Előadások a villamos berendezések
Az elektromos vezetőképesség rejlő összes anyag kivétel nélkül. Az a tény, hogy a díjak jelen minden, még a legideálisabb dielektrikumokon, nem is beszélve a fémek és félvezetők. Ebben a fejezetben az alábbi témákat tárgyaljuk:
Az a képesség, bármilyen anyagból, hogy végezzen elektromos áram határozza meg a jelenléte díjak ott, és a lehetőséget a mozgás. Írhatsz a legtöbb általános képletében j áramsűrűség érvényes bármilyen adathordozón,
Itt - típusú vagy cort töltés (például elektronok, ionok különböző molekulák moliony, töltött részecskék, stb), Ni - i-töltés koncentráció corta, qi - töltés érték, Vi - a sebességet a töltéshordozók.
Foglalkozni a vezetőképessége különböző anyagok, szükséges, hogy megértsük, mit sűrűség (koncentráció) díjat azok megjelennek, és mit függ, hogy milyen mennyiségű töltés, milyen sebességgel tud mozogni. Mindezek a fő kérdés a tanulmány az elektromos vezetőképesség.
Az összes táptalajt kivéve a vákuum sebessége hordozók arányos a térerősség
ahol bi - a mobilitás a töltéshordozók.
Carrier mobilitás, az arányossági tényező a sebesség töltéshordozók és Vi térerősség E.
A dimenziója mobilitás - m 2 / (V s). Valójában a mobilitás számszerűen egyenlő a sebesség a töltéshordozók térerősségnél 1 V / m.
Típusú hordozók és mobilitás eltérő lehet a különböző környezetekben. A hordozó mobilitás is nagymértékben függ a környezetre. Expression (2.1) átírható más kifejezéseket
Itt s - egyedi elektromos vezetőképesség. Egy másik lehetőség az expresszió (2.3)
ahol r - fajlagos ellenállás.
Ez könnyen belátható, hogy ez az egész a különböző módon írja Ohm-törvény differenciális formában. helyi paramétereket egy elektromos áramkör. Tudja, hogy a felírható I = U / R Ohm-törvény részáramkörökké. Ez könnyen belátható, hogy az áramkör része, segítségével (2.4), a keresztmetszeti területe a rész S, az L hosszúság könnyen kap a klasszikus kifejezése Ohm-törvény. Erre a célra, mindkét oldalán (2.4) megszorozzuk az S, majd a jobb oldalon, a számláló és a nevező megszorozzuk l. Megkapjuk a bal oldalon a folyó a számlálóban a jobb oldalon a feszültség, és ha S át a nevező, a nevező szerezni ellenállás. Így már igazoltuk, Ohm törvény differenciális formában a klasszikus formában.
Expressziójának vizsgálatára (2,2-2,4) tartsa, tekintettel a természet és viselkedés a hordozók különböző környezetekben. Az első lépés az, hogy tisztázza a mechanizmusokat a megjelenése és eltűnése a díjakat.
Először is, meg kell vizsgálni az elektronikus szerkezet a különböző környezetekben.
A gázok a pályája a elektronok tartozó konkrét atomok vagy molekulák. Szerint a kvantum atom modell, az elektron lehet csak meghatározott pályákon, amelyek megfelelnek bizonyos kvantált energia szintjét. Minden szinten csak egy elektron létezhet. Az elektronok található a megfelelő szinten a legkülső pályára van a legvékonyabb szálon kapcsolódnak a maghoz. Ezért a legkönnyebben ionizált, azaz elválik a mag.
Az energia, amit meg kell közölt elektron alapállapotú elkülönülés az „anya” nevű ion energieyionizatsii W.
Letépni egy második elektron kell mondanunk neki sokkal több energiát. Ez a második szint ionizáció. Számos szintje gerjesztés, azaz ha azt mondja elektron energia kevesebb, mint az ionizációs energia, az elektron megy bármilyen szintű gerjesztés. Minden szinten diszkrét. Ők lehet vázlatosan az ábrán.
Amikor közeledik, azt mondják, két atom azonos energia szintet, hogy a távolság, amikor a pályára átfedés összeolvad elektronikus rendszerek, ahol mindegyik réteg két részre van osztva, amelyek kissé különböznek egymástól. A tény az, hogy törvényei szerint a kvantumfizika, elvileg bármely rendszerben nem lehet két azonos szinten. Ez az elv az úgynevezett Pauli-elv. Amikor a kombinált három atom - lesz három osztott szintek. Amikor a kristály képződik - minden szinten lesz egy tartomány képződik az engedélyezett energiák, amely az úgynevezett zóna. Elvileg az övezetben szintek gyakorlatilag egybeesik, és beszélhetünk folytonos spektrumú. A felső rész a zóna nagyobb, mint a kezdeti szint egyetlen atom. Az alsó rész a zóna alacsonyabb, mint a kiindulási szintet.
Előfordulhatnak olyan helyzetek, amikor köszönhetően ez a váltás, a megfelelő zónák különböző szinteken, átfedés. Itt a legérdekesebb eset, amikor átfedés által elfoglalt területen az elektronok és a terület, amely kiemelkedett a felosztása a gerjesztett szinten. Ez ebben az esetben megegyezik a fémeket. Amikor ezek a területek nem fedik egymást, a kettő között van egy régió tiltott energiák, az úgynevezett bandgap. Attól függően, hogy az e zóna szélessége beszélhetünk félvezetők és dielektrikumokra.
A metallovzony átfedések és elektronok szabadon mozoghat a minta fölé. A sávrés egyenlő nullával. Ezért a mobil elektronok fémekben, mindig vannak rengeteg.
Akkor nézd meg a többi állástól. Az a tény, hogy a fém atomok elektronok elég gyengén kapcsolódó ionos maradványok. Ezért, képződése során a tényleges fématomok az anyag, az atomok elektronjainak, mint egy másik - megosztott, hogy, és szabadon mozoghat az egész mennyiség a fém. Ezek a töltéshordozók. A hozzávetőleges száma elektronok a fém körülbelül 10 22 db / cm 3. A mobilitás is nagy. Becslések adnak értékek bi körülbelül 10 -2 és 10 -1 m 2 / (V · s). Az értékek a fajlagos ellenállása a fémek általában a 0,01 mikronos ohm · m 1 mikron ohm · m.
Amikor áram folyik a fém elektromos mező kicsi. Tudod, hogy egy egyszerű kifejezés kiértékelésének (2.2). Ha vesszük a réz drót 2 mm 2, és A áramot 5 A, a fajlagos ellenállása a réz 1,7 = 10 -8 ohm-m, azt kapjuk, E = J · r = 4 · 10 -2 V / m, vagy E = 40 mV / m. Ha egy ilyen vezeték elérni élelmiszer 1 km, akkor megkapjuk rajta feszültségesést 40 V.
A szigetelők és félvezetők. Az együttes szerkezet olyan, hogy van egy sávú egy bizonyos szélességű.
A félvezetők, a sáv szélessége megközelítőleg egy elektron voltos 3 V, dielektrikumokban sávban szélessége körülbelül 3 V 10 V-ra.
Ahhoz, hogy származott vezetőképesség ezekben az anyagokban, a díjak kell utazni a vegyérték sáv által elfoglalt elektronok a vezetési sávban, azaz minden szabad töltéshordozó jelenik meg, ha csak arról tájékoztatja, energiát nem kevesebb, mint a szélessége a tiltott sávban.
Hatása alatt nem túl erős elektromos mező, a díjak jelennek meg elsősorban, a Hőionizációs molekulák alapvető anyag vagy szennyező anyagok miatt, vagy a megjelenése az elektródák. Az utóbbi módszer az úgynevezett kibocsátási töltéshordozók. Minden módszer jelenik meg a szigetelő elsősorban elektronok és ionok. Megbecsülni a koncentráció ni lehet levonni az általános energetikai megfontolások. Megváltoztatása a hordozó koncentrációja szerint határozzuk meg a szokásos Arrhenius
ahol n - a sűrűsége a molekulák, - frekvencia oszcilláció az elektron a molekulában (
Október 14 1 / sec), W - ionizációs energia (sávú), k- Boltzmann-féle állandó, T - a hőmérséklet. Szobahőmérsékleten kT
Fontos, hogy ne csak a megjelenése a hordozó, de eltűnésük. Mechanizmusok eltűnése díjak - elektron rekombináció az ionnal a felületen és gondoskodó elektródák. Rekombináció kifejezés használata
ahol Kr - rekombináció együtthatóval. Egyensúlyban az vivők száma nem változik az idővel, hozzátéve, (2,5) és (2,6), és egyenlővé nullára az összeg a végső expressziós.
Úgy becsüljük, a vezetőképessége (2.3) és (2.7):
Szilárd dielektrikumok. Itt, töltéshordozók lehet elektronok és lyukak. Az ionok „befagyott”, és nincs vagy csak csekély mozgás lehetőségeit bi
10 -23 m 2 / (V · s). A mobilitása elektronok és a lyukak elegendően nagy, és lehet olyan magas,
10 -3 m 2 / (V · c). Az elektronok száma és a lyukak által meghatározott bandgap W
5-10 eV, hőenergia kT
1/40 eV, molekuláris sűrűsége n
Október 27 db / m 3, és elhanyagolhatóan kis érték. Értékeli annak jelentéktelenség az dielektrikumra akkor használja a kifejezést (2.5)
Október 27. e -200 · október 14
10 41 2- 67 10 -67
10 41 10 -20 10 -67
-46 10 db / (m 3 · s). A formáció szabad töltéshordozók ésszerű mennyiségben, ami jellemző a jó dielektrikumok, szinte hihetetlen. Rekombinációja a töltéshordozók szilárd ne akadályozzák. Egyértelmű, hogy ez a mechanizmus a vezetőképessége dielektromos szilárdanyag gyakorlatilag hiányzik, mivel jelentős változás a koncentráció csak akkor lehetséges egy időben hasonló geológiai időszakokban. Mivel a fő szerepet a kifejezések (2.7) és (2.5) játszik exponenciális faktor, ez csak a szennyeződések jelenléte az energia szintjét a bandgap széleihez közel a zóna W
1 eV lehetővé vezetés szilárd. Mivel az ilyen szennyeződések általában valamivel, az elektromos szigetelő jellemzően kicsi.
Így a vezetőképessége szigetelők által meghatározott szennyeződések jelenléte, az energia szinteket, amelyek közel állnak a szintek a vezetési sáv szélén, vagy egy rés.
Félvezetők. Semiconductors egy kis tiltott sávban szélessége jelentős mértékben hozzájárul a vezetőképesség adhat Hőionizációs anyag molekulák. Azonban egy sokkal erőteljesebb szerepet játszott különleges, úgynevezett „Szennyezéssel” szerek. A tény az, hogy ha egy félvezető bevezetésére szennyezések energiaszintet csökkenni fog a tiltott sávban az alapvető anyag, az ionizációs ezeket a szinteket, ha foglalt, és energikusan közel a vezetési sáv vezet a megjelenése díjakat a vezetési sávban. Ha a szint nem foglalt, de energetikailag közel vegyértékelektronját elektronok kiléphet a vegyérték sáv és rendezni ezeken a szinteken. Aztán ott lesz a mozgó pozitív töltésű tárgyak a vegyérték sáv, az úgynevezett lyukak.
A gáz-halmazállapotú dielektrikumok. hordozó rekombináció nem nehéz, mert díjak ellenkező előjelű zökkenőmentesen konvergálnak rövid távolságon belül. Annak megítélésekor, úgy vélik, N
Október 25 db / m 3 ionizációs energia W
10-20 eV és az elektron mobilitást
10 -3 m 2 / (V · c), ionok bi
10 -4 m 2 / (V · c), a töltés e = 1,6 10 -19 Cl. A meghatározó tényező az exponenciális tényező e-W / kT
Október 25. e -400 · október 14
10 39 2 -133 10 -133
10 39 10 -40 10 -133
10 -136 db / (m 3 · s), ami elhanyagolható vezetőképesség.
Valójában meghatározó gáz vezetőképesség kozmikus sugárzás. Jellemzően, a levegő körül van kialakítva 1000 db. elektronok és ionok egy 1 cm 3 per 1 mp. Néhány elektronok és ionok gyorsan rekombinálódnak, része tapad semleges molekulák, alkotnak a hosszú életű negatív ionok. Egyensúlyi a gáztérfogat tipikusan 10 9 ionok / m 3. Innen a levegő vezetőképesség miatt a természetes mennyiségű ionizációs
10 -14 S / m. Megjegyzendő, hogy ha mesterségesen létrehozni töltéshordozók lehetséges, hogy egy magas vezetőképesség gáz.
Folyadék. Modern nézeteit a vezetőképesség a dielektromos folyadék a következők. Itt töltéshordozók ionok miatt elektronok könnyen tapadnak a semleges molekulák a folyadék, és nem létezhet szabad állapotban. Ezen túlmenően, folyadék szállítható díjak molionami, részecskéket és még buborékok. Ionizációs megkönnyíti, mint a gázok miatt a nagyobb dielektromos állandója a magassága a potenciálgát (ionizációs energia) van faktorral csökken e. Ezt illusztrálható a Coulomb kölcsönhatási energia két díjak + E és -e, diszpergáltuk távolságban r W = E 2 / (4 p e 0 e r). Rekombinációja töltéshordozók folyékony nehéz, mert a díjak kölcsönhatásba a közeg, azaz a könnyen körülvéve szomszédos molekulák, megfelelő végei orientált állandó vagy indukált dipól antennákat ionok.
hatása a kölcsönhatás a környezet nevezzük szolvatáció. Az ionizált molekulák bázisfolyadék, vagy szennyeződéseket, ha azok ionoforok. azaz előnyösen ionos kötést a részek között a molekula. Egy tipikus példa a ionofor - molekula NaCl, amelyek állhatnak ionok Na + és Cl-. A folyékony molekula feloldódhat NaCl és azonnal léteznek ionokkal vagy ionpárok (Na + Cl). A konverzió a molekula egy pár ionok nevezzük disszociációs. Emellett ionofórokkal egy folyékony létezhet ionogeny. azaz anyagok képző ionok csak érintkeznek egymással. Például vizet, feloldjuk a dielektromos folyadék elősegítik ionizációs más szennyeződések oldjuk a folyadék. Expresszióján alapul (1.9) a ionizáció mértéke a szennyeződések, ionizációs potenciál 4 V, feloldjuk egy folyadékban, amelyben e értéke 2 mennyiségben 1% alapú rekombinációs (rekombinációs együttható Kr
10 -15 m 3 / sec) azt mutatja, hogy gyakorlatilag az összes szennyeződést disszociált.
Ami a mobilitás, ez határozza meg a mozgás a folyadékot. Ugyanakkor a mobilitás minden ionok egymáshoz közel, mint ionok „fagyott” folyékony, és át „minijet” folyadék. Kísérleteink mozgásának töltéshordozók és mikrobuborékok nitrobenzol hatására erős pulzáló elektromos mezők azt mutatták, hogy az ionok mozognak buborékok és expozíciós idő kevesebb, mint 1 mikroszekundum. Ezért arra a következtetésre jutottak, hogy azokat át minijet, amelyek előállítása egy idő kevesebb, mint 1 mikroszekundum. Igazolása trickles képződés került rögzítésre optikailag párosulva a elektro-utas mozgását különböző hordozók és a buborékok azonos sebességgel.
Mobilitás járó folyadék mozgását, az úgynevezett elektrohidrodina mobilitást. Ez m EHD
(10 -7 - 10 -8) M 2 / (V · c), azaz 3-4 nagyságrenddel kisebb, mint a mobilitás az ionok gázokat. Kvalifikáció a fenti példa ad keverve disszociált s
Így, vezetőképesség folyadékokban tipikusan nagyobb, mint a gázok és szilárd anyagok megkönnyítésével ionizációs és gátolt rekombináció.
Másrészt, a hiányában a folyékony formában, könnyebb tisztítás lehetővé teszik, hogy csökkentse az elektromos vezetőképesség, ami nem lehetséges szilárd dielektrikumok. Jelenleg több új folyadék kezelési technológiák, mint például a elektrodialízisre. amelyen keresztül a folyadék tisztított néhány vezetőképessége, jobb, mint a legjobb példák a szilárd dielektrikumok, például borostyán, azaz s vezetőképesség kevesebb
Ennek ellenére mégis külön kell vizsgálni a vezetőképessége elektrolitok. Az energiaágazatban, ezek főleg a elemet. Ezen kívül a természetes elektrolitok biztosítja az elektromos vezetőképesség földi rendszerek, az energiaellátás. Az a tény, hogy a föld túlnyomórészt elektrolit jellege vezetőképesség.
Ugyanakkor, a legfontosabb típusa elektrolitok vizes elektrolit. A víz a leggyakoribb folyékony anyag, továbbá, ez a legerősebb és legerősebb oldószert ionizáló környezetben.
A elektrolitok díjak jelennek meg a folyadék miatt elektrolitos disszociáció molekulák ionokra. Hagyományosan, az összes oldott anyagok a folyékony és a részlegesen disszociál ionokra vannak osztva két típusa van: az erős és gyenge elektrolitok. Erős elektrolitok - anyagok teljesen disszociál ionokra. Ez a só típusától NaCl, HCl típusú erős sav. Fent, a vezetőképesség tekintve dielektromos folyadékot hívják ionoforokat. Gyenge elektrolitok - malodissotsiiruyuschie anyag, azaz a ezeket nem oldjuk formájában molekulák, csak egy kis töredéke a molekulák disszociált. Példa - alkoholok, szerves savak (például ecetsav). Az ionok száma függ az oldott anyagok koncentrációját. A motilitást - ionok kicsi, ez általában a sorrendben a 10 -8 m 2 / (V · s).
Mivel a nagy képessége feloldjuk vízben, általában nedves környezetben vezetőképessége elég nagy, mert oldott anyagokat gyakran tartalmaznak sókat, amelyek erősen disszociál. Az ok, vezetőképesség megnedvesített dielektrikumok a vízben való oldásával különböző szennyeződéseket és ezek ezt követő disszociációs ionokra. Ezért általában a legnagyobb „ellenség” villamos szigetelés víz bejusson a dielektromos amely lebontja az elektromos (konkrétan - dielektromos) az anyag jellemzőitől.
A villamos jellemzői anyagok. Elektromos vezetőképesség.