріз провідника за одиницю часу

I=dqdt

(11)

де dt-нескінченно малий проміжок часу dq-заряд що проходить через поперечний переріз провідника протягом цього часу

Якщо за однакові проміжки часу Δt крізь поперечний переріз провідника проходять однаковий заряд Δq і напрям струму при цьому не змінюється такий струм називають стаціонарним або постійним Сила постійного струму визначатиметься відношенням

I=∆ q∆t

(12)

Одиницею вимірювання сили струму є Ампер означення дається через електромагнітну взаємодію двох провідників вимірюється за допомогою приладів які називаються амперметрами

Дуже часто зручно використовувати поняття густини струму яка також є характеристикою струму але векторною Густина струму - це вектор що по напрямку співпадає з дрейфовою швидкістю в даному місці і по модулю рівний величині заряду що переноситься за одиницю часу через одиницю площі розміщеної нормально до дрейфової швидкості Або по іншому Густина

4

струму чисельно дорівнює відношенню сили струму dI що проходить крізь перпендикулярну до напряму руху носіїв поверхню dS до площі цієї поверхні

Згідно з цим означенням густини струму можемо записати звязок між силою струму та густиною струму

J= dIdS (13)

Визначимо густину струму як векторну величину і через характеристики носіїв заряду

J=en v (14)

де еasymp-1610-19Кл ndashзаряд електрона n- концентрація електронів для металів n=1022-1023см-3 v - дрейфова швидкість електронів З 14 видно що густина струму напрямлена протилежно до напрямку руху електронів

Провівши більш детальний аналіз та розглянувши випадок коли струм обумовлений рухом як негативно так і позитивно заряджених частинок отримаємо таку формулу

J=eminusiquestnminusiquest vminusiquest+e+iquest n+ iquest v+iquest iquest iquest iquest iquestiquest iquest (115)

де eminusiquest nminusiquest vminusiquestiquest iquestiquest та e+iquestn+iquest v+iquestiquestiquest iquest - заряд концентрація дрейфова швидкість негативно та позитивно заряджених вільних носіїв заряду - відповідно

Вектор густини струму J визначає електричний струм у даній точці провідника де заряджені частинки рухаються зі дрейфовою швидкістю v Знаючи густину струму в кожній точці провідника можна розрахувати силу струму в цьому провіднику за формулою

I=ints

J d S=ints

J n dS=ints

J n dS (116)

де d S=dS n n mdash вектор нормалі до елемента площі dS Jn= J n=Jcosα mdash проекція вектора J на напрям нормалі n α mdash кут між векторами J і n Інтегрування проводиться по площі поперечного перерізу провідника З іншого боку потік вектора напруженості електричного поля та проводячи аналогічні міркування можна сказати що сила струму в провіднику визначається потоком вектора густини струму через поперечний переріз провідника

У випадку рівномірного розподілу струму по площі S поперечного перерізу провідника перпендикулярній до напряму струму сила постійного струму визначатиметься формулою

I=env=JS (117)

5

2Сторонні сили ЕРС та напруга

Постійний струм проходить в провіднику доти доки в ньому існує стаціонарне електричне поле Припустимо що в цьому полі на носіїв наряду діють одні тільки кулонівські сили які переносять позитивні заряди в напрямі поля від вищого потенціалу до нижчого Оскільки кулонівські сили потен-ціальні й роботу по переміщенню зарядів виконують завдяки енергії елект-ричного поля то переміщення носіїв заряду дуже швидко приведе до того що поле всередині провідника зрівноважиться провідник стане еквіпотенціальним і впорядкований рух заряджених частинок припиниться Отже постійний струм у провіднику неможливо підтримувати за допомогою одних лише кулонівських сил Для цього разом з кулонівськими силами потрібна дія інших сил неелектричної природи внаслідок роботи яких можна протягом тривалого часу підтримувати незмінною напруженість електричного поля всередині провідника Інакше кажучи за допомогою додаткового процесу потрібно від кінця провідника з меншим потенціалом безперервно відводити принесені струмом позитивні заряди а до кінця провідника з більшим потенціалом безперервно їх підводити

Такий рух зарядів можна здійснити по замкненому контуру (Мал21 Рухзарядів в замкненому контурі 1) утвореному резистивним елементом R і джерелом електрорушійної сили або кількома такими джерелами в яких позитивні заряди переносяться проти напряму сил електричного поля (від нижчого потенціалу φ2 до вищого φ1)

Переміщення носіїв позитивного заряду на цих ділянках проти напряму вектора напруженості можливе тільки за допомогою сил неелектростатичного походження Будь-які сили неелектростатичної природи які діють на заряджені частинки називають сторонніми силами Сторонні сили можуть діяти як на окремих ділянках так і по всій довжині замкненого кола Вони можуть бути зумовлені механічними або хімічними процесами дифузією носіїв заряду в неоднорідному середовищі змінними магнітними полями освітленням поверхні деяких речовин короткохвильовим випромінюванням тощо Пристрій в якому виникають сторонні сили називають джерелом струму (наприклад гальванічний елемент генератор електричного струму термопара сонячна

6

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 1

батарея) Джерелом електричної енергії називають пристрій який перетворює енергію будь-якого виду в електричну

Отже постійні струми проходять тільки в провідниках приєднаних до джерел струму При цьому на кінцях провідника підтримується постійна різниця потенціалів внаслідок роботи яку виконують сторонні сили завдяки енергії джерела струму Параметром поля сторонніх сил є напруженість поля сторонніх сил яка вводиться за формальною аналогією з напруженістю електричного поля

E= Fq

(21)

Використовуючи 21 можна визначити силу що діє на одиничний позитивний заряд q в джерелі струму

F=E q (22)

Слід відмітити що поле сторонніх сил не є потенціальним відповідно до означення потенціальності поля робота по замкненому шляху не дорівнюватиме нулю

Джерело електрорушійної сили характеризується електрорушійною силою (ЕРС) Електрорушійна сила виникає лише в не потенціальних полях і чисельно рівна роботі по перенесенню одиничного позитивного заряду по всьому замкнутому електричному колі

ε=A0

q (23)

Де ε - електрорушійна сила A0 - робота із переміщення заряду q по всьому колі

Вимірюється ЕРС у Вольтах Електрорушійна сила незважаючи на цю назву є енергетичною характеристикою самого джерела струму

7

3Електричний струм у рідинахСпостереження показали що багато рідини дуже погано проводять

електричний струм (дистильована вода гліцерин гас і тд) Водні розчини солей кислот і лугів добре проводять електричний струм

Розглянемо дослід (Мал31 Дослід з дистильованою водою 1) У посудину з дистильованою водою опустимо два електроди Зберемо коло із джерела струму ключа лампочки та чутливого амперметра Якщо замкнути коло то стрілка амперметра не відхилиться Це означає що дистильована вода не містить вільних носіїв заряду й у колі немає струму

У такий же спосіб можна переконатися що суха камяна сіль так само є діелектриком

А тепер laquoобєднаємоraquo ці два діелектрики насиплемо у посудину з водою дві-три ложки камяної солі Ми побачимо що лампочка загориться причому в міру розчинення солі розжарення лампи збільшується

Мал31 Дослід з дистильованою водою 1

Цей дослід доводить що підсолена вода є провідником причому носії заряду зявляються під час розчинення солі у воді

За допомогою подібних дослідів можна визначити що практично усі водні розчини солей кислот і лугів є провідниками електричного струму

Електролітами називаються речовини розчини яких проводять електричний струм

Молекули солей кислот і лугів утворені позитивними й негативними йонами що утримуються силами електростатичного притягування Наприклад у молекулах камяної солі NaCl позитивно заряджений іон натрію Na+

притягується до негативного йона хлору СІ- У водяному розчині молекули води послаблюють звязок між іонами (Мал32 Послаблення звязку між іонами1)

Мал32 Послаблення звязку між іонами 1

8

При зіткненнях обумовлених тепловим рухом молекула розпадається на позитивні й негативні йони що стають носіями заряду в електроліті

Таким чином носіями заряду в електролітах є йони тобто електроліти мають іонну провідність

Розпад молекул на йони називають електролітичною дисоціацією

Зі збільшенням температури ступінь дисоціації зростає а отже збільшується концентрація позитивно і негативно заряджених іонів

У розчині може відбуватися також процес що називається рекомбінацією

Рекомбінація mdash процес зєднання йонів у нейтральні молекули

Між процесами електролітичної дисоціації й рекомбінації йонів за незмінних умов установлюється динамічна рівновага за якої число молекул що розпадаються на йони за одиницю часу дорівнює числу пар іонів що за цей час зєднуються в нейтральні молекули Розглянемо схему дослідження струму у рідинах (Error Reference source not found) 1 ndash анод 2 ndash катод 3 ndash ванна з розчином електроліту

Мал33 Дослідження струму у рідинах 1

Іони в електролітах рухаються хаотично доти поки в рідину не опускаються електроди Тоді на хаотичний рух іонів накладається їхній упорядкований рух до відповідних електродів і в рідині виникає електричний струм

За йонної провідності проходження струму повязане з переносом речовини На електродах відбувається виділення речовин що входять до складу електролітів

Процес виділення речовини на електродах при проходженні елек-тричного струму через електроліт називають електролізом

На аноді негативно заряджені йони віддають свої зайві електрони (у хімії цей процес називається окисною реакцією) а на катоді позитивні йони одержують електрони яких не вистачає (відновна реакція)

9

Ступенем дисоціації називається число молекул n0 диссоциированного на іони до загального числа молекул n0

α=n0

n0 (31)

Кожний іон що в процесі електролізу нейтралізується на електроді й виділяється на ньому у вигляді нейтрального атома має визначену масу Але водночас він переносить через електроліт визначений заряд Тому і маса речовини що виділилася і кількість електрики що пройшла пропорційні числу йонів що підходять до даного електроду

Кількісно закон електролізу був установлений дослідним шляхом Майклом Фарадеєм у першій половині XIX сторіччя Фарадей виявив що

маса речовини яка виділилась на електроді при проходженні електричного струму пропорційна заряду що пройшов через електроліт

m=kq (32)

Оскільки q=It де I mdash сила струму t mdash час проходження струму то m=kIt

Сталу k називають електрохімічним еквівалентом речовини Зміст цього коефіцієнта можна зясувати з виразу

k=mq

(33)

Електрохімічний еквівалент чисельно дорівнює масі речовини в кг що виділяється при проходженні 1 Кл електрики

Як бачимо електрохімічні еквіваленти неоднакові не тільки для різних речовин але й для тієї самої речовини в різних сполуках у яких вона має різну валентність (наприклад CuCl і CuS04)

10

4Електричний струм у напівпровідниках

Напівпровідниками вважають речовини питомій опір яких має проміжне значення між питомим опором металів і діелектриків

Таке означення напівпровідників не є вичерпним оскільки є речовини з проміжним значенням питомого опору але які не є напівпровідниками Деякі напівпровідники є такими ж добрими провідниками струму як і метали

Напівпровідники відрізняються від інших речовин деякими

властивостями і значення їх питомого опору не є головним серед них Для

напівпровідників є характерною дуже сильна залежність їх питомого опору від

стану речовини від температури освітлення наявності домішок тощо

В провідниках є величезна кількість вільних зарядів які мають хорошу

рухливість

В діелектриках немає (майже) вільних зарядів

В напівпровідниках при звичайних умовах немає вільних зарядів а при

нагріванні опроміненні наявності домішок зrsquoявляється велика кількість

вільних зарядів і вони стають провідниками

Напівпровідники mdash речовини питомий опір яких дуже швидко зменшується з підвищенням температури

11

Мал41 Електричні властивості речовин 1Мал41 Електричні властивості речовин 1

Розглянемо залежність питомого опору напівпровідника від абсолютної температури (Мал42 Залежність питомого опору НП 1)

Мал42 Залежність питомого опору НП 1

Взаємодія пари сусідніх атомів у напівпровідниках здійснюється за допомогою ковалентного звязку В утворенні цього звязку від кожного атома бере участь по одному валентному електрону які відщеплюються від атомів і під час свого руху велику частину часу проводять у просторі між сусідніми атомами їх негативний заряд утримує позитивні іони один поблизу одного

Кожний атом утворює чотири звязки із сусідніми й будь-який валентний електрон може рухатися по одному з них Дійшовши до сусіднього атома він може перейти до наступного а потім далі вздовж усього кристала Валентні електрони належать усьому кристалу

Ковалентні звязки напівпровідника достатньо міцні й за низьких температур не розриваються Тому напівпровідники за низької температури не проводять електричний струм Валентні електрони що беруть участь у звязках атомів міцно привязані до кристалічних решіток і зовнішнє електричне поле не чинить помітного впливу на їхній рух

Власна провідність напівпровідників У разі нагрівання напівпровідника кінетична енергія частинок підвищується й відбувається розрив окремих звязків Деякі електрони стають вільними подібно до електронів у металі В електричному полі вони переміщаються між вузлами решіток утворюючи електричний струм

Провідність напівпровідників що зумовлена наявністю в них вільних електронів називається електронною провідністю

У тій парі атомів звідки зовнішнім впливом mdash нагріванням або освітленням mdash електрон був переведений у вільний стан зявляється надлишковий позитивний іон Тепловий рух атомів кристала призводить до того що який-небудь електрон із найближчих сусідніх атомів переходить до даного іона Тоді позитивним іоном виявляється сусідній атом звідки був ldquoзахопленийrdquo електрон Такий процес відбувається багато разів і тому переміщення позитивного заряду всередині кристала яке відображає насправді рух звязаних електронів від одного атома до іншого називають рухом дірок Легко побачити що поява дірок у кристалі створює додаткові можливості для

12

перенесення заряду Під час створення в напівпровіднику електричного поля дірки переміщаються в тому напрямі куди рухалися б позитивні заряди

Власну провідність напівпровідників можна розглянути на основі уявлення про будову типового напівпровідника mdash германію (Мал43Напівпровідник - германій 1)

Мал43 Напівпровідник - германій 1

Домішкова провідність напівпровідників Отже для чистих напівпровідників притамана власна провідність провідність що здійснюють переміщенням вільних електронів є електронна провідність а провідність дірок ndash діркова провідність Діркова провідність виникає тоді коли в кристал германію введені атоми (наприклад індію) Розглянемо атом індію який створив з допомогою своїх валентних електронів ковалентні звязки лише з трьома сусідніми атомами германію (Error Reference source not found)

Мал44 Звязок атома індію з германієм 1

За схемою будови напівпровідникового кристала бачимо що відбувається коли в нього вводиться домішка наприклад мишяку що має пять валентних електронів (донорна домішка) або тривалентного бору (акцепторна домішка) (Мал45 Акцепторна домішка 1)

Оскільки напівпровідники що мають донорні домішки віддають зайві валентні електрони наділені більшим числом електронів (у порівнянні з числом дірок) їх називають напівпровідниками n-типу переважає електронна

13

провідність В напівпровідниках n-типу електрони є основними носіями заряду а дірки mdash неосновними

Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу Акцепторні домішки створюють дірки утворюється напівпровідник р-типу Основними носіями заряду в напівпровіднику р-типу є дірки а неосновними mdash електрони

Мал45 Акцепторна домішка 1

14

Список літератури

[1] В Г Баряхтар Ф Я Божинова М М Кірюхін и О О Кірюхіна Фізика 11 клас Академічний рівень Профільний рівен Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів Харків Ранок 2011

[2] Т Засєкіна и Д Засєкін Фізика підручник для 11 класів загальноосвітніх закладів (академічний рівень профільний рівень) Харків Синиця 2011

[3] laquohttpstudopedianet1_9698_elektrichniy-strum-ta-yogo-harakteristiki-sila-gustina-strumuhtmlraquo [В Интернете]

[4] laquohttpstudopedianet6_21800_tema--elektrichniy-strum-v-ridinah-i-v-gazahhtmlraquo [В Интернете]

[5] laquohttpsvitpptcomuafizikasila-strumu-vimiryuvannya-sili-strumuhtmlraquo [В Интернете]

Мал11 Рух електронів без ЕП 13

Мал12 Рух електронів під дією ЕП 13

Мал13 Рух електронів у провіднику 13

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 16

15

Опишемо в загальних рисах модель електричного струму (Error Referencesource not found) Відомо що при температурах відмінних від 0К електрони в металі перебувають у безперервному хаотичному русі але враховуючи хаотичність руху можна стверджувати що сумарний заряд який переноситься через будь-який поперечний переріз провідника рівний нулю Коли в провіднику створити електричне поле електрони набуватимуть деякої додаткової (напрямленої) швидкості Ця швидкість називається дрейфовою Перенесення заряду може відбуватись лише за рахунок дрейфової швидкості вона і визначає струм в провіднику

Вивчаючи струм провідності рух заряджених частинок у речовині зображають неперервними кривими mdash лініями струму Лінія струму ndash це лінія дотична в кожній точці якої співпадає із напрямком дрейфової швидкості носія заряду в цій точці За напрям ліній струму в кожній точці речовини прийнято напрям упорядкованого руху позитивних носіїв заряду Лінії струму утворюють замкнені циліндричні поверхні які називають трубками струму тобто трубка струму ndash це частина середовища по якому протікає струм обмежена лініями струму При цьому носії заряду під час руху не перетинають бокових поверхонь трубок струму Поверхню провідника в багатьох задачах можна вважати трубкою струму

Силою струму називають скалярну величину яка чисельно дорівнює зарядові що переноситься крізь поперечний переріз провідника за одиницю часу

I=dqdt

(11)

де dt-нескінченно малий проміжок часу dq-заряд що проходить через поперечний переріз провідника протягом цього часу

Якщо за однакові проміжки часу Δt крізь поперечний переріз провідника проходять однаковий заряд Δq і напрям струму при цьому не змінюється такий струм називають стаціонарним або постійним Сила постійного струму визначатиметься відношенням

I=∆ q∆t

(12)

Одиницею вимірювання сили струму є Ампер означення дається через електромагнітну взаємодію двох провідників вимірюється за допомогою приладів які називаються амперметрами

Дуже часто зручно використовувати поняття густини струму яка також є характеристикою струму але векторною Густина струму - це вектор що по напрямку співпадає з дрейфовою швидкістю в даному місці і по модулю рівний величині заряду що переноситься за одиницю часу через одиницю площі розміщеної нормально до дрейфової швидкості Або по іншому Густина

4

струму чисельно дорівнює відношенню сили струму dI що проходить крізь перпендикулярну до напряму руху носіїв поверхню dS до площі цієї поверхні

Згідно з цим означенням густини струму можемо записати звязок між силою струму та густиною струму

J= dIdS (13)

Визначимо густину струму як векторну величину і через характеристики носіїв заряду

J=en v (14)

де еasymp-1610-19Кл ndashзаряд електрона n- концентрація електронів для металів n=1022-1023см-3 v - дрейфова швидкість електронів З 14 видно що густина струму напрямлена протилежно до напрямку руху електронів

Провівши більш детальний аналіз та розглянувши випадок коли струм обумовлений рухом як негативно так і позитивно заряджених частинок отримаємо таку формулу

J=eminusiquestnminusiquest vminusiquest+e+iquest n+ iquest v+iquest iquest iquest iquest iquestiquest iquest (115)

де eminusiquest nminusiquest vminusiquestiquest iquestiquest та e+iquestn+iquest v+iquestiquestiquest iquest - заряд концентрація дрейфова швидкість негативно та позитивно заряджених вільних носіїв заряду - відповідно

Вектор густини струму J визначає електричний струм у даній точці провідника де заряджені частинки рухаються зі дрейфовою швидкістю v Знаючи густину струму в кожній точці провідника можна розрахувати силу струму в цьому провіднику за формулою

I=ints

J d S=ints

J n dS=ints

J n dS (116)

де d S=dS n n mdash вектор нормалі до елемента площі dS Jn= J n=Jcosα mdash проекція вектора J на напрям нормалі n α mdash кут між векторами J і n Інтегрування проводиться по площі поперечного перерізу провідника З іншого боку потік вектора напруженості електричного поля та проводячи аналогічні міркування можна сказати що сила струму в провіднику визначається потоком вектора густини струму через поперечний переріз провідника

У випадку рівномірного розподілу струму по площі S поперечного перерізу провідника перпендикулярній до напряму струму сила постійного струму визначатиметься формулою

I=env=JS (117)

5

2Сторонні сили ЕРС та напруга

Постійний струм проходить в провіднику доти доки в ньому існує стаціонарне електричне поле Припустимо що в цьому полі на носіїв наряду діють одні тільки кулонівські сили які переносять позитивні заряди в напрямі поля від вищого потенціалу до нижчого Оскільки кулонівські сили потен-ціальні й роботу по переміщенню зарядів виконують завдяки енергії елект-ричного поля то переміщення носіїв заряду дуже швидко приведе до того що поле всередині провідника зрівноважиться провідник стане еквіпотенціальним і впорядкований рух заряджених частинок припиниться Отже постійний струм у провіднику неможливо підтримувати за допомогою одних лише кулонівських сил Для цього разом з кулонівськими силами потрібна дія інших сил неелектричної природи внаслідок роботи яких можна протягом тривалого часу підтримувати незмінною напруженість електричного поля всередині провідника Інакше кажучи за допомогою додаткового процесу потрібно від кінця провідника з меншим потенціалом безперервно відводити принесені струмом позитивні заряди а до кінця провідника з більшим потенціалом безперервно їх підводити

Такий рух зарядів можна здійснити по замкненому контуру (Мал21 Рухзарядів в замкненому контурі 1) утвореному резистивним елементом R і джерелом електрорушійної сили або кількома такими джерелами в яких позитивні заряди переносяться проти напряму сил електричного поля (від нижчого потенціалу φ2 до вищого φ1)

Переміщення носіїв позитивного заряду на цих ділянках проти напряму вектора напруженості можливе тільки за допомогою сил неелектростатичного походження Будь-які сили неелектростатичної природи які діють на заряджені частинки називають сторонніми силами Сторонні сили можуть діяти як на окремих ділянках так і по всій довжині замкненого кола Вони можуть бути зумовлені механічними або хімічними процесами дифузією носіїв заряду в неоднорідному середовищі змінними магнітними полями освітленням поверхні деяких речовин короткохвильовим випромінюванням тощо Пристрій в якому виникають сторонні сили називають джерелом струму (наприклад гальванічний елемент генератор електричного струму термопара сонячна

6

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 1

батарея) Джерелом електричної енергії називають пристрій який перетворює енергію будь-якого виду в електричну

Отже постійні струми проходять тільки в провідниках приєднаних до джерел струму При цьому на кінцях провідника підтримується постійна різниця потенціалів внаслідок роботи яку виконують сторонні сили завдяки енергії джерела струму Параметром поля сторонніх сил є напруженість поля сторонніх сил яка вводиться за формальною аналогією з напруженістю електричного поля

E= Fq

(21)

Використовуючи 21 можна визначити силу що діє на одиничний позитивний заряд q в джерелі струму

F=E q (22)

Слід відмітити що поле сторонніх сил не є потенціальним відповідно до означення потенціальності поля робота по замкненому шляху не дорівнюватиме нулю

Джерело електрорушійної сили характеризується електрорушійною силою (ЕРС) Електрорушійна сила виникає лише в не потенціальних полях і чисельно рівна роботі по перенесенню одиничного позитивного заряду по всьому замкнутому електричному колі

ε=A0

q (23)

Де ε - електрорушійна сила A0 - робота із переміщення заряду q по всьому колі

Вимірюється ЕРС у Вольтах Електрорушійна сила незважаючи на цю назву є енергетичною характеристикою самого джерела струму

7

3Електричний струм у рідинахСпостереження показали що багато рідини дуже погано проводять

електричний струм (дистильована вода гліцерин гас і тд) Водні розчини солей кислот і лугів добре проводять електричний струм

Розглянемо дослід (Мал31 Дослід з дистильованою водою 1) У посудину з дистильованою водою опустимо два електроди Зберемо коло із джерела струму ключа лампочки та чутливого амперметра Якщо замкнути коло то стрілка амперметра не відхилиться Це означає що дистильована вода не містить вільних носіїв заряду й у колі немає струму

У такий же спосіб можна переконатися що суха камяна сіль так само є діелектриком

А тепер laquoобєднаємоraquo ці два діелектрики насиплемо у посудину з водою дві-три ложки камяної солі Ми побачимо що лампочка загориться причому в міру розчинення солі розжарення лампи збільшується

Мал31 Дослід з дистильованою водою 1

Цей дослід доводить що підсолена вода є провідником причому носії заряду зявляються під час розчинення солі у воді

За допомогою подібних дослідів можна визначити що практично усі водні розчини солей кислот і лугів є провідниками електричного струму

Електролітами називаються речовини розчини яких проводять електричний струм

Молекули солей кислот і лугів утворені позитивними й негативними йонами що утримуються силами електростатичного притягування Наприклад у молекулах камяної солі NaCl позитивно заряджений іон натрію Na+

притягується до негативного йона хлору СІ- У водяному розчині молекули води послаблюють звязок між іонами (Мал32 Послаблення звязку між іонами1)

Мал32 Послаблення звязку між іонами 1

8

При зіткненнях обумовлених тепловим рухом молекула розпадається на позитивні й негативні йони що стають носіями заряду в електроліті

Таким чином носіями заряду в електролітах є йони тобто електроліти мають іонну провідність

Розпад молекул на йони називають електролітичною дисоціацією

Зі збільшенням температури ступінь дисоціації зростає а отже збільшується концентрація позитивно і негативно заряджених іонів

У розчині може відбуватися також процес що називається рекомбінацією

Рекомбінація mdash процес зєднання йонів у нейтральні молекули

Між процесами електролітичної дисоціації й рекомбінації йонів за незмінних умов установлюється динамічна рівновага за якої число молекул що розпадаються на йони за одиницю часу дорівнює числу пар іонів що за цей час зєднуються в нейтральні молекули Розглянемо схему дослідження струму у рідинах (Error Reference source not found) 1 ndash анод 2 ndash катод 3 ndash ванна з розчином електроліту

Мал33 Дослідження струму у рідинах 1

Іони в електролітах рухаються хаотично доти поки в рідину не опускаються електроди Тоді на хаотичний рух іонів накладається їхній упорядкований рух до відповідних електродів і в рідині виникає електричний струм

За йонної провідності проходження струму повязане з переносом речовини На електродах відбувається виділення речовин що входять до складу електролітів

Процес виділення речовини на електродах при проходженні елек-тричного струму через електроліт називають електролізом

На аноді негативно заряджені йони віддають свої зайві електрони (у хімії цей процес називається окисною реакцією) а на катоді позитивні йони одержують електрони яких не вистачає (відновна реакція)

9

Ступенем дисоціації називається число молекул n0 диссоциированного на іони до загального числа молекул n0

α=n0

n0 (31)

Кожний іон що в процесі електролізу нейтралізується на електроді й виділяється на ньому у вигляді нейтрального атома має визначену масу Але водночас він переносить через електроліт визначений заряд Тому і маса речовини що виділилася і кількість електрики що пройшла пропорційні числу йонів що підходять до даного електроду

Кількісно закон електролізу був установлений дослідним шляхом Майклом Фарадеєм у першій половині XIX сторіччя Фарадей виявив що

маса речовини яка виділилась на електроді при проходженні електричного струму пропорційна заряду що пройшов через електроліт

m=kq (32)

Оскільки q=It де I mdash сила струму t mdash час проходження струму то m=kIt

Сталу k називають електрохімічним еквівалентом речовини Зміст цього коефіцієнта можна зясувати з виразу

k=mq

(33)

Електрохімічний еквівалент чисельно дорівнює масі речовини в кг що виділяється при проходженні 1 Кл електрики

Як бачимо електрохімічні еквіваленти неоднакові не тільки для різних речовин але й для тієї самої речовини в різних сполуках у яких вона має різну валентність (наприклад CuCl і CuS04)

10

4Електричний струм у напівпровідниках

Напівпровідниками вважають речовини питомій опір яких має проміжне значення між питомим опором металів і діелектриків

Таке означення напівпровідників не є вичерпним оскільки є речовини з проміжним значенням питомого опору але які не є напівпровідниками Деякі напівпровідники є такими ж добрими провідниками струму як і метали

Напівпровідники відрізняються від інших речовин деякими

властивостями і значення їх питомого опору не є головним серед них Для

напівпровідників є характерною дуже сильна залежність їх питомого опору від

стану речовини від температури освітлення наявності домішок тощо

В провідниках є величезна кількість вільних зарядів які мають хорошу

рухливість

В діелектриках немає (майже) вільних зарядів

В напівпровідниках при звичайних умовах немає вільних зарядів а при

нагріванні опроміненні наявності домішок зrsquoявляється велика кількість

вільних зарядів і вони стають провідниками

Напівпровідники mdash речовини питомий опір яких дуже швидко зменшується з підвищенням температури

11

Мал41 Електричні властивості речовин 1Мал41 Електричні властивості речовин 1

Розглянемо залежність питомого опору напівпровідника від абсолютної температури (Мал42 Залежність питомого опору НП 1)

Мал42 Залежність питомого опору НП 1

Взаємодія пари сусідніх атомів у напівпровідниках здійснюється за допомогою ковалентного звязку В утворенні цього звязку від кожного атома бере участь по одному валентному електрону які відщеплюються від атомів і під час свого руху велику частину часу проводять у просторі між сусідніми атомами їх негативний заряд утримує позитивні іони один поблизу одного

Кожний атом утворює чотири звязки із сусідніми й будь-який валентний електрон може рухатися по одному з них Дійшовши до сусіднього атома він може перейти до наступного а потім далі вздовж усього кристала Валентні електрони належать усьому кристалу

Ковалентні звязки напівпровідника достатньо міцні й за низьких температур не розриваються Тому напівпровідники за низької температури не проводять електричний струм Валентні електрони що беруть участь у звязках атомів міцно привязані до кристалічних решіток і зовнішнє електричне поле не чинить помітного впливу на їхній рух

Власна провідність напівпровідників У разі нагрівання напівпровідника кінетична енергія частинок підвищується й відбувається розрив окремих звязків Деякі електрони стають вільними подібно до електронів у металі В електричному полі вони переміщаються між вузлами решіток утворюючи електричний струм

Провідність напівпровідників що зумовлена наявністю в них вільних електронів називається електронною провідністю

У тій парі атомів звідки зовнішнім впливом mdash нагріванням або освітленням mdash електрон був переведений у вільний стан зявляється надлишковий позитивний іон Тепловий рух атомів кристала призводить до того що який-небудь електрон із найближчих сусідніх атомів переходить до даного іона Тоді позитивним іоном виявляється сусідній атом звідки був ldquoзахопленийrdquo електрон Такий процес відбувається багато разів і тому переміщення позитивного заряду всередині кристала яке відображає насправді рух звязаних електронів від одного атома до іншого називають рухом дірок Легко побачити що поява дірок у кристалі створює додаткові можливості для

12

перенесення заряду Під час створення в напівпровіднику електричного поля дірки переміщаються в тому напрямі куди рухалися б позитивні заряди

Власну провідність напівпровідників можна розглянути на основі уявлення про будову типового напівпровідника mdash германію (Мал43Напівпровідник - германій 1)

Мал43 Напівпровідник - германій 1

Домішкова провідність напівпровідників Отже для чистих напівпровідників притамана власна провідність провідність що здійснюють переміщенням вільних електронів є електронна провідність а провідність дірок ndash діркова провідність Діркова провідність виникає тоді коли в кристал германію введені атоми (наприклад індію) Розглянемо атом індію який створив з допомогою своїх валентних електронів ковалентні звязки лише з трьома сусідніми атомами германію (Error Reference source not found)

Мал44 Звязок атома індію з германієм 1

За схемою будови напівпровідникового кристала бачимо що відбувається коли в нього вводиться домішка наприклад мишяку що має пять валентних електронів (донорна домішка) або тривалентного бору (акцепторна домішка) (Мал45 Акцепторна домішка 1)

Оскільки напівпровідники що мають донорні домішки віддають зайві валентні електрони наділені більшим числом електронів (у порівнянні з числом дірок) їх називають напівпровідниками n-типу переважає електронна

13

провідність В напівпровідниках n-типу електрони є основними носіями заряду а дірки mdash неосновними

Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу Акцепторні домішки створюють дірки утворюється напівпровідник р-типу Основними носіями заряду в напівпровіднику р-типу є дірки а неосновними mdash електрони

Мал45 Акцепторна домішка 1

14

Список літератури

[1] В Г Баряхтар Ф Я Божинова М М Кірюхін и О О Кірюхіна Фізика 11 клас Академічний рівень Профільний рівен Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів Харків Ранок 2011

[2] Т Засєкіна и Д Засєкін Фізика підручник для 11 класів загальноосвітніх закладів (академічний рівень профільний рівень) Харків Синиця 2011

[3] laquohttpstudopedianet1_9698_elektrichniy-strum-ta-yogo-harakteristiki-sila-gustina-strumuhtmlraquo [В Интернете]

[4] laquohttpstudopedianet6_21800_tema--elektrichniy-strum-v-ridinah-i-v-gazahhtmlraquo [В Интернете]

[5] laquohttpsvitpptcomuafizikasila-strumu-vimiryuvannya-sili-strumuhtmlraquo [В Интернете]

Мал11 Рух електронів без ЕП 13

Мал12 Рух електронів під дією ЕП 13

Мал13 Рух електронів у провіднику 13

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 16

15

струму чисельно дорівнює відношенню сили струму dI що проходить крізь перпендикулярну до напряму руху носіїв поверхню dS до площі цієї поверхні

Згідно з цим означенням густини струму можемо записати звязок між силою струму та густиною струму

J= dIdS (13)

Визначимо густину струму як векторну величину і через характеристики носіїв заряду

J=en v (14)

де еasymp-1610-19Кл ndashзаряд електрона n- концентрація електронів для металів n=1022-1023см-3 v - дрейфова швидкість електронів З 14 видно що густина струму напрямлена протилежно до напрямку руху електронів

Провівши більш детальний аналіз та розглянувши випадок коли струм обумовлений рухом як негативно так і позитивно заряджених частинок отримаємо таку формулу

J=eminusiquestnminusiquest vminusiquest+e+iquest n+ iquest v+iquest iquest iquest iquest iquestiquest iquest (115)

де eminusiquest nminusiquest vminusiquestiquest iquestiquest та e+iquestn+iquest v+iquestiquestiquest iquest - заряд концентрація дрейфова швидкість негативно та позитивно заряджених вільних носіїв заряду - відповідно

Вектор густини струму J визначає електричний струм у даній точці провідника де заряджені частинки рухаються зі дрейфовою швидкістю v Знаючи густину струму в кожній точці провідника можна розрахувати силу струму в цьому провіднику за формулою

I=ints

J d S=ints

J n dS=ints

J n dS (116)

де d S=dS n n mdash вектор нормалі до елемента площі dS Jn= J n=Jcosα mdash проекція вектора J на напрям нормалі n α mdash кут між векторами J і n Інтегрування проводиться по площі поперечного перерізу провідника З іншого боку потік вектора напруженості електричного поля та проводячи аналогічні міркування можна сказати що сила струму в провіднику визначається потоком вектора густини струму через поперечний переріз провідника

У випадку рівномірного розподілу струму по площі S поперечного перерізу провідника перпендикулярній до напряму струму сила постійного струму визначатиметься формулою

I=env=JS (117)

5

2Сторонні сили ЕРС та напруга

Постійний струм проходить в провіднику доти доки в ньому існує стаціонарне електричне поле Припустимо що в цьому полі на носіїв наряду діють одні тільки кулонівські сили які переносять позитивні заряди в напрямі поля від вищого потенціалу до нижчого Оскільки кулонівські сили потен-ціальні й роботу по переміщенню зарядів виконують завдяки енергії елект-ричного поля то переміщення носіїв заряду дуже швидко приведе до того що поле всередині провідника зрівноважиться провідник стане еквіпотенціальним і впорядкований рух заряджених частинок припиниться Отже постійний струм у провіднику неможливо підтримувати за допомогою одних лише кулонівських сил Для цього разом з кулонівськими силами потрібна дія інших сил неелектричної природи внаслідок роботи яких можна протягом тривалого часу підтримувати незмінною напруженість електричного поля всередині провідника Інакше кажучи за допомогою додаткового процесу потрібно від кінця провідника з меншим потенціалом безперервно відводити принесені струмом позитивні заряди а до кінця провідника з більшим потенціалом безперервно їх підводити

Такий рух зарядів можна здійснити по замкненому контуру (Мал21 Рухзарядів в замкненому контурі 1) утвореному резистивним елементом R і джерелом електрорушійної сили або кількома такими джерелами в яких позитивні заряди переносяться проти напряму сил електричного поля (від нижчого потенціалу φ2 до вищого φ1)

Переміщення носіїв позитивного заряду на цих ділянках проти напряму вектора напруженості можливе тільки за допомогою сил неелектростатичного походження Будь-які сили неелектростатичної природи які діють на заряджені частинки називають сторонніми силами Сторонні сили можуть діяти як на окремих ділянках так і по всій довжині замкненого кола Вони можуть бути зумовлені механічними або хімічними процесами дифузією носіїв заряду в неоднорідному середовищі змінними магнітними полями освітленням поверхні деяких речовин короткохвильовим випромінюванням тощо Пристрій в якому виникають сторонні сили називають джерелом струму (наприклад гальванічний елемент генератор електричного струму термопара сонячна

6

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 1

батарея) Джерелом електричної енергії називають пристрій який перетворює енергію будь-якого виду в електричну

Отже постійні струми проходять тільки в провідниках приєднаних до джерел струму При цьому на кінцях провідника підтримується постійна різниця потенціалів внаслідок роботи яку виконують сторонні сили завдяки енергії джерела струму Параметром поля сторонніх сил є напруженість поля сторонніх сил яка вводиться за формальною аналогією з напруженістю електричного поля

E= Fq

(21)

Використовуючи 21 можна визначити силу що діє на одиничний позитивний заряд q в джерелі струму

F=E q (22)

Слід відмітити що поле сторонніх сил не є потенціальним відповідно до означення потенціальності поля робота по замкненому шляху не дорівнюватиме нулю

Джерело електрорушійної сили характеризується електрорушійною силою (ЕРС) Електрорушійна сила виникає лише в не потенціальних полях і чисельно рівна роботі по перенесенню одиничного позитивного заряду по всьому замкнутому електричному колі

ε=A0

q (23)

Де ε - електрорушійна сила A0 - робота із переміщення заряду q по всьому колі

Вимірюється ЕРС у Вольтах Електрорушійна сила незважаючи на цю назву є енергетичною характеристикою самого джерела струму

7

3Електричний струм у рідинахСпостереження показали що багато рідини дуже погано проводять

електричний струм (дистильована вода гліцерин гас і тд) Водні розчини солей кислот і лугів добре проводять електричний струм

Розглянемо дослід (Мал31 Дослід з дистильованою водою 1) У посудину з дистильованою водою опустимо два електроди Зберемо коло із джерела струму ключа лампочки та чутливого амперметра Якщо замкнути коло то стрілка амперметра не відхилиться Це означає що дистильована вода не містить вільних носіїв заряду й у колі немає струму

У такий же спосіб можна переконатися що суха камяна сіль так само є діелектриком

А тепер laquoобєднаємоraquo ці два діелектрики насиплемо у посудину з водою дві-три ложки камяної солі Ми побачимо що лампочка загориться причому в міру розчинення солі розжарення лампи збільшується

Мал31 Дослід з дистильованою водою 1

Цей дослід доводить що підсолена вода є провідником причому носії заряду зявляються під час розчинення солі у воді

За допомогою подібних дослідів можна визначити що практично усі водні розчини солей кислот і лугів є провідниками електричного струму

Електролітами називаються речовини розчини яких проводять електричний струм

Молекули солей кислот і лугів утворені позитивними й негативними йонами що утримуються силами електростатичного притягування Наприклад у молекулах камяної солі NaCl позитивно заряджений іон натрію Na+

притягується до негативного йона хлору СІ- У водяному розчині молекули води послаблюють звязок між іонами (Мал32 Послаблення звязку між іонами1)

Мал32 Послаблення звязку між іонами 1

8

При зіткненнях обумовлених тепловим рухом молекула розпадається на позитивні й негативні йони що стають носіями заряду в електроліті

Таким чином носіями заряду в електролітах є йони тобто електроліти мають іонну провідність

Розпад молекул на йони називають електролітичною дисоціацією

Зі збільшенням температури ступінь дисоціації зростає а отже збільшується концентрація позитивно і негативно заряджених іонів

У розчині може відбуватися також процес що називається рекомбінацією

Рекомбінація mdash процес зєднання йонів у нейтральні молекули

Між процесами електролітичної дисоціації й рекомбінації йонів за незмінних умов установлюється динамічна рівновага за якої число молекул що розпадаються на йони за одиницю часу дорівнює числу пар іонів що за цей час зєднуються в нейтральні молекули Розглянемо схему дослідження струму у рідинах (Error Reference source not found) 1 ndash анод 2 ndash катод 3 ndash ванна з розчином електроліту

Мал33 Дослідження струму у рідинах 1

Іони в електролітах рухаються хаотично доти поки в рідину не опускаються електроди Тоді на хаотичний рух іонів накладається їхній упорядкований рух до відповідних електродів і в рідині виникає електричний струм

За йонної провідності проходження струму повязане з переносом речовини На електродах відбувається виділення речовин що входять до складу електролітів

Процес виділення речовини на електродах при проходженні елек-тричного струму через електроліт називають електролізом

На аноді негативно заряджені йони віддають свої зайві електрони (у хімії цей процес називається окисною реакцією) а на катоді позитивні йони одержують електрони яких не вистачає (відновна реакція)

9

Ступенем дисоціації називається число молекул n0 диссоциированного на іони до загального числа молекул n0

α=n0

n0 (31)

Кожний іон що в процесі електролізу нейтралізується на електроді й виділяється на ньому у вигляді нейтрального атома має визначену масу Але водночас він переносить через електроліт визначений заряд Тому і маса речовини що виділилася і кількість електрики що пройшла пропорційні числу йонів що підходять до даного електроду

Кількісно закон електролізу був установлений дослідним шляхом Майклом Фарадеєм у першій половині XIX сторіччя Фарадей виявив що

маса речовини яка виділилась на електроді при проходженні електричного струму пропорційна заряду що пройшов через електроліт

m=kq (32)

Оскільки q=It де I mdash сила струму t mdash час проходження струму то m=kIt

Сталу k називають електрохімічним еквівалентом речовини Зміст цього коефіцієнта можна зясувати з виразу

k=mq

(33)

Електрохімічний еквівалент чисельно дорівнює масі речовини в кг що виділяється при проходженні 1 Кл електрики

Як бачимо електрохімічні еквіваленти неоднакові не тільки для різних речовин але й для тієї самої речовини в різних сполуках у яких вона має різну валентність (наприклад CuCl і CuS04)

10

4Електричний струм у напівпровідниках

Напівпровідниками вважають речовини питомій опір яких має проміжне значення між питомим опором металів і діелектриків

Таке означення напівпровідників не є вичерпним оскільки є речовини з проміжним значенням питомого опору але які не є напівпровідниками Деякі напівпровідники є такими ж добрими провідниками струму як і метали

Напівпровідники відрізняються від інших речовин деякими

властивостями і значення їх питомого опору не є головним серед них Для

напівпровідників є характерною дуже сильна залежність їх питомого опору від

стану речовини від температури освітлення наявності домішок тощо

В провідниках є величезна кількість вільних зарядів які мають хорошу

рухливість

В діелектриках немає (майже) вільних зарядів

В напівпровідниках при звичайних умовах немає вільних зарядів а при

нагріванні опроміненні наявності домішок зrsquoявляється велика кількість

вільних зарядів і вони стають провідниками

Напівпровідники mdash речовини питомий опір яких дуже швидко зменшується з підвищенням температури

11

Мал41 Електричні властивості речовин 1Мал41 Електричні властивості речовин 1

Розглянемо залежність питомого опору напівпровідника від абсолютної температури (Мал42 Залежність питомого опору НП 1)

Мал42 Залежність питомого опору НП 1

Взаємодія пари сусідніх атомів у напівпровідниках здійснюється за допомогою ковалентного звязку В утворенні цього звязку від кожного атома бере участь по одному валентному електрону які відщеплюються від атомів і під час свого руху велику частину часу проводять у просторі між сусідніми атомами їх негативний заряд утримує позитивні іони один поблизу одного

Кожний атом утворює чотири звязки із сусідніми й будь-який валентний електрон може рухатися по одному з них Дійшовши до сусіднього атома він може перейти до наступного а потім далі вздовж усього кристала Валентні електрони належать усьому кристалу

Ковалентні звязки напівпровідника достатньо міцні й за низьких температур не розриваються Тому напівпровідники за низької температури не проводять електричний струм Валентні електрони що беруть участь у звязках атомів міцно привязані до кристалічних решіток і зовнішнє електричне поле не чинить помітного впливу на їхній рух

Власна провідність напівпровідників У разі нагрівання напівпровідника кінетична енергія частинок підвищується й відбувається розрив окремих звязків Деякі електрони стають вільними подібно до електронів у металі В електричному полі вони переміщаються між вузлами решіток утворюючи електричний струм

Провідність напівпровідників що зумовлена наявністю в них вільних електронів називається електронною провідністю

У тій парі атомів звідки зовнішнім впливом mdash нагріванням або освітленням mdash електрон був переведений у вільний стан зявляється надлишковий позитивний іон Тепловий рух атомів кристала призводить до того що який-небудь електрон із найближчих сусідніх атомів переходить до даного іона Тоді позитивним іоном виявляється сусідній атом звідки був ldquoзахопленийrdquo електрон Такий процес відбувається багато разів і тому переміщення позитивного заряду всередині кристала яке відображає насправді рух звязаних електронів від одного атома до іншого називають рухом дірок Легко побачити що поява дірок у кристалі створює додаткові можливості для

12

перенесення заряду Під час створення в напівпровіднику електричного поля дірки переміщаються в тому напрямі куди рухалися б позитивні заряди

Власну провідність напівпровідників можна розглянути на основі уявлення про будову типового напівпровідника mdash германію (Мал43Напівпровідник - германій 1)

Мал43 Напівпровідник - германій 1

Домішкова провідність напівпровідників Отже для чистих напівпровідників притамана власна провідність провідність що здійснюють переміщенням вільних електронів є електронна провідність а провідність дірок ndash діркова провідність Діркова провідність виникає тоді коли в кристал германію введені атоми (наприклад індію) Розглянемо атом індію який створив з допомогою своїх валентних електронів ковалентні звязки лише з трьома сусідніми атомами германію (Error Reference source not found)

Мал44 Звязок атома індію з германієм 1

За схемою будови напівпровідникового кристала бачимо що відбувається коли в нього вводиться домішка наприклад мишяку що має пять валентних електронів (донорна домішка) або тривалентного бору (акцепторна домішка) (Мал45 Акцепторна домішка 1)

Оскільки напівпровідники що мають донорні домішки віддають зайві валентні електрони наділені більшим числом електронів (у порівнянні з числом дірок) їх називають напівпровідниками n-типу переважає електронна

13

провідність В напівпровідниках n-типу електрони є основними носіями заряду а дірки mdash неосновними

Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу Акцепторні домішки створюють дірки утворюється напівпровідник р-типу Основними носіями заряду в напівпровіднику р-типу є дірки а неосновними mdash електрони

Мал45 Акцепторна домішка 1

14

Список літератури

[1] В Г Баряхтар Ф Я Божинова М М Кірюхін и О О Кірюхіна Фізика 11 клас Академічний рівень Профільний рівен Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів Харків Ранок 2011

[2] Т Засєкіна и Д Засєкін Фізика підручник для 11 класів загальноосвітніх закладів (академічний рівень профільний рівень) Харків Синиця 2011

[3] laquohttpstudopedianet1_9698_elektrichniy-strum-ta-yogo-harakteristiki-sila-gustina-strumuhtmlraquo [В Интернете]

[4] laquohttpstudopedianet6_21800_tema--elektrichniy-strum-v-ridinah-i-v-gazahhtmlraquo [В Интернете]

[5] laquohttpsvitpptcomuafizikasila-strumu-vimiryuvannya-sili-strumuhtmlraquo [В Интернете]

Мал11 Рух електронів без ЕП 13

Мал12 Рух електронів під дією ЕП 13

Мал13 Рух електронів у провіднику 13

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 16

15

2Сторонні сили ЕРС та напруга

Постійний струм проходить в провіднику доти доки в ньому існує стаціонарне електричне поле Припустимо що в цьому полі на носіїв наряду діють одні тільки кулонівські сили які переносять позитивні заряди в напрямі поля від вищого потенціалу до нижчого Оскільки кулонівські сили потен-ціальні й роботу по переміщенню зарядів виконують завдяки енергії елект-ричного поля то переміщення носіїв заряду дуже швидко приведе до того що поле всередині провідника зрівноважиться провідник стане еквіпотенціальним і впорядкований рух заряджених частинок припиниться Отже постійний струм у провіднику неможливо підтримувати за допомогою одних лише кулонівських сил Для цього разом з кулонівськими силами потрібна дія інших сил неелектричної природи внаслідок роботи яких можна протягом тривалого часу підтримувати незмінною напруженість електричного поля всередині провідника Інакше кажучи за допомогою додаткового процесу потрібно від кінця провідника з меншим потенціалом безперервно відводити принесені струмом позитивні заряди а до кінця провідника з більшим потенціалом безперервно їх підводити

Такий рух зарядів можна здійснити по замкненому контуру (Мал21 Рухзарядів в замкненому контурі 1) утвореному резистивним елементом R і джерелом електрорушійної сили або кількома такими джерелами в яких позитивні заряди переносяться проти напряму сил електричного поля (від нижчого потенціалу φ2 до вищого φ1)

Переміщення носіїв позитивного заряду на цих ділянках проти напряму вектора напруженості можливе тільки за допомогою сил неелектростатичного походження Будь-які сили неелектростатичної природи які діють на заряджені частинки називають сторонніми силами Сторонні сили можуть діяти як на окремих ділянках так і по всій довжині замкненого кола Вони можуть бути зумовлені механічними або хімічними процесами дифузією носіїв заряду в неоднорідному середовищі змінними магнітними полями освітленням поверхні деяких речовин короткохвильовим випромінюванням тощо Пристрій в якому виникають сторонні сили називають джерелом струму (наприклад гальванічний елемент генератор електричного струму термопара сонячна

6

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 1

батарея) Джерелом електричної енергії називають пристрій який перетворює енергію будь-якого виду в електричну

Отже постійні струми проходять тільки в провідниках приєднаних до джерел струму При цьому на кінцях провідника підтримується постійна різниця потенціалів внаслідок роботи яку виконують сторонні сили завдяки енергії джерела струму Параметром поля сторонніх сил є напруженість поля сторонніх сил яка вводиться за формальною аналогією з напруженістю електричного поля

E= Fq

(21)

Використовуючи 21 можна визначити силу що діє на одиничний позитивний заряд q в джерелі струму

F=E q (22)

Слід відмітити що поле сторонніх сил не є потенціальним відповідно до означення потенціальності поля робота по замкненому шляху не дорівнюватиме нулю

Джерело електрорушійної сили характеризується електрорушійною силою (ЕРС) Електрорушійна сила виникає лише в не потенціальних полях і чисельно рівна роботі по перенесенню одиничного позитивного заряду по всьому замкнутому електричному колі

ε=A0

q (23)

Де ε - електрорушійна сила A0 - робота із переміщення заряду q по всьому колі

Вимірюється ЕРС у Вольтах Електрорушійна сила незважаючи на цю назву є енергетичною характеристикою самого джерела струму

7

3Електричний струм у рідинахСпостереження показали що багато рідини дуже погано проводять

електричний струм (дистильована вода гліцерин гас і тд) Водні розчини солей кислот і лугів добре проводять електричний струм

Розглянемо дослід (Мал31 Дослід з дистильованою водою 1) У посудину з дистильованою водою опустимо два електроди Зберемо коло із джерела струму ключа лампочки та чутливого амперметра Якщо замкнути коло то стрілка амперметра не відхилиться Це означає що дистильована вода не містить вільних носіїв заряду й у колі немає струму

У такий же спосіб можна переконатися що суха камяна сіль так само є діелектриком

А тепер laquoобєднаємоraquo ці два діелектрики насиплемо у посудину з водою дві-три ложки камяної солі Ми побачимо що лампочка загориться причому в міру розчинення солі розжарення лампи збільшується

Мал31 Дослід з дистильованою водою 1

Цей дослід доводить що підсолена вода є провідником причому носії заряду зявляються під час розчинення солі у воді

За допомогою подібних дослідів можна визначити що практично усі водні розчини солей кислот і лугів є провідниками електричного струму

Електролітами називаються речовини розчини яких проводять електричний струм

Молекули солей кислот і лугів утворені позитивними й негативними йонами що утримуються силами електростатичного притягування Наприклад у молекулах камяної солі NaCl позитивно заряджений іон натрію Na+

притягується до негативного йона хлору СІ- У водяному розчині молекули води послаблюють звязок між іонами (Мал32 Послаблення звязку між іонами1)

Мал32 Послаблення звязку між іонами 1

8

При зіткненнях обумовлених тепловим рухом молекула розпадається на позитивні й негативні йони що стають носіями заряду в електроліті

Таким чином носіями заряду в електролітах є йони тобто електроліти мають іонну провідність

Розпад молекул на йони називають електролітичною дисоціацією

Зі збільшенням температури ступінь дисоціації зростає а отже збільшується концентрація позитивно і негативно заряджених іонів

У розчині може відбуватися також процес що називається рекомбінацією

Рекомбінація mdash процес зєднання йонів у нейтральні молекули

Між процесами електролітичної дисоціації й рекомбінації йонів за незмінних умов установлюється динамічна рівновага за якої число молекул що розпадаються на йони за одиницю часу дорівнює числу пар іонів що за цей час зєднуються в нейтральні молекули Розглянемо схему дослідження струму у рідинах (Error Reference source not found) 1 ndash анод 2 ndash катод 3 ndash ванна з розчином електроліту

Мал33 Дослідження струму у рідинах 1

Іони в електролітах рухаються хаотично доти поки в рідину не опускаються електроди Тоді на хаотичний рух іонів накладається їхній упорядкований рух до відповідних електродів і в рідині виникає електричний струм

За йонної провідності проходження струму повязане з переносом речовини На електродах відбувається виділення речовин що входять до складу електролітів

Процес виділення речовини на електродах при проходженні елек-тричного струму через електроліт називають електролізом

На аноді негативно заряджені йони віддають свої зайві електрони (у хімії цей процес називається окисною реакцією) а на катоді позитивні йони одержують електрони яких не вистачає (відновна реакція)

9

Ступенем дисоціації називається число молекул n0 диссоциированного на іони до загального числа молекул n0

α=n0

n0 (31)

Кожний іон що в процесі електролізу нейтралізується на електроді й виділяється на ньому у вигляді нейтрального атома має визначену масу Але водночас він переносить через електроліт визначений заряд Тому і маса речовини що виділилася і кількість електрики що пройшла пропорційні числу йонів що підходять до даного електроду

Кількісно закон електролізу був установлений дослідним шляхом Майклом Фарадеєм у першій половині XIX сторіччя Фарадей виявив що

маса речовини яка виділилась на електроді при проходженні електричного струму пропорційна заряду що пройшов через електроліт

m=kq (32)

Оскільки q=It де I mdash сила струму t mdash час проходження струму то m=kIt

Сталу k називають електрохімічним еквівалентом речовини Зміст цього коефіцієнта можна зясувати з виразу

k=mq

(33)

Електрохімічний еквівалент чисельно дорівнює масі речовини в кг що виділяється при проходженні 1 Кл електрики

Як бачимо електрохімічні еквіваленти неоднакові не тільки для різних речовин але й для тієї самої речовини в різних сполуках у яких вона має різну валентність (наприклад CuCl і CuS04)

10

4Електричний струм у напівпровідниках

Напівпровідниками вважають речовини питомій опір яких має проміжне значення між питомим опором металів і діелектриків

Таке означення напівпровідників не є вичерпним оскільки є речовини з проміжним значенням питомого опору але які не є напівпровідниками Деякі напівпровідники є такими ж добрими провідниками струму як і метали

Напівпровідники відрізняються від інших речовин деякими

властивостями і значення їх питомого опору не є головним серед них Для

напівпровідників є характерною дуже сильна залежність їх питомого опору від

стану речовини від температури освітлення наявності домішок тощо

В провідниках є величезна кількість вільних зарядів які мають хорошу

рухливість

В діелектриках немає (майже) вільних зарядів

В напівпровідниках при звичайних умовах немає вільних зарядів а при

нагріванні опроміненні наявності домішок зrsquoявляється велика кількість

вільних зарядів і вони стають провідниками

Напівпровідники mdash речовини питомий опір яких дуже швидко зменшується з підвищенням температури

11

Мал41 Електричні властивості речовин 1Мал41 Електричні властивості речовин 1

Розглянемо залежність питомого опору напівпровідника від абсолютної температури (Мал42 Залежність питомого опору НП 1)

Мал42 Залежність питомого опору НП 1

Взаємодія пари сусідніх атомів у напівпровідниках здійснюється за допомогою ковалентного звязку В утворенні цього звязку від кожного атома бере участь по одному валентному електрону які відщеплюються від атомів і під час свого руху велику частину часу проводять у просторі між сусідніми атомами їх негативний заряд утримує позитивні іони один поблизу одного

Кожний атом утворює чотири звязки із сусідніми й будь-який валентний електрон може рухатися по одному з них Дійшовши до сусіднього атома він може перейти до наступного а потім далі вздовж усього кристала Валентні електрони належать усьому кристалу

Ковалентні звязки напівпровідника достатньо міцні й за низьких температур не розриваються Тому напівпровідники за низької температури не проводять електричний струм Валентні електрони що беруть участь у звязках атомів міцно привязані до кристалічних решіток і зовнішнє електричне поле не чинить помітного впливу на їхній рух

Власна провідність напівпровідників У разі нагрівання напівпровідника кінетична енергія частинок підвищується й відбувається розрив окремих звязків Деякі електрони стають вільними подібно до електронів у металі В електричному полі вони переміщаються між вузлами решіток утворюючи електричний струм

Провідність напівпровідників що зумовлена наявністю в них вільних електронів називається електронною провідністю

У тій парі атомів звідки зовнішнім впливом mdash нагріванням або освітленням mdash електрон був переведений у вільний стан зявляється надлишковий позитивний іон Тепловий рух атомів кристала призводить до того що який-небудь електрон із найближчих сусідніх атомів переходить до даного іона Тоді позитивним іоном виявляється сусідній атом звідки був ldquoзахопленийrdquo електрон Такий процес відбувається багато разів і тому переміщення позитивного заряду всередині кристала яке відображає насправді рух звязаних електронів від одного атома до іншого називають рухом дірок Легко побачити що поява дірок у кристалі створює додаткові можливості для

12

перенесення заряду Під час створення в напівпровіднику електричного поля дірки переміщаються в тому напрямі куди рухалися б позитивні заряди

Власну провідність напівпровідників можна розглянути на основі уявлення про будову типового напівпровідника mdash германію (Мал43Напівпровідник - германій 1)

Мал43 Напівпровідник - германій 1

Домішкова провідність напівпровідників Отже для чистих напівпровідників притамана власна провідність провідність що здійснюють переміщенням вільних електронів є електронна провідність а провідність дірок ndash діркова провідність Діркова провідність виникає тоді коли в кристал германію введені атоми (наприклад індію) Розглянемо атом індію який створив з допомогою своїх валентних електронів ковалентні звязки лише з трьома сусідніми атомами германію (Error Reference source not found)

Мал44 Звязок атома індію з германієм 1

За схемою будови напівпровідникового кристала бачимо що відбувається коли в нього вводиться домішка наприклад мишяку що має пять валентних електронів (донорна домішка) або тривалентного бору (акцепторна домішка) (Мал45 Акцепторна домішка 1)

Оскільки напівпровідники що мають донорні домішки віддають зайві валентні електрони наділені більшим числом електронів (у порівнянні з числом дірок) їх називають напівпровідниками n-типу переважає електронна

13

провідність В напівпровідниках n-типу електрони є основними носіями заряду а дірки mdash неосновними

Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу Акцепторні домішки створюють дірки утворюється напівпровідник р-типу Основними носіями заряду в напівпровіднику р-типу є дірки а неосновними mdash електрони

Мал45 Акцепторна домішка 1

14

Список літератури

[1] В Г Баряхтар Ф Я Божинова М М Кірюхін и О О Кірюхіна Фізика 11 клас Академічний рівень Профільний рівен Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів Харків Ранок 2011

[2] Т Засєкіна и Д Засєкін Фізика підручник для 11 класів загальноосвітніх закладів (академічний рівень профільний рівень) Харків Синиця 2011

[3] laquohttpstudopedianet1_9698_elektrichniy-strum-ta-yogo-harakteristiki-sila-gustina-strumuhtmlraquo [В Интернете]

[4] laquohttpstudopedianet6_21800_tema--elektrichniy-strum-v-ridinah-i-v-gazahhtmlraquo [В Интернете]

[5] laquohttpsvitpptcomuafizikasila-strumu-vimiryuvannya-sili-strumuhtmlraquo [В Интернете]

Мал11 Рух електронів без ЕП 13

Мал12 Рух електронів під дією ЕП 13

Мал13 Рух електронів у провіднику 13

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 16

15

батарея) Джерелом електричної енергії називають пристрій який перетворює енергію будь-якого виду в електричну

Отже постійні струми проходять тільки в провідниках приєднаних до джерел струму При цьому на кінцях провідника підтримується постійна різниця потенціалів внаслідок роботи яку виконують сторонні сили завдяки енергії джерела струму Параметром поля сторонніх сил є напруженість поля сторонніх сил яка вводиться за формальною аналогією з напруженістю електричного поля

E= Fq

(21)

Використовуючи 21 можна визначити силу що діє на одиничний позитивний заряд q в джерелі струму

F=E q (22)

Слід відмітити що поле сторонніх сил не є потенціальним відповідно до означення потенціальності поля робота по замкненому шляху не дорівнюватиме нулю

Джерело електрорушійної сили характеризується електрорушійною силою (ЕРС) Електрорушійна сила виникає лише в не потенціальних полях і чисельно рівна роботі по перенесенню одиничного позитивного заряду по всьому замкнутому електричному колі

ε=A0

q (23)

Де ε - електрорушійна сила A0 - робота із переміщення заряду q по всьому колі

Вимірюється ЕРС у Вольтах Електрорушійна сила незважаючи на цю назву є енергетичною характеристикою самого джерела струму

7

3Електричний струм у рідинахСпостереження показали що багато рідини дуже погано проводять

електричний струм (дистильована вода гліцерин гас і тд) Водні розчини солей кислот і лугів добре проводять електричний струм

Розглянемо дослід (Мал31 Дослід з дистильованою водою 1) У посудину з дистильованою водою опустимо два електроди Зберемо коло із джерела струму ключа лампочки та чутливого амперметра Якщо замкнути коло то стрілка амперметра не відхилиться Це означає що дистильована вода не містить вільних носіїв заряду й у колі немає струму

У такий же спосіб можна переконатися що суха камяна сіль так само є діелектриком

А тепер laquoобєднаємоraquo ці два діелектрики насиплемо у посудину з водою дві-три ложки камяної солі Ми побачимо що лампочка загориться причому в міру розчинення солі розжарення лампи збільшується

Мал31 Дослід з дистильованою водою 1

Цей дослід доводить що підсолена вода є провідником причому носії заряду зявляються під час розчинення солі у воді

За допомогою подібних дослідів можна визначити що практично усі водні розчини солей кислот і лугів є провідниками електричного струму

Електролітами називаються речовини розчини яких проводять електричний струм

Молекули солей кислот і лугів утворені позитивними й негативними йонами що утримуються силами електростатичного притягування Наприклад у молекулах камяної солі NaCl позитивно заряджений іон натрію Na+

притягується до негативного йона хлору СІ- У водяному розчині молекули води послаблюють звязок між іонами (Мал32 Послаблення звязку між іонами1)

Мал32 Послаблення звязку між іонами 1

8

При зіткненнях обумовлених тепловим рухом молекула розпадається на позитивні й негативні йони що стають носіями заряду в електроліті

Таким чином носіями заряду в електролітах є йони тобто електроліти мають іонну провідність

Розпад молекул на йони називають електролітичною дисоціацією

Зі збільшенням температури ступінь дисоціації зростає а отже збільшується концентрація позитивно і негативно заряджених іонів

У розчині може відбуватися також процес що називається рекомбінацією

Рекомбінація mdash процес зєднання йонів у нейтральні молекули

Між процесами електролітичної дисоціації й рекомбінації йонів за незмінних умов установлюється динамічна рівновага за якої число молекул що розпадаються на йони за одиницю часу дорівнює числу пар іонів що за цей час зєднуються в нейтральні молекули Розглянемо схему дослідження струму у рідинах (Error Reference source not found) 1 ndash анод 2 ndash катод 3 ndash ванна з розчином електроліту

Мал33 Дослідження струму у рідинах 1

Іони в електролітах рухаються хаотично доти поки в рідину не опускаються електроди Тоді на хаотичний рух іонів накладається їхній упорядкований рух до відповідних електродів і в рідині виникає електричний струм

За йонної провідності проходження струму повязане з переносом речовини На електродах відбувається виділення речовин що входять до складу електролітів

Процес виділення речовини на електродах при проходженні елек-тричного струму через електроліт називають електролізом

На аноді негативно заряджені йони віддають свої зайві електрони (у хімії цей процес називається окисною реакцією) а на катоді позитивні йони одержують електрони яких не вистачає (відновна реакція)

9

Ступенем дисоціації називається число молекул n0 диссоциированного на іони до загального числа молекул n0

α=n0

n0 (31)

Кожний іон що в процесі електролізу нейтралізується на електроді й виділяється на ньому у вигляді нейтрального атома має визначену масу Але водночас він переносить через електроліт визначений заряд Тому і маса речовини що виділилася і кількість електрики що пройшла пропорційні числу йонів що підходять до даного електроду

Кількісно закон електролізу був установлений дослідним шляхом Майклом Фарадеєм у першій половині XIX сторіччя Фарадей виявив що

маса речовини яка виділилась на електроді при проходженні електричного струму пропорційна заряду що пройшов через електроліт

m=kq (32)

Оскільки q=It де I mdash сила струму t mdash час проходження струму то m=kIt

Сталу k називають електрохімічним еквівалентом речовини Зміст цього коефіцієнта можна зясувати з виразу

k=mq

(33)

Електрохімічний еквівалент чисельно дорівнює масі речовини в кг що виділяється при проходженні 1 Кл електрики

Як бачимо електрохімічні еквіваленти неоднакові не тільки для різних речовин але й для тієї самої речовини в різних сполуках у яких вона має різну валентність (наприклад CuCl і CuS04)

10

4Електричний струм у напівпровідниках

Напівпровідниками вважають речовини питомій опір яких має проміжне значення між питомим опором металів і діелектриків

Таке означення напівпровідників не є вичерпним оскільки є речовини з проміжним значенням питомого опору але які не є напівпровідниками Деякі напівпровідники є такими ж добрими провідниками струму як і метали

Напівпровідники відрізняються від інших речовин деякими

властивостями і значення їх питомого опору не є головним серед них Для

напівпровідників є характерною дуже сильна залежність їх питомого опору від

стану речовини від температури освітлення наявності домішок тощо

В провідниках є величезна кількість вільних зарядів які мають хорошу

рухливість

В діелектриках немає (майже) вільних зарядів

В напівпровідниках при звичайних умовах немає вільних зарядів а при

нагріванні опроміненні наявності домішок зrsquoявляється велика кількість

вільних зарядів і вони стають провідниками

Напівпровідники mdash речовини питомий опір яких дуже швидко зменшується з підвищенням температури

11

Мал41 Електричні властивості речовин 1Мал41 Електричні властивості речовин 1

Розглянемо залежність питомого опору напівпровідника від абсолютної температури (Мал42 Залежність питомого опору НП 1)

Мал42 Залежність питомого опору НП 1

Взаємодія пари сусідніх атомів у напівпровідниках здійснюється за допомогою ковалентного звязку В утворенні цього звязку від кожного атома бере участь по одному валентному електрону які відщеплюються від атомів і під час свого руху велику частину часу проводять у просторі між сусідніми атомами їх негативний заряд утримує позитивні іони один поблизу одного

Кожний атом утворює чотири звязки із сусідніми й будь-який валентний електрон може рухатися по одному з них Дійшовши до сусіднього атома він може перейти до наступного а потім далі вздовж усього кристала Валентні електрони належать усьому кристалу

Ковалентні звязки напівпровідника достатньо міцні й за низьких температур не розриваються Тому напівпровідники за низької температури не проводять електричний струм Валентні електрони що беруть участь у звязках атомів міцно привязані до кристалічних решіток і зовнішнє електричне поле не чинить помітного впливу на їхній рух

Власна провідність напівпровідників У разі нагрівання напівпровідника кінетична енергія частинок підвищується й відбувається розрив окремих звязків Деякі електрони стають вільними подібно до електронів у металі В електричному полі вони переміщаються між вузлами решіток утворюючи електричний струм

Провідність напівпровідників що зумовлена наявністю в них вільних електронів називається електронною провідністю

У тій парі атомів звідки зовнішнім впливом mdash нагріванням або освітленням mdash електрон був переведений у вільний стан зявляється надлишковий позитивний іон Тепловий рух атомів кристала призводить до того що який-небудь електрон із найближчих сусідніх атомів переходить до даного іона Тоді позитивним іоном виявляється сусідній атом звідки був ldquoзахопленийrdquo електрон Такий процес відбувається багато разів і тому переміщення позитивного заряду всередині кристала яке відображає насправді рух звязаних електронів від одного атома до іншого називають рухом дірок Легко побачити що поява дірок у кристалі створює додаткові можливості для

12

перенесення заряду Під час створення в напівпровіднику електричного поля дірки переміщаються в тому напрямі куди рухалися б позитивні заряди

Власну провідність напівпровідників можна розглянути на основі уявлення про будову типового напівпровідника mdash германію (Мал43Напівпровідник - германій 1)

Мал43 Напівпровідник - германій 1

Домішкова провідність напівпровідників Отже для чистих напівпровідників притамана власна провідність провідність що здійснюють переміщенням вільних електронів є електронна провідність а провідність дірок ndash діркова провідність Діркова провідність виникає тоді коли в кристал германію введені атоми (наприклад індію) Розглянемо атом індію який створив з допомогою своїх валентних електронів ковалентні звязки лише з трьома сусідніми атомами германію (Error Reference source not found)

Мал44 Звязок атома індію з германієм 1

За схемою будови напівпровідникового кристала бачимо що відбувається коли в нього вводиться домішка наприклад мишяку що має пять валентних електронів (донорна домішка) або тривалентного бору (акцепторна домішка) (Мал45 Акцепторна домішка 1)

Оскільки напівпровідники що мають донорні домішки віддають зайві валентні електрони наділені більшим числом електронів (у порівнянні з числом дірок) їх називають напівпровідниками n-типу переважає електронна

13

провідність В напівпровідниках n-типу електрони є основними носіями заряду а дірки mdash неосновними

Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу Акцепторні домішки створюють дірки утворюється напівпровідник р-типу Основними носіями заряду в напівпровіднику р-типу є дірки а неосновними mdash електрони

Мал45 Акцепторна домішка 1

14

Список літератури

[1] В Г Баряхтар Ф Я Божинова М М Кірюхін и О О Кірюхіна Фізика 11 клас Академічний рівень Профільний рівен Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів Харків Ранок 2011

[2] Т Засєкіна и Д Засєкін Фізика підручник для 11 класів загальноосвітніх закладів (академічний рівень профільний рівень) Харків Синиця 2011

[3] laquohttpstudopedianet1_9698_elektrichniy-strum-ta-yogo-harakteristiki-sila-gustina-strumuhtmlraquo [В Интернете]

[4] laquohttpstudopedianet6_21800_tema--elektrichniy-strum-v-ridinah-i-v-gazahhtmlraquo [В Интернете]

[5] laquohttpsvitpptcomuafizikasila-strumu-vimiryuvannya-sili-strumuhtmlraquo [В Интернете]

Мал11 Рух електронів без ЕП 13

Мал12 Рух електронів під дією ЕП 13

Мал13 Рух електронів у провіднику 13

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 16

15

3Електричний струм у рідинахСпостереження показали що багато рідини дуже погано проводять

електричний струм (дистильована вода гліцерин гас і тд) Водні розчини солей кислот і лугів добре проводять електричний струм

Розглянемо дослід (Мал31 Дослід з дистильованою водою 1) У посудину з дистильованою водою опустимо два електроди Зберемо коло із джерела струму ключа лампочки та чутливого амперметра Якщо замкнути коло то стрілка амперметра не відхилиться Це означає що дистильована вода не містить вільних носіїв заряду й у колі немає струму

У такий же спосіб можна переконатися що суха камяна сіль так само є діелектриком

А тепер laquoобєднаємоraquo ці два діелектрики насиплемо у посудину з водою дві-три ложки камяної солі Ми побачимо що лампочка загориться причому в міру розчинення солі розжарення лампи збільшується

Мал31 Дослід з дистильованою водою 1

Цей дослід доводить що підсолена вода є провідником причому носії заряду зявляються під час розчинення солі у воді

За допомогою подібних дослідів можна визначити що практично усі водні розчини солей кислот і лугів є провідниками електричного струму

Електролітами називаються речовини розчини яких проводять електричний струм

Молекули солей кислот і лугів утворені позитивними й негативними йонами що утримуються силами електростатичного притягування Наприклад у молекулах камяної солі NaCl позитивно заряджений іон натрію Na+

притягується до негативного йона хлору СІ- У водяному розчині молекули води послаблюють звязок між іонами (Мал32 Послаблення звязку між іонами1)

Мал32 Послаблення звязку між іонами 1

8

При зіткненнях обумовлених тепловим рухом молекула розпадається на позитивні й негативні йони що стають носіями заряду в електроліті

Таким чином носіями заряду в електролітах є йони тобто електроліти мають іонну провідність

Розпад молекул на йони називають електролітичною дисоціацією

Зі збільшенням температури ступінь дисоціації зростає а отже збільшується концентрація позитивно і негативно заряджених іонів

У розчині може відбуватися також процес що називається рекомбінацією

Рекомбінація mdash процес зєднання йонів у нейтральні молекули

Між процесами електролітичної дисоціації й рекомбінації йонів за незмінних умов установлюється динамічна рівновага за якої число молекул що розпадаються на йони за одиницю часу дорівнює числу пар іонів що за цей час зєднуються в нейтральні молекули Розглянемо схему дослідження струму у рідинах (Error Reference source not found) 1 ndash анод 2 ndash катод 3 ndash ванна з розчином електроліту

Мал33 Дослідження струму у рідинах 1

Іони в електролітах рухаються хаотично доти поки в рідину не опускаються електроди Тоді на хаотичний рух іонів накладається їхній упорядкований рух до відповідних електродів і в рідині виникає електричний струм

За йонної провідності проходження струму повязане з переносом речовини На електродах відбувається виділення речовин що входять до складу електролітів

Процес виділення речовини на електродах при проходженні елек-тричного струму через електроліт називають електролізом

На аноді негативно заряджені йони віддають свої зайві електрони (у хімії цей процес називається окисною реакцією) а на катоді позитивні йони одержують електрони яких не вистачає (відновна реакція)

9

Ступенем дисоціації називається число молекул n0 диссоциированного на іони до загального числа молекул n0

α=n0

n0 (31)

Кожний іон що в процесі електролізу нейтралізується на електроді й виділяється на ньому у вигляді нейтрального атома має визначену масу Але водночас він переносить через електроліт визначений заряд Тому і маса речовини що виділилася і кількість електрики що пройшла пропорційні числу йонів що підходять до даного електроду

Кількісно закон електролізу був установлений дослідним шляхом Майклом Фарадеєм у першій половині XIX сторіччя Фарадей виявив що

маса речовини яка виділилась на електроді при проходженні електричного струму пропорційна заряду що пройшов через електроліт

m=kq (32)

Оскільки q=It де I mdash сила струму t mdash час проходження струму то m=kIt

Сталу k називають електрохімічним еквівалентом речовини Зміст цього коефіцієнта можна зясувати з виразу

k=mq

(33)

Електрохімічний еквівалент чисельно дорівнює масі речовини в кг що виділяється при проходженні 1 Кл електрики

Як бачимо електрохімічні еквіваленти неоднакові не тільки для різних речовин але й для тієї самої речовини в різних сполуках у яких вона має різну валентність (наприклад CuCl і CuS04)

10

4Електричний струм у напівпровідниках

Напівпровідниками вважають речовини питомій опір яких має проміжне значення між питомим опором металів і діелектриків

Таке означення напівпровідників не є вичерпним оскільки є речовини з проміжним значенням питомого опору але які не є напівпровідниками Деякі напівпровідники є такими ж добрими провідниками струму як і метали

Напівпровідники відрізняються від інших речовин деякими

властивостями і значення їх питомого опору не є головним серед них Для

напівпровідників є характерною дуже сильна залежність їх питомого опору від

стану речовини від температури освітлення наявності домішок тощо

В провідниках є величезна кількість вільних зарядів які мають хорошу

рухливість

В діелектриках немає (майже) вільних зарядів

В напівпровідниках при звичайних умовах немає вільних зарядів а при

нагріванні опроміненні наявності домішок зrsquoявляється велика кількість

вільних зарядів і вони стають провідниками

Напівпровідники mdash речовини питомий опір яких дуже швидко зменшується з підвищенням температури

11

Мал41 Електричні властивості речовин 1Мал41 Електричні властивості речовин 1

Розглянемо залежність питомого опору напівпровідника від абсолютної температури (Мал42 Залежність питомого опору НП 1)

Мал42 Залежність питомого опору НП 1

Взаємодія пари сусідніх атомів у напівпровідниках здійснюється за допомогою ковалентного звязку В утворенні цього звязку від кожного атома бере участь по одному валентному електрону які відщеплюються від атомів і під час свого руху велику частину часу проводять у просторі між сусідніми атомами їх негативний заряд утримує позитивні іони один поблизу одного

Кожний атом утворює чотири звязки із сусідніми й будь-який валентний електрон може рухатися по одному з них Дійшовши до сусіднього атома він може перейти до наступного а потім далі вздовж усього кристала Валентні електрони належать усьому кристалу

Ковалентні звязки напівпровідника достатньо міцні й за низьких температур не розриваються Тому напівпровідники за низької температури не проводять електричний струм Валентні електрони що беруть участь у звязках атомів міцно привязані до кристалічних решіток і зовнішнє електричне поле не чинить помітного впливу на їхній рух

Власна провідність напівпровідників У разі нагрівання напівпровідника кінетична енергія частинок підвищується й відбувається розрив окремих звязків Деякі електрони стають вільними подібно до електронів у металі В електричному полі вони переміщаються між вузлами решіток утворюючи електричний струм

Провідність напівпровідників що зумовлена наявністю в них вільних електронів називається електронною провідністю

У тій парі атомів звідки зовнішнім впливом mdash нагріванням або освітленням mdash електрон був переведений у вільний стан зявляється надлишковий позитивний іон Тепловий рух атомів кристала призводить до того що який-небудь електрон із найближчих сусідніх атомів переходить до даного іона Тоді позитивним іоном виявляється сусідній атом звідки був ldquoзахопленийrdquo електрон Такий процес відбувається багато разів і тому переміщення позитивного заряду всередині кристала яке відображає насправді рух звязаних електронів від одного атома до іншого називають рухом дірок Легко побачити що поява дірок у кристалі створює додаткові можливості для

12

перенесення заряду Під час створення в напівпровіднику електричного поля дірки переміщаються в тому напрямі куди рухалися б позитивні заряди

Власну провідність напівпровідників можна розглянути на основі уявлення про будову типового напівпровідника mdash германію (Мал43Напівпровідник - германій 1)

Мал43 Напівпровідник - германій 1

Домішкова провідність напівпровідників Отже для чистих напівпровідників притамана власна провідність провідність що здійснюють переміщенням вільних електронів є електронна провідність а провідність дірок ndash діркова провідність Діркова провідність виникає тоді коли в кристал германію введені атоми (наприклад індію) Розглянемо атом індію який створив з допомогою своїх валентних електронів ковалентні звязки лише з трьома сусідніми атомами германію (Error Reference source not found)

Мал44 Звязок атома індію з германієм 1

За схемою будови напівпровідникового кристала бачимо що відбувається коли в нього вводиться домішка наприклад мишяку що має пять валентних електронів (донорна домішка) або тривалентного бору (акцепторна домішка) (Мал45 Акцепторна домішка 1)

Оскільки напівпровідники що мають донорні домішки віддають зайві валентні електрони наділені більшим числом електронів (у порівнянні з числом дірок) їх називають напівпровідниками n-типу переважає електронна

13

провідність В напівпровідниках n-типу електрони є основними носіями заряду а дірки mdash неосновними

Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу Акцепторні домішки створюють дірки утворюється напівпровідник р-типу Основними носіями заряду в напівпровіднику р-типу є дірки а неосновними mdash електрони

Мал45 Акцепторна домішка 1

14

Список літератури

[1] В Г Баряхтар Ф Я Божинова М М Кірюхін и О О Кірюхіна Фізика 11 клас Академічний рівень Профільний рівен Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів Харків Ранок 2011

[2] Т Засєкіна и Д Засєкін Фізика підручник для 11 класів загальноосвітніх закладів (академічний рівень профільний рівень) Харків Синиця 2011

[3] laquohttpstudopedianet1_9698_elektrichniy-strum-ta-yogo-harakteristiki-sila-gustina-strumuhtmlraquo [В Интернете]

[4] laquohttpstudopedianet6_21800_tema--elektrichniy-strum-v-ridinah-i-v-gazahhtmlraquo [В Интернете]

[5] laquohttpsvitpptcomuafizikasila-strumu-vimiryuvannya-sili-strumuhtmlraquo [В Интернете]

Мал11 Рух електронів без ЕП 13

Мал12 Рух електронів під дією ЕП 13

Мал13 Рух електронів у провіднику 13

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 16

15

При зіткненнях обумовлених тепловим рухом молекула розпадається на позитивні й негативні йони що стають носіями заряду в електроліті

Таким чином носіями заряду в електролітах є йони тобто електроліти мають іонну провідність

Розпад молекул на йони називають електролітичною дисоціацією

Зі збільшенням температури ступінь дисоціації зростає а отже збільшується концентрація позитивно і негативно заряджених іонів

У розчині може відбуватися також процес що називається рекомбінацією

Рекомбінація mdash процес зєднання йонів у нейтральні молекули

Між процесами електролітичної дисоціації й рекомбінації йонів за незмінних умов установлюється динамічна рівновага за якої число молекул що розпадаються на йони за одиницю часу дорівнює числу пар іонів що за цей час зєднуються в нейтральні молекули Розглянемо схему дослідження струму у рідинах (Error Reference source not found) 1 ndash анод 2 ndash катод 3 ndash ванна з розчином електроліту

Мал33 Дослідження струму у рідинах 1

Іони в електролітах рухаються хаотично доти поки в рідину не опускаються електроди Тоді на хаотичний рух іонів накладається їхній упорядкований рух до відповідних електродів і в рідині виникає електричний струм

За йонної провідності проходження струму повязане з переносом речовини На електродах відбувається виділення речовин що входять до складу електролітів

Процес виділення речовини на електродах при проходженні елек-тричного струму через електроліт називають електролізом

На аноді негативно заряджені йони віддають свої зайві електрони (у хімії цей процес називається окисною реакцією) а на катоді позитивні йони одержують електрони яких не вистачає (відновна реакція)

9

Ступенем дисоціації називається число молекул n0 диссоциированного на іони до загального числа молекул n0

α=n0

n0 (31)

Кожний іон що в процесі електролізу нейтралізується на електроді й виділяється на ньому у вигляді нейтрального атома має визначену масу Але водночас він переносить через електроліт визначений заряд Тому і маса речовини що виділилася і кількість електрики що пройшла пропорційні числу йонів що підходять до даного електроду

Кількісно закон електролізу був установлений дослідним шляхом Майклом Фарадеєм у першій половині XIX сторіччя Фарадей виявив що

маса речовини яка виділилась на електроді при проходженні електричного струму пропорційна заряду що пройшов через електроліт

m=kq (32)

Оскільки q=It де I mdash сила струму t mdash час проходження струму то m=kIt

Сталу k називають електрохімічним еквівалентом речовини Зміст цього коефіцієнта можна зясувати з виразу

k=mq

(33)

Електрохімічний еквівалент чисельно дорівнює масі речовини в кг що виділяється при проходженні 1 Кл електрики

Як бачимо електрохімічні еквіваленти неоднакові не тільки для різних речовин але й для тієї самої речовини в різних сполуках у яких вона має різну валентність (наприклад CuCl і CuS04)

10

4Електричний струм у напівпровідниках

Напівпровідниками вважають речовини питомій опір яких має проміжне значення між питомим опором металів і діелектриків

Таке означення напівпровідників не є вичерпним оскільки є речовини з проміжним значенням питомого опору але які не є напівпровідниками Деякі напівпровідники є такими ж добрими провідниками струму як і метали

Напівпровідники відрізняються від інших речовин деякими

властивостями і значення їх питомого опору не є головним серед них Для

напівпровідників є характерною дуже сильна залежність їх питомого опору від

стану речовини від температури освітлення наявності домішок тощо

В провідниках є величезна кількість вільних зарядів які мають хорошу

рухливість

В діелектриках немає (майже) вільних зарядів

В напівпровідниках при звичайних умовах немає вільних зарядів а при

нагріванні опроміненні наявності домішок зrsquoявляється велика кількість

вільних зарядів і вони стають провідниками

Напівпровідники mdash речовини питомий опір яких дуже швидко зменшується з підвищенням температури

11

Мал41 Електричні властивості речовин 1Мал41 Електричні властивості речовин 1

Розглянемо залежність питомого опору напівпровідника від абсолютної температури (Мал42 Залежність питомого опору НП 1)

Мал42 Залежність питомого опору НП 1

Взаємодія пари сусідніх атомів у напівпровідниках здійснюється за допомогою ковалентного звязку В утворенні цього звязку від кожного атома бере участь по одному валентному електрону які відщеплюються від атомів і під час свого руху велику частину часу проводять у просторі між сусідніми атомами їх негативний заряд утримує позитивні іони один поблизу одного

Кожний атом утворює чотири звязки із сусідніми й будь-який валентний електрон може рухатися по одному з них Дійшовши до сусіднього атома він може перейти до наступного а потім далі вздовж усього кристала Валентні електрони належать усьому кристалу

Ковалентні звязки напівпровідника достатньо міцні й за низьких температур не розриваються Тому напівпровідники за низької температури не проводять електричний струм Валентні електрони що беруть участь у звязках атомів міцно привязані до кристалічних решіток і зовнішнє електричне поле не чинить помітного впливу на їхній рух

Власна провідність напівпровідників У разі нагрівання напівпровідника кінетична енергія частинок підвищується й відбувається розрив окремих звязків Деякі електрони стають вільними подібно до електронів у металі В електричному полі вони переміщаються між вузлами решіток утворюючи електричний струм

Провідність напівпровідників що зумовлена наявністю в них вільних електронів називається електронною провідністю

У тій парі атомів звідки зовнішнім впливом mdash нагріванням або освітленням mdash електрон був переведений у вільний стан зявляється надлишковий позитивний іон Тепловий рух атомів кристала призводить до того що який-небудь електрон із найближчих сусідніх атомів переходить до даного іона Тоді позитивним іоном виявляється сусідній атом звідки був ldquoзахопленийrdquo електрон Такий процес відбувається багато разів і тому переміщення позитивного заряду всередині кристала яке відображає насправді рух звязаних електронів від одного атома до іншого називають рухом дірок Легко побачити що поява дірок у кристалі створює додаткові можливості для

12

перенесення заряду Під час створення в напівпровіднику електричного поля дірки переміщаються в тому напрямі куди рухалися б позитивні заряди

Власну провідність напівпровідників можна розглянути на основі уявлення про будову типового напівпровідника mdash германію (Мал43Напівпровідник - германій 1)

Мал43 Напівпровідник - германій 1

Домішкова провідність напівпровідників Отже для чистих напівпровідників притамана власна провідність провідність що здійснюють переміщенням вільних електронів є електронна провідність а провідність дірок ndash діркова провідність Діркова провідність виникає тоді коли в кристал германію введені атоми (наприклад індію) Розглянемо атом індію який створив з допомогою своїх валентних електронів ковалентні звязки лише з трьома сусідніми атомами германію (Error Reference source not found)

Мал44 Звязок атома індію з германієм 1

За схемою будови напівпровідникового кристала бачимо що відбувається коли в нього вводиться домішка наприклад мишяку що має пять валентних електронів (донорна домішка) або тривалентного бору (акцепторна домішка) (Мал45 Акцепторна домішка 1)

Оскільки напівпровідники що мають донорні домішки віддають зайві валентні електрони наділені більшим числом електронів (у порівнянні з числом дірок) їх називають напівпровідниками n-типу переважає електронна

13

провідність В напівпровідниках n-типу електрони є основними носіями заряду а дірки mdash неосновними

Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу Акцепторні домішки створюють дірки утворюється напівпровідник р-типу Основними носіями заряду в напівпровіднику р-типу є дірки а неосновними mdash електрони

Мал45 Акцепторна домішка 1

14

Список літератури

[1] В Г Баряхтар Ф Я Божинова М М Кірюхін и О О Кірюхіна Фізика 11 клас Академічний рівень Профільний рівен Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів Харків Ранок 2011

[2] Т Засєкіна и Д Засєкін Фізика підручник для 11 класів загальноосвітніх закладів (академічний рівень профільний рівень) Харків Синиця 2011

[3] laquohttpstudopedianet1_9698_elektrichniy-strum-ta-yogo-harakteristiki-sila-gustina-strumuhtmlraquo [В Интернете]

[4] laquohttpstudopedianet6_21800_tema--elektrichniy-strum-v-ridinah-i-v-gazahhtmlraquo [В Интернете]

[5] laquohttpsvitpptcomuafizikasila-strumu-vimiryuvannya-sili-strumuhtmlraquo [В Интернете]

Мал11 Рух електронів без ЕП 13

Мал12 Рух електронів під дією ЕП 13

Мал13 Рух електронів у провіднику 13

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 16

15

Ступенем дисоціації називається число молекул n0 диссоциированного на іони до загального числа молекул n0

α=n0

n0 (31)

Кожний іон що в процесі електролізу нейтралізується на електроді й виділяється на ньому у вигляді нейтрального атома має визначену масу Але водночас він переносить через електроліт визначений заряд Тому і маса речовини що виділилася і кількість електрики що пройшла пропорційні числу йонів що підходять до даного електроду

Кількісно закон електролізу був установлений дослідним шляхом Майклом Фарадеєм у першій половині XIX сторіччя Фарадей виявив що

маса речовини яка виділилась на електроді при проходженні електричного струму пропорційна заряду що пройшов через електроліт

m=kq (32)

Оскільки q=It де I mdash сила струму t mdash час проходження струму то m=kIt

Сталу k називають електрохімічним еквівалентом речовини Зміст цього коефіцієнта можна зясувати з виразу

k=mq

(33)

Електрохімічний еквівалент чисельно дорівнює масі речовини в кг що виділяється при проходженні 1 Кл електрики

Як бачимо електрохімічні еквіваленти неоднакові не тільки для різних речовин але й для тієї самої речовини в різних сполуках у яких вона має різну валентність (наприклад CuCl і CuS04)

10

4Електричний струм у напівпровідниках

Напівпровідниками вважають речовини питомій опір яких має проміжне значення між питомим опором металів і діелектриків

Таке означення напівпровідників не є вичерпним оскільки є речовини з проміжним значенням питомого опору але які не є напівпровідниками Деякі напівпровідники є такими ж добрими провідниками струму як і метали

Напівпровідники відрізняються від інших речовин деякими

властивостями і значення їх питомого опору не є головним серед них Для

напівпровідників є характерною дуже сильна залежність їх питомого опору від

стану речовини від температури освітлення наявності домішок тощо

В провідниках є величезна кількість вільних зарядів які мають хорошу

рухливість

В діелектриках немає (майже) вільних зарядів

В напівпровідниках при звичайних умовах немає вільних зарядів а при

нагріванні опроміненні наявності домішок зrsquoявляється велика кількість

вільних зарядів і вони стають провідниками

Напівпровідники mdash речовини питомий опір яких дуже швидко зменшується з підвищенням температури

11

Мал41 Електричні властивості речовин 1Мал41 Електричні властивості речовин 1

Розглянемо залежність питомого опору напівпровідника від абсолютної температури (Мал42 Залежність питомого опору НП 1)

Мал42 Залежність питомого опору НП 1

Взаємодія пари сусідніх атомів у напівпровідниках здійснюється за допомогою ковалентного звязку В утворенні цього звязку від кожного атома бере участь по одному валентному електрону які відщеплюються від атомів і під час свого руху велику частину часу проводять у просторі між сусідніми атомами їх негативний заряд утримує позитивні іони один поблизу одного

Кожний атом утворює чотири звязки із сусідніми й будь-який валентний електрон може рухатися по одному з них Дійшовши до сусіднього атома він може перейти до наступного а потім далі вздовж усього кристала Валентні електрони належать усьому кристалу

Ковалентні звязки напівпровідника достатньо міцні й за низьких температур не розриваються Тому напівпровідники за низької температури не проводять електричний струм Валентні електрони що беруть участь у звязках атомів міцно привязані до кристалічних решіток і зовнішнє електричне поле не чинить помітного впливу на їхній рух

Власна провідність напівпровідників У разі нагрівання напівпровідника кінетична енергія частинок підвищується й відбувається розрив окремих звязків Деякі електрони стають вільними подібно до електронів у металі В електричному полі вони переміщаються між вузлами решіток утворюючи електричний струм

Провідність напівпровідників що зумовлена наявністю в них вільних електронів називається електронною провідністю

У тій парі атомів звідки зовнішнім впливом mdash нагріванням або освітленням mdash електрон був переведений у вільний стан зявляється надлишковий позитивний іон Тепловий рух атомів кристала призводить до того що який-небудь електрон із найближчих сусідніх атомів переходить до даного іона Тоді позитивним іоном виявляється сусідній атом звідки був ldquoзахопленийrdquo електрон Такий процес відбувається багато разів і тому переміщення позитивного заряду всередині кристала яке відображає насправді рух звязаних електронів від одного атома до іншого називають рухом дірок Легко побачити що поява дірок у кристалі створює додаткові можливості для

12

перенесення заряду Під час створення в напівпровіднику електричного поля дірки переміщаються в тому напрямі куди рухалися б позитивні заряди

Власну провідність напівпровідників можна розглянути на основі уявлення про будову типового напівпровідника mdash германію (Мал43Напівпровідник - германій 1)

Мал43 Напівпровідник - германій 1

Домішкова провідність напівпровідників Отже для чистих напівпровідників притамана власна провідність провідність що здійснюють переміщенням вільних електронів є електронна провідність а провідність дірок ndash діркова провідність Діркова провідність виникає тоді коли в кристал германію введені атоми (наприклад індію) Розглянемо атом індію який створив з допомогою своїх валентних електронів ковалентні звязки лише з трьома сусідніми атомами германію (Error Reference source not found)

Мал44 Звязок атома індію з германієм 1

За схемою будови напівпровідникового кристала бачимо що відбувається коли в нього вводиться домішка наприклад мишяку що має пять валентних електронів (донорна домішка) або тривалентного бору (акцепторна домішка) (Мал45 Акцепторна домішка 1)

Оскільки напівпровідники що мають донорні домішки віддають зайві валентні електрони наділені більшим числом електронів (у порівнянні з числом дірок) їх називають напівпровідниками n-типу переважає електронна

13

провідність В напівпровідниках n-типу електрони є основними носіями заряду а дірки mdash неосновними

Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу Акцепторні домішки створюють дірки утворюється напівпровідник р-типу Основними носіями заряду в напівпровіднику р-типу є дірки а неосновними mdash електрони

Мал45 Акцепторна домішка 1

14

Список літератури

[1] В Г Баряхтар Ф Я Божинова М М Кірюхін и О О Кірюхіна Фізика 11 клас Академічний рівень Профільний рівен Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів Харків Ранок 2011

[2] Т Засєкіна и Д Засєкін Фізика підручник для 11 класів загальноосвітніх закладів (академічний рівень профільний рівень) Харків Синиця 2011

[3] laquohttpstudopedianet1_9698_elektrichniy-strum-ta-yogo-harakteristiki-sila-gustina-strumuhtmlraquo [В Интернете]

[4] laquohttpstudopedianet6_21800_tema--elektrichniy-strum-v-ridinah-i-v-gazahhtmlraquo [В Интернете]

[5] laquohttpsvitpptcomuafizikasila-strumu-vimiryuvannya-sili-strumuhtmlraquo [В Интернете]

Мал11 Рух електронів без ЕП 13

Мал12 Рух електронів під дією ЕП 13

Мал13 Рух електронів у провіднику 13

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 16

15

4Електричний струм у напівпровідниках

Напівпровідниками вважають речовини питомій опір яких має проміжне значення між питомим опором металів і діелектриків

Таке означення напівпровідників не є вичерпним оскільки є речовини з проміжним значенням питомого опору але які не є напівпровідниками Деякі напівпровідники є такими ж добрими провідниками струму як і метали

Напівпровідники відрізняються від інших речовин деякими

властивостями і значення їх питомого опору не є головним серед них Для

напівпровідників є характерною дуже сильна залежність їх питомого опору від

стану речовини від температури освітлення наявності домішок тощо

В провідниках є величезна кількість вільних зарядів які мають хорошу

рухливість

В діелектриках немає (майже) вільних зарядів

В напівпровідниках при звичайних умовах немає вільних зарядів а при

нагріванні опроміненні наявності домішок зrsquoявляється велика кількість

вільних зарядів і вони стають провідниками

Напівпровідники mdash речовини питомий опір яких дуже швидко зменшується з підвищенням температури

11

Мал41 Електричні властивості речовин 1Мал41 Електричні властивості речовин 1

Розглянемо залежність питомого опору напівпровідника від абсолютної температури (Мал42 Залежність питомого опору НП 1)

Мал42 Залежність питомого опору НП 1

Взаємодія пари сусідніх атомів у напівпровідниках здійснюється за допомогою ковалентного звязку В утворенні цього звязку від кожного атома бере участь по одному валентному електрону які відщеплюються від атомів і під час свого руху велику частину часу проводять у просторі між сусідніми атомами їх негативний заряд утримує позитивні іони один поблизу одного

Кожний атом утворює чотири звязки із сусідніми й будь-який валентний електрон може рухатися по одному з них Дійшовши до сусіднього атома він може перейти до наступного а потім далі вздовж усього кристала Валентні електрони належать усьому кристалу

Ковалентні звязки напівпровідника достатньо міцні й за низьких температур не розриваються Тому напівпровідники за низької температури не проводять електричний струм Валентні електрони що беруть участь у звязках атомів міцно привязані до кристалічних решіток і зовнішнє електричне поле не чинить помітного впливу на їхній рух

Власна провідність напівпровідників У разі нагрівання напівпровідника кінетична енергія частинок підвищується й відбувається розрив окремих звязків Деякі електрони стають вільними подібно до електронів у металі В електричному полі вони переміщаються між вузлами решіток утворюючи електричний струм

Провідність напівпровідників що зумовлена наявністю в них вільних електронів називається електронною провідністю

У тій парі атомів звідки зовнішнім впливом mdash нагріванням або освітленням mdash електрон був переведений у вільний стан зявляється надлишковий позитивний іон Тепловий рух атомів кристала призводить до того що який-небудь електрон із найближчих сусідніх атомів переходить до даного іона Тоді позитивним іоном виявляється сусідній атом звідки був ldquoзахопленийrdquo електрон Такий процес відбувається багато разів і тому переміщення позитивного заряду всередині кристала яке відображає насправді рух звязаних електронів від одного атома до іншого називають рухом дірок Легко побачити що поява дірок у кристалі створює додаткові можливості для

12

перенесення заряду Під час створення в напівпровіднику електричного поля дірки переміщаються в тому напрямі куди рухалися б позитивні заряди

Власну провідність напівпровідників можна розглянути на основі уявлення про будову типового напівпровідника mdash германію (Мал43Напівпровідник - германій 1)

Мал43 Напівпровідник - германій 1

Домішкова провідність напівпровідників Отже для чистих напівпровідників притамана власна провідність провідність що здійснюють переміщенням вільних електронів є електронна провідність а провідність дірок ndash діркова провідність Діркова провідність виникає тоді коли в кристал германію введені атоми (наприклад індію) Розглянемо атом індію який створив з допомогою своїх валентних електронів ковалентні звязки лише з трьома сусідніми атомами германію (Error Reference source not found)

Мал44 Звязок атома індію з германієм 1

За схемою будови напівпровідникового кристала бачимо що відбувається коли в нього вводиться домішка наприклад мишяку що має пять валентних електронів (донорна домішка) або тривалентного бору (акцепторна домішка) (Мал45 Акцепторна домішка 1)

Оскільки напівпровідники що мають донорні домішки віддають зайві валентні електрони наділені більшим числом електронів (у порівнянні з числом дірок) їх називають напівпровідниками n-типу переважає електронна

13

провідність В напівпровідниках n-типу електрони є основними носіями заряду а дірки mdash неосновними

Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу Акцепторні домішки створюють дірки утворюється напівпровідник р-типу Основними носіями заряду в напівпровіднику р-типу є дірки а неосновними mdash електрони

Мал45 Акцепторна домішка 1

14

Список літератури

[1] В Г Баряхтар Ф Я Божинова М М Кірюхін и О О Кірюхіна Фізика 11 клас Академічний рівень Профільний рівен Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів Харків Ранок 2011

[2] Т Засєкіна и Д Засєкін Фізика підручник для 11 класів загальноосвітніх закладів (академічний рівень профільний рівень) Харків Синиця 2011

[3] laquohttpstudopedianet1_9698_elektrichniy-strum-ta-yogo-harakteristiki-sila-gustina-strumuhtmlraquo [В Интернете]

[4] laquohttpstudopedianet6_21800_tema--elektrichniy-strum-v-ridinah-i-v-gazahhtmlraquo [В Интернете]

[5] laquohttpsvitpptcomuafizikasila-strumu-vimiryuvannya-sili-strumuhtmlraquo [В Интернете]

Мал11 Рух електронів без ЕП 13

Мал12 Рух електронів під дією ЕП 13

Мал13 Рух електронів у провіднику 13

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 16

15

Розглянемо залежність питомого опору напівпровідника від абсолютної температури (Мал42 Залежність питомого опору НП 1)

Мал42 Залежність питомого опору НП 1

Взаємодія пари сусідніх атомів у напівпровідниках здійснюється за допомогою ковалентного звязку В утворенні цього звязку від кожного атома бере участь по одному валентному електрону які відщеплюються від атомів і під час свого руху велику частину часу проводять у просторі між сусідніми атомами їх негативний заряд утримує позитивні іони один поблизу одного

Кожний атом утворює чотири звязки із сусідніми й будь-який валентний електрон може рухатися по одному з них Дійшовши до сусіднього атома він може перейти до наступного а потім далі вздовж усього кристала Валентні електрони належать усьому кристалу

Ковалентні звязки напівпровідника достатньо міцні й за низьких температур не розриваються Тому напівпровідники за низької температури не проводять електричний струм Валентні електрони що беруть участь у звязках атомів міцно привязані до кристалічних решіток і зовнішнє електричне поле не чинить помітного впливу на їхній рух

Власна провідність напівпровідників У разі нагрівання напівпровідника кінетична енергія частинок підвищується й відбувається розрив окремих звязків Деякі електрони стають вільними подібно до електронів у металі В електричному полі вони переміщаються між вузлами решіток утворюючи електричний струм

Провідність напівпровідників що зумовлена наявністю в них вільних електронів називається електронною провідністю

У тій парі атомів звідки зовнішнім впливом mdash нагріванням або освітленням mdash електрон був переведений у вільний стан зявляється надлишковий позитивний іон Тепловий рух атомів кристала призводить до того що який-небудь електрон із найближчих сусідніх атомів переходить до даного іона Тоді позитивним іоном виявляється сусідній атом звідки був ldquoзахопленийrdquo електрон Такий процес відбувається багато разів і тому переміщення позитивного заряду всередині кристала яке відображає насправді рух звязаних електронів від одного атома до іншого називають рухом дірок Легко побачити що поява дірок у кристалі створює додаткові можливості для

12

перенесення заряду Під час створення в напівпровіднику електричного поля дірки переміщаються в тому напрямі куди рухалися б позитивні заряди

Власну провідність напівпровідників можна розглянути на основі уявлення про будову типового напівпровідника mdash германію (Мал43Напівпровідник - германій 1)

Мал43 Напівпровідник - германій 1

Домішкова провідність напівпровідників Отже для чистих напівпровідників притамана власна провідність провідність що здійснюють переміщенням вільних електронів є електронна провідність а провідність дірок ndash діркова провідність Діркова провідність виникає тоді коли в кристал германію введені атоми (наприклад індію) Розглянемо атом індію який створив з допомогою своїх валентних електронів ковалентні звязки лише з трьома сусідніми атомами германію (Error Reference source not found)

Мал44 Звязок атома індію з германієм 1

За схемою будови напівпровідникового кристала бачимо що відбувається коли в нього вводиться домішка наприклад мишяку що має пять валентних електронів (донорна домішка) або тривалентного бору (акцепторна домішка) (Мал45 Акцепторна домішка 1)

Оскільки напівпровідники що мають донорні домішки віддають зайві валентні електрони наділені більшим числом електронів (у порівнянні з числом дірок) їх називають напівпровідниками n-типу переважає електронна

13

провідність В напівпровідниках n-типу електрони є основними носіями заряду а дірки mdash неосновними

Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу Акцепторні домішки створюють дірки утворюється напівпровідник р-типу Основними носіями заряду в напівпровіднику р-типу є дірки а неосновними mdash електрони

Мал45 Акцепторна домішка 1

14

Список літератури

[1] В Г Баряхтар Ф Я Божинова М М Кірюхін и О О Кірюхіна Фізика 11 клас Академічний рівень Профільний рівен Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів Харків Ранок 2011

[2] Т Засєкіна и Д Засєкін Фізика підручник для 11 класів загальноосвітніх закладів (академічний рівень профільний рівень) Харків Синиця 2011

[3] laquohttpstudopedianet1_9698_elektrichniy-strum-ta-yogo-harakteristiki-sila-gustina-strumuhtmlraquo [В Интернете]

[4] laquohttpstudopedianet6_21800_tema--elektrichniy-strum-v-ridinah-i-v-gazahhtmlraquo [В Интернете]

[5] laquohttpsvitpptcomuafizikasila-strumu-vimiryuvannya-sili-strumuhtmlraquo [В Интернете]

Мал11 Рух електронів без ЕП 13

Мал12 Рух електронів під дією ЕП 13

Мал13 Рух електронів у провіднику 13

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 16

15

перенесення заряду Під час створення в напівпровіднику електричного поля дірки переміщаються в тому напрямі куди рухалися б позитивні заряди

Власну провідність напівпровідників можна розглянути на основі уявлення про будову типового напівпровідника mdash германію (Мал43Напівпровідник - германій 1)

Мал43 Напівпровідник - германій 1

Домішкова провідність напівпровідників Отже для чистих напівпровідників притамана власна провідність провідність що здійснюють переміщенням вільних електронів є електронна провідність а провідність дірок ndash діркова провідність Діркова провідність виникає тоді коли в кристал германію введені атоми (наприклад індію) Розглянемо атом індію який створив з допомогою своїх валентних електронів ковалентні звязки лише з трьома сусідніми атомами германію (Error Reference source not found)

Мал44 Звязок атома індію з германієм 1

За схемою будови напівпровідникового кристала бачимо що відбувається коли в нього вводиться домішка наприклад мишяку що має пять валентних електронів (донорна домішка) або тривалентного бору (акцепторна домішка) (Мал45 Акцепторна домішка 1)

Оскільки напівпровідники що мають донорні домішки віддають зайві валентні електрони наділені більшим числом електронів (у порівнянні з числом дірок) їх називають напівпровідниками n-типу переважає електронна

13

провідність В напівпровідниках n-типу електрони є основними носіями заряду а дірки mdash неосновними

Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу Акцепторні домішки створюють дірки утворюється напівпровідник р-типу Основними носіями заряду в напівпровіднику р-типу є дірки а неосновними mdash електрони

Мал45 Акцепторна домішка 1

14

Список літератури

[1] В Г Баряхтар Ф Я Божинова М М Кірюхін и О О Кірюхіна Фізика 11 клас Академічний рівень Профільний рівен Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів Харків Ранок 2011

[2] Т Засєкіна и Д Засєкін Фізика підручник для 11 класів загальноосвітніх закладів (академічний рівень профільний рівень) Харків Синиця 2011

[3] laquohttpstudopedianet1_9698_elektrichniy-strum-ta-yogo-harakteristiki-sila-gustina-strumuhtmlraquo [В Интернете]

[4] laquohttpstudopedianet6_21800_tema--elektrichniy-strum-v-ridinah-i-v-gazahhtmlraquo [В Интернете]

[5] laquohttpsvitpptcomuafizikasila-strumu-vimiryuvannya-sili-strumuhtmlraquo [В Интернете]

Мал11 Рух електронів без ЕП 13

Мал12 Рух електронів під дією ЕП 13

Мал13 Рух електронів у провіднику 13

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 16

15

провідність В напівпровідниках n-типу електрони є основними носіями заряду а дірки mdash неосновними

Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу Акцепторні домішки створюють дірки утворюється напівпровідник р-типу Основними носіями заряду в напівпровіднику р-типу є дірки а неосновними mdash електрони

Мал45 Акцепторна домішка 1

14

Список літератури

[1] В Г Баряхтар Ф Я Божинова М М Кірюхін и О О Кірюхіна Фізика 11 клас Академічний рівень Профільний рівен Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів Харків Ранок 2011

[2] Т Засєкіна и Д Засєкін Фізика підручник для 11 класів загальноосвітніх закладів (академічний рівень профільний рівень) Харків Синиця 2011

[3] laquohttpstudopedianet1_9698_elektrichniy-strum-ta-yogo-harakteristiki-sila-gustina-strumuhtmlraquo [В Интернете]

[4] laquohttpstudopedianet6_21800_tema--elektrichniy-strum-v-ridinah-i-v-gazahhtmlraquo [В Интернете]

[5] laquohttpsvitpptcomuafizikasila-strumu-vimiryuvannya-sili-strumuhtmlraquo [В Интернете]

Мал11 Рух електронів без ЕП 13

Мал12 Рух електронів під дією ЕП 13

Мал13 Рух електронів у провіднику 13

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 16

15

Список літератури

[1] В Г Баряхтар Ф Я Божинова М М Кірюхін и О О Кірюхіна Фізика 11 клас Академічний рівень Профільний рівен Підручник для загальноосвітніх навчальних закладів Харків Ранок 2011

[2] Т Засєкіна и Д Засєкін Фізика підручник для 11 класів загальноосвітніх закладів (академічний рівень профільний рівень) Харків Синиця 2011

[3] laquohttpstudopedianet1_9698_elektrichniy-strum-ta-yogo-harakteristiki-sila-gustina-strumuhtmlraquo [В Интернете]

[4] laquohttpstudopedianet6_21800_tema--elektrichniy-strum-v-ridinah-i-v-gazahhtmlraquo [В Интернете]

[5] laquohttpsvitpptcomuafizikasila-strumu-vimiryuvannya-sili-strumuhtmlraquo [В Интернете]

Мал11 Рух електронів без ЕП 13

Мал12 Рух електронів під дією ЕП 13

Мал13 Рух електронів у провіднику 13

Мал21 Рух зарядів в замкненому контурі 16

15

Мал31 Дослід з дистильованою водою 18

Мал32 Послаблення звязку між іонами 18

Мал33 Дослідження струму у рідинах 19

Мал41 Електричні властивості речовин 111

Мал42 Залежність питомого опору НП 112

Мал43 Напівпровідник - германій 113

Мал44 Звязок атома індію з германієм 113

Мал45 Акцепторна домішка 114

16