Nuolatinė srovė

Pagrindiniai dujinio išlydžio būdai Tekant dujomis savaiminei elektros srovei, priklausomai nuo sąlygų, gali pasireikšti gana įvairūs reiškiniai. Keletą jų trumpai aptarsime. 1) Rusenantysis išlydis. Jis vyksta praretintose dujose. Mažėjant slėgiui laisvojo kelio ilgis  didėja, tad susidaro sąlygos patenkinti (4.35) nelygybę. Be to, šio išlydžio metu vyksta antrinė elektronų emisija iš katodo, kuri neleidžia jam užgęsti. Stebint šį išlydį, tarp katodo ir anodo matosi šviesios ir tamsios sritys, kurių matmenys ir forma priklauso nuo slėgio ir lauko stiprio. Tačiau svarbiausią reikšmę turi tik dvi sritys – prie katodo esanti tamsi ir už jos esanti šviesi. Potencialo pasiskirstymo matavimai rodo, kad didžioji jo dalis tenka prie katodo esančiai tamsiajai sričiai (80 pav.). Šios srities plotis maždaug lygus vidutiniam elektrono laisvajam keliui. Pralėkę ją elektronai įgyja energiją, reikalingą jonų griūčiai sukelti. Taigi staigus potencialo kitimas prie katodo yra būdingas rusenančiojo išlydžio požymis. 2) Kibirkštinis išlydis. Jis atsiranda esant atmosferos slėgiui ir maždaug vienalyčiam elektriniam laukui, kai jo stipris pasiekia tam tikrą krizinę vertę (maždaug 3106 V/m ore normaliomis sąlygomis). Kibirkštis atrodo kaip ryškiai švytintis siauras įvairiai išsilankstęs ir šakotas kanalas. Kanalo varža esti gana maža, tad prasidėjus šiai iškrovai įtampa, o kartu ir lauko stipris, dažniausiai greitai mažėja, ir iškrova nutrūksta. Kibirkštinio išlydžio pavyzdys gamtoje – žaibas. Žaibo srovės stipris siekia (102  4104) A, įtampa (1 – 3)106 V, trukmė apie 1 ms, bet kartais tuo pačiu kanalu vienas po kito įvyksta keli žaibai, kurių visų trukmė gali siekti 1,5 s. 3) Vainikinis išlydis. Šis išlydis atsiranda irgi esant palyginti dideliam slėgiui (pavyzdžiui, atmosferos), kai elektrinis laukas esti ženkliai nevienalytis. Kaip jau žinome, toks laukas esti, pavyzdžiui, prie smailumų (žr. 17 pav.). Arčiau smailumos lauko stipris turi būti pakankamas jonų griūčiai palaikyti, tad ten vyksta jonizacijos ir rekombinacijos procesai, ši sritis švyti. Švytėjimo intensyvumas esti didesnis ten, kur laukas stipresnis, t. y. arčiau smailumos. Tolstant nuo smailumos, jis silpnėja. Dar toliau, kai lauko stiprio nebeužtenka jonų griūčiai palaikyti, veikiant laukui juda tik vienarūšiai krūvininkai, ir švytėjimo nebesti. Gamtoje pasitaikantys šio tipo išlydžiai vadinami šv. Elmo ugnimis. Jie kartais susidaro prie medžių viršūnių, bažnyčių bokštų, laivų stiebų ir t. t. Į juos reikia atsižvelgti konstruojant aukštos įtampos įrenginius, pavyzdžiui, tiesiant aukštos įtampos linijas. Ten reikia vengti smailumų ir naudoti pakankamai storus laidus. 4) Lankinis išlydis. Šis išlydis vyksta esant nedidelei įtampai (keliasdešimt voltų), bet stipriai srovei (dešimtys ar šimtai amperų). Pavyzdžiui, sulietus du anglinius elektrodus daugiausia šilumos išsiskiria sąlyčio vietoje. Pamažu tolinant elektrodus, tarp jų atsiranda išlinkęs ryškiai šviečiančių dujų kanalas, kuris vadinamas elektros lanku. Patys elektrodai irgi smarkiai įkaista. Labiausiai įkaista neigiamasis elektrodas (katodas), kuriame atsiranda įduba (lanko krateris). Jo temperatūra esant atmosferos slėgiui siekia apie 4000o C. Nustatyta, kad didelį elektros lanko dujų elektrinį laidumą sąlygoja intensyvi šiluminė elektronų (termoelektroninė) emisija iš katodo esant tokiai aukštai temperatūrai. Elektros lankas kartais naudojamas kaip intensyvios šviesos šaltinis projekciniuose aparatuose, atliekant metalų suvirinimo ir pjaustymo darbus, gyvsidabriniuose lygintuvuose ir kitur. Šiluminė (termoelektroninė) elektronų emisija. Erdvinis krūvis tekant srovei vakuume Metaluose yra laisvųjų elektronų. Panagrinėkime, kokia galimybė jiems išlėkti iš metalo dėl jų šiluminio judėjimo. Tarkime, kad metalas yra vakuume. Pasiekę metalo elektronai jį įelektrina neigiamai, tuo tarpu kiek giliau esantys jonai – teigiamai. Taip metalo paviršiuje susidaro dvigubas įelektrintas sluoksnis, kurio laukas veikia elektronus jėga, nukreipta į metalo vidų. Kad išlėktų iš metalo, elektronas praeidamas šį sluoksnį turi atlikti tam tikrą darbą. Tam darbui atlikti reikalinga energija. Mažiausia energija, kurią reikia suteikti elektronui, kad jis išlėktų iš kūno, vadinama elektrono išlaisvinimo darbu (). Įvairių metalų išlaisvinimo yra skirtingi ir siekia kelis elektronvoltus. Elektrono energija metalo sąlytyje su vakuumu pavaizduota 81 pav. Taigi metale esančio elektrono energija yra  dydžiu mažesnė nei vakuume. Kartais sakoma, kad metale esantys elektronai yra potencinėje duobėje. Laisvieji elektronai dalyvauja šiluminiame judėjime. Jeigu paviršiaus link judančio elektrono šiluminė energija didesnė už išlaisvinimo darbą , elektronas gali išlėkti iš kūno į vakuumą. Elektronų išlėkimas iš kietojo kūno dėl jų šiluminio judėjimo vadinamas šilumine elektronų (termoelektronine) emisija. Panagrinėkime išlėkusius iš katodo elektronus vakuuminiame diode (82 pav.). Jei potencialų skirtumas tarp anodo ir katodo (anodinė įtampa) nedidelė, išlėkę elektronai susitelkia prie katodo, sudarydami ten neigiamą tūrinį krūvį – elektronų debesėlį, kurio laukas stabdo emituojamus elektronus, dėl to dalis jų grįžta atgal į katodą. Potencialo pasiskirstymą tarp katodo ir anodo šiuo atveju vaizduoja 1 kreivė. Kai anodinė įtampa padidinama tiek, kad jos kuriamas laukas prie katodo viršija elektronų debesėlio lauką, visi emituoti elektronai pasiekia anodą (2 kreivė). Šiuo atveju srovės stipris nepriklauso nuo anodinės įtampos. Tokia srovė vadinama soties srove. Srovės stiprio priklausomybės nuo anodinės įtampos diagrama (diodo voltamperinė charakteristika) pavaizduota 83 pav. Kaip matyti, esant nedidelėms įtampoms srovės stipris didinant įtampą didėja sparčiau nei tiesiškai (voltamperinė charakteristika supertiesinė), nes mažėja elektroninis debesėlis. Atlikus pakankamai sudėtingus skaičiavimus, teoriškai galima parodyti, kad mažų anodinių įtampų srityje IUa3/2 (trijų antrųjų dėsnis). Be to, tam tikra labai nedidelė turėjusių didelį šiluminį greitį elektronų dalis pasiekia anodą ir nesant anodinės įtampos. Kai įtampa pakankamai didelė, pasiekiama soties srovė Is. Apskaičiuosime soties srovės tankį js laisviesiems elektronams taikydami dujų dėsnius. Pažymėkime: n – laisvųjų elektronų tankis, u – jų šiluminio judėjimo vidutinis greitis, q0 – elektrono krūvis, T – absoliutinė temperatūra, k – Bolcmano konstanta, n1 – iš paviršiaus ploto vieneto per laiko vienetą išlekiančių elektronų skaičius. Per laiko vienetą iš metalo išlėks tik tie elektronai, kurie nutolę nuo paviršiaus ne didesniu už u atstumu, o jų šiluminio judėjimo greitis nukreiptas link paviršiaus ir energija ne mažesnė už išlaisvinimo darbą. Atsižvelgdami į visas galimas judėjimo kryptis trimatėje erdvėje, nustatome kad tokių elektronų bus o jų sąlygojamas soties srovės tankis (4.36) Užrašant (4.36), buvo atsižvelgta, kad uT1/2 (žr. 4.9) ir C pažymėta nuo temperatūros nepriklausančių konstantų sandauga. (4.36) vadinama Ričardsono (O. V. Richardson) formule. Skaičiavimai pagal kvantinę teoriją duoda šiek tiek kitokią (tikslesnę) soties srovės tankio išraišką: (4.37) (4.37) vadinama Ričardsono ir Dašmano (O. V. Richardson, S. Dushman) formule. Joje konstanta A1,2106 A/(m2K2). Kontaktinis (sąlytinis) potencialų skirtumas Panagrinėkime dviejų metalų, turinčių skirtingus išlaisvinimo darbus, sąlytį. Tarkime, kad 1 metalo išlaisvinimo darbas 1 didesnis negu 2 metalo išlaisvinimo darbas 2 (84 pav.). Tokiu atveju daugiau elektronų pereis iš 2 metalo į 1, negu iš 1 į 2. 1 metalas įsielektrins neigiamai, o 2 – teigiamai (84 pav., a). Nusistovėjus pusiausvyrai elektronų energijos abiejuose metaluose pasidarys vienodos (84 pav. c). 1 metalo potencialą pažymėkime 1, o 2 - 2. Tada kontaktinis potencialų skirtumas k12 (84 pav. b). Jį galima susieti su išlaisvinimo darbų skirtumu. Reikia tik atsižvelgti, kad elektrono krūvis q0 neigiamas, todėl jo energija Weq0 yra mažesnė ten, kur potencialas didesnis, ir atvirkščiai (tai matyti iš 84 pav. b) ir c)). Elektrono energijos šuolis pereinant iš vieno metalo į kitą yra 12, o kontaktinis potencialų skirtumas (4.38) Pastebėsime, kad kontaktinis potencialų skirtumas susidaro ne tik dviejų metalų sąlytyje, bet ir tarp metalo ir puslaidininkio, tarp metalo ir izoliatoriaus, tarp dviejų puslaidininkių ir t. t. Skirtumas tik tas, kad metaluose dėl didelio laisvųjų elektronų tankio kontaktinis laukas esti sutelktas labai ploname (atominių matmenų, t. y. 1010 m storio) sluoksnyje sąlyčio vietoje (todėl braižydami paveikslus tarėme, kad elektrono energija ir potencialas pakinta šuoliškai), o puslaidininkių ar dielektrikų atveju tas laukas gana giliai prasiskverbia į mažesnio laidumo medžiagą. Termoelektrinis, Peltjė ir Tomsono reiškiniai Iš dviejų skirtingų metalų padarykime uždarą grandinę. Jei abiejų sąlyčių temperatūra ta pati, grandinėje srovės nebus, nes potencialų šuolių suma apeinant tokią uždarą grandinę lygi nuliui (1221) (85 pav. a). Tačiau jei sąlyčių temperatūros skirtingos, grandinėje teka elektros srovė (85 pav. b). Šio reiškinio priežastis yra kontaktinio potencialų skirtumo priklausomybė nuo temperatūros, nes elektrono išlaisvinimo darbas šiek tiek priklauso nuo temperatūros. Taigi esant skirtingoms sąlyčių temperatūroms 1221, ir grandinėje veikianti elektrovara 12210. Šis reiškinys vadinamas termoelektriniu (arba Zėbeko, (T. J. Seebeck)) reiškiniu. Esant nelabai dideliam sąlyčių temperatūrų skirtumui T termoelektrovara T. Proporcingumo koeficientą pažymėję , užrašysime: (4.39)  vadinamas termoelektriniu koeficientu. Jo SI vienetas yra 1 V/K. Apskritai  šiek tiek priklauso nuo temperatūros. Todėl norint šį reiškinį aprašyti tiksliau reikia naudotis mažo temperatūros pokyčio dT sąlygojamu termoelektrovaros pokyčiu d ir vietoje (4.39) rašyti (4.40) Čia  vadinamas diferencialiniu termoelektriniu koeficientu. Iš (4.40) nustatome, kad (4.41) Praktikoje plačiai naudojami termoelementai bei termostulpeliai temperatūroms matuoti. Vietoje metalų panaudojant puslaidininkius, yra sukurti termoelektriniai generatoriai, kurie naudojami kaip srovės šaltiniai. Jeigu per dviejų skirtingų metalų sąlytį leidžiama elektros srovė, tai sąlytyje šalia Džaulio šilumos išsiskiria (arba esti sunaudojama) papildoma šiluma, vadinama Peltjė (Ž. Š. A. Peltier) šiluma. Peltjė šilumos kiekis Q proporcingas pratekėjusiam elektros krūviui q. Taigi galima užrašyti: Qq. (4.42) Čia   Peltjė koeficientas. Jo SI vienetas yra Peltjė reiškinys aiškinamas taip. Tekant srovei krūvininkai (tarkime, elektronai) sąlytyje pereina iš vieno metalo į kitą. Kadangi dėl skirtingų išlaisvinimo darbų elektronų energija skirtinguose metaluose esti skirtinga, elektronai, patekę iš vieno metalo į kitą, turi arba didesnę energiją, negu to metalo elektronai (tada energijos perteklių jie atiduoda metalo gardelei ir Peltjė šiluma išsiskiria), arba mažesnę (tada energijos trūkumą pasiima iš gardelės ir sąlyčio temperatūra sumažėja). Peltjė reiškinio paaiškinimui skirtas 86 pav. Jame srovės kryptis tokia, kad elektronai, judėdami iš 1 metalo į 2, turi įveikti potencinį barjerą, taigi šiuo atveju Peltjė šiluma bus sugeriama, sąlytis vės. Pakeitus srovės kryptį, Peltjė šiluma sąlytyje išsiskirtų. Jei laidininku, kuriame yra sudarytas temperatūros gradientas, teka elektros srovė, tai šalia Džaulio šilumos išsiskiria (arba yra sugeriama) papildoma šiluma, vadinama Tomsono (V. Thomson) šiluma. Išsiskyrusios Tomsono šilumos kiekis tūrio vienete per laiko vienetą proporcingas temperatūros gradientui dT/dx ir srovės tankiui j: (4.43) Čia Q  Tomsono šilumos kiekis, V – tūris, t – laikas. Proporcingumo koeficientas  vadinamas Tomsono koeficientu. Jis priklauso nuo laidininko rūšies bei temperatūros. Tomsono reiškiniui paaiškinti skirtas 87 pav. Jame srovės kryptis tokia, kad elektronai dreifuoja iš šiltesnio laidininko galo link šaltesnio. Šiltesniame gale jų kinetinė energija didesnė nei šaltesniame. Taip judėdami jie į šaltesnes sritis patenka turėdami energijos perteklių, kurį, pralėkę laisvojo kelio ilgį, atiduoda gardelei. Taigi šiuo atveju visame laidininko tūryje išsiskiria Tomsono šiluma. Pakeitus srovės arba temperatūros gradiento kryptį, Tomsono šiluma būtų sugeriama. Pažymėsime, kad Tomsono šiluma esti labai nedidelė. p-n sandūros elektrinis laidumas p-n sandūrą sudaro to paties puslaidininkio skylinio ir elektroninio laidumo tipų sąlytis. Praktiškai p-n sandūra sudaroma ne suglaudžiant tų dviejų tipų atskirus gabalus, o difuzijos būdu tą patį gabalą legiruojant atitinkamomis priemaišomis. Elektronai iš n tipo puslaidininkio difunduoja į p tipo puslaidininkį, o skylės – iš p tipo į n tipo puslaidininkį, todėl ties sandūra n tipo puslaidininkyje kaupiasi teigiamieji krūviai, o p tipo puslaidininkyje – neigiamieji (88 pav.). Šie krūviai sukuria kontaktinį lauką Ek, veikiantį krūvininkus jų difuzijai priešinga kryptimi. Kai įtampos šaltinis neprijungtas pusiausvyroje difuzijos ir dreifo srovių moduliai turi būti lygūs (IdifIdrI0), o srovė lygi nuliui (IIdifIdr0). 88 pav. taip pat pateikiamas p-n sandūros juostų modelis. Kad būtų paprasčiau, pavaizduota tik laidumo juostos apačia ir valentinės juostos viršus. Kaip ir metalų atveju (žr. 84 pav.), elektrono energija didesnė ten, kur susikaupę neigiamieji krūviai, tik puslaidininkiuose elektrono energija bei potencialas kinta ne staigiai, o palaipsniui, nes sąlytinis laukas į puslaidininkį gali prasiskverbti ir gana giliai. Susidaręs potencialo barjeras pažymėtas . Dabar panagrinėkime, kas pasikeis, jei prie p-n sandūros prijungsime srovės šaltinį, kurio įtampa U (89 pav.). Tarkime, kad šaltinio teigiamąjį polių prijungiame prie p tipo puslaidininkio, o neigiamąjį – prie n tipo. Šitaip prijungus šaltinio kuriamas laukas E bus nukreiptas priešingai kontaktiniam laukui Ek, taigi laukas p-n sandūroje susilpnės. Sumažės ir dėl difuzijos susikaupę krūviai bei jų prasiskverbimo į p ir n puslaidininkius gylis, o taip pat barjero aukštis, kuris pasidarys lygus q0(U). Sumažėjus barjerui, difunduojantys krūvininkai jį lengviau įveikia, tad difuzijos srovė ženkliai padidėja. Skaičiavimai, kurių čia nepateikiame, rodo, kad difuzijos srovė padidėja kartų ir tampa lygi Dreifo srovė, kol galioja sąlyga E

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!