Metallarda elektrik cərəyanı

Metallarda yükdaşıyıcılar sərbəst elektronlardır, ona görə cərəyan keçəndə maddə köçürülmür. Temperatur artdıqca kristal qəfəsin ionları daha güclü rəqs edir, elektronların nizamlı hərəkətinə daha çox mane olur və müqavimət artır:

R = R_0(1 + \alpha t),

\rho = \rho_0(1 + \alpha t),

burada $R_0$ və $\rho_0$ $0\,^\circ\text{C}$ -dəki qiymətlər, $\alpha$ müqavimətin temperatur əmsalıdır ( $\text{K}^{-1}$ ). Metallar üçün $\alpha > 0$ .

Bəzi maddələrin müqaviməti çox aşağı temperaturda, müəyyən böhran temperaturundan aşağıda, birdən sıfıra enir. Bu hadisə ifratkeçiricilikdir; onu 1911-ci ildə Kamerlinq-Onnes civəni təxminən $4$ K-ə qədər soyudarkən kəşf edib.

Elektrolitlərdə elektrik cərəyanı. Elektroliz

Duzlar, turşular və qələvilər suda həll olduqda molekulların bir hissəsi müsbət və mənfi ionlara parçalanır; bu, elektrolitik dissosiasiyadır. Elektrolitdə cərəyanı hər iki işarəli ionlar yaradır: müsbət ionlar katoda, mənfi ionlar anoda gedir və elektrodlarda maddə ayrılır. Bu proses elektroliz adlanır. Temperatur artdıqca elektrolitin müqaviməti azalır.

Elektrolizin I qanunu: $m = kq = kIt$ , burada $k$ maddənin elektrokimyəvi ekvivalentidir (kq/Kl).

Elektrolizin II qanunu: $k = \frac{1}{F}\cdot\frac{M}{n}$ , burada $M$ molyar kütlə, $n$ ionun valentliyi, $F = eN_A \approx 9{,}65\cdot10^4$ Kl/mol Faradey ədədidir.

Elektroliz metal örtük çəkməkdə (qalvanostegiya), metalların təmizlənməsində və alüminium alınmasında tətbiq olunur.

Qazlarda elektrik cərəyanı və plazma

Adi şəraitdə qaz izolyatordur. Onu qızdırmaqla, ultrabənövşəyi, rentgen və ya radioaktiv şüalanma ilə ionlaşdırmaq olar, onda yükdaşıyıcılar elektronlar və ionlar olur. Yalnız xarici ionlaşdırıcı təsir etdikcə davam edən boşalma qeyri-müstəqil, ionlaşdırıcı götürüldükdən sonra da davam edən boşalma müstəqil boşalmadır.

Qaz boşalmasının volt-amper xarakteristikasında əvvəl cərəyan gərginliklə artır, sonra doyma yaranır: ionlaşdırıcının yaratdığı bütün yüklər elektrodlara çatır. Gərginlik daha da artdıqda sürətlənmiş elektronlar atomları zərbə ilə ionlaşdırır, cərəyan kəskin artır və boşalma müstəqil olur.

Müstəqil boşalmanın növləri: közərən (aşağı təzyiqli qazda, reklam lampalarında), qığılcım (ildırım), qövs (elektrik qaynağı), tac (yüksək gərginlikli naqillərin ətrafında). Güclü ionlaşmış, bütövlükdə elektroneytral qaz plazmadır: ulduzların maddəsi, ildırım kanalı, qaz boşalması lampalarının içi.

Vakuumda elektrik cərəyanı

Vakuumda yükdaşıyıcı yoxdur, onları termoelektron emissiyası yaradır: qızdırılmış katod elektronlar buraxır. Vakuum diodu qızdırılan katoddan və anoddan ibarətdir və cərəyanı yalnız anod müsbət olduqda, bir istiqamətdə keçirir; ona görə dəyişən cərəyanı düzləndirmək üçün işlədilir. Onun volt-amper xarakteristikası qeyri-xəttidir və doyma cərəyanına çatır: katodun buraxdığı bütün elektronlar anoda çatır. Katodun temperaturu artdıqca doyma cərəyanı artır.

Elektron-şüa borusunda elektron topu nazik elektron dəstəsi yaradır, iki cüt meyilləndirici lövhə onu şaquli və üfüqi istiqamətdə meyilləndirir, ekranın lüminofor örtüyü dəstənin düşdüyü yerdə işıqlanır. Bu boru ossilloqrafın əsas hissəsidir; ossilloqrafla elektrik siqnallarının zamandan asılılığını ekranda görmək olur.

Yarımkeçiricilər və yarımkeçirici cihazlar

Yarımkeçiricilərin (Si, Ge) müqaviməti temperatur artdıqca azalır, çünki istilik yeni yükdaşıyıcılar yaradır. Təmiz yarımkeçiricidə məxsusi keçiricilik var: sərbəst elektronların və deşiklərin sayı bərabərdir.

Aşqar keçiricilik: silisiuma beşvalentli aşqar (fosfor, arsen) əlavə etdikdə artıq elektronlar yaranır; bu, donor aşqardır və n-tip keçiricilik verir. Üçvalentli aşqar (bor, indium) deşiklər yaradır; bu, akseptor aşqardır və p-tip keçiricilik verir.

p-n keçid cərəyanı praktik olaraq bir istiqamətdə keçirir: düz qoşulmada (p-oblastı mənbəyin müsbət qütbünə) cərəyan böyükdür və gərginliklə sürətlə artır, əks qoşulmada isə çox kiçikdir. Yarımkeçirici diod belə işləyir.

Fotorezistorun müqaviməti işıqlandıqda, termistorun müqaviməti qızdıqda kəskin azalır. Termoelementdə iki müxtəlif materialın qovşaqları arasındakı temperatur fərqi EHQ yaradır. Tranzistorda iki p-n keçid var (emitter, baza, kollektor): kiçik baza cərəyanı böyük kollektor cərəyanını idarə edir, ona görə tranzistor gücləndirici və açar kimi işləyir.

Yadda saxla

Yükdaşıyıcılar: metalda elektronlar, elektrolitdə ionlar, qazda elektronlar və ionlar, vakuumda katodun buraxdığı elektronlar, yarımkeçiricidə elektronlar və deşiklər.
Metal: $R = R_0(1 + \alpha t)$ , qızdıqda müqavimət artır; yarımkeçiricidə və elektrolitdə azalır.
Elektroliz: $m = kIt$ , $k = \frac{M}{Fn}$ , $F \approx 9{,}65\cdot10^4$ Kl/mol.
Vakuum diodu və p-n keçid cərəyanı bir istiqamətdə keçirir.
Beşvalentli (donor) aşqar n-tip, üçvalentli (akseptor) aşqar p-tip keçiricilik verir.

Həll olunmuş misallar

Misal 1
Mis kuporosu məhlulundan $1$ saat ərzində $5$ A cərəyan keçir. Katodda nə qədər mis ayrılar? Misin elektrokimyəvi ekvivalenti $k = 3{,}3\cdot10^{-7}$ kq/Kl.
Həlli
1. Zamanı saniyəyə çeviririk: $t = 1$ saat $= 3600$ s.
2. Elektrolizin I qanunu: $m = kIt = 3{,}3\cdot10^{-7} \cdot 5 \cdot 3600 = 5{,}94\cdot10^{-3}$ kq.
Yoxlama II qanunla (misin ionu ikivalentlidir, $M = 0{,}064$ kq/mol): $k = \frac{M}{Fn} = \frac{0{,}064}{9{,}65\cdot10^4 \cdot 2} \approx 3{,}3\cdot10^{-7}$ kq/Kl.

Cavab: təxminən $5{,}9$ q.
Misal 2
Mis məftilin $0\,^\circ\text{C}$ -dəki müqaviməti $20$ Om-dur. $100\,^\circ\text{C}$ -də onun müqaviməti nə qədər olar? Mis üçün $\alpha = 4{,}3\cdot10^{-3}\ \text{K}^{-1}$ .
Həlli
1. $R = R_0(1 + \alpha t) = 20 \cdot (1 + 4{,}3\cdot10^{-3} \cdot 100)$ .
2. $4{,}3\cdot10^{-3} \cdot 100 = 0{,}43$ , deməli $R = 20 \cdot 1{,}43 = 28{,}6$ Om.
Müqavimət $43\%$ artdı: metal qızdıqda onun müqaviməti artır.

Cavab: $28{,}6$ Om.

Özünü yoxla

Əvvəl özün həll et, sonra cavaba bax.

Elektroliz zamanı cərəyan şiddətini $2$ dəfə artırıb elektroliz müddətini $3$ dəfə azaltsaq, katodda ayrılan maddənin kütləsi necə dəyişər?
1. 6 dəfə artar
2. 1,5 dəfə artar
3. dəyişməz
4. 1,5 dəfə azalar
5. 6 dəfə azalar
Cavabı göstərCavabı gizlət
Düzgün cavab: D 1,5 dəfə azalar
$m = kIt$ , yəni kütlə $It$ hasili ilə mütənasibdir: $\frac{m'}{m} = \frac{2I \cdot \frac{t}{3}}{It} = \frac{2}{3}$ . Kütlə $1{,}5$ dəfə azalır.
Silisium kristalına (IV qrup elementi) az miqdarda fosfor (V qrup elementi) əlavə olunub. Alınan yarımkeçiricidə hansı keçiricilik üstünlük təşkil edir?
1. p-tip, deşik keçiriciliyi
2. n-tip, elektron keçiriciliyi
3. ion keçiriciliyi
4. ifratkeçiricilik
5. yalnız məxsusi keçiricilik
Cavabı göstərCavabı gizlət
Düzgün cavab: B n-tip, elektron keçiriciliyi
Fosforun beş valent elektronundan dördü silisiumla rabitə yaradır, beşincisi sərbəst qalır. Bu, donor aşqardır və əsas yükdaşıyıcılar elektronlar olur (n-tip).
Temperatur artdıqca metal naqilin və təmiz yarımkeçiricinin müqaviməti necə dəyişir?
1. hər ikisininki artır
2. hər ikisininki azalır
3. metalınkı artır, yarımkeçiricininki azalır
4. metalınkı azalır, yarımkeçiricininki artır
5. heç birininki dəyişmir
Cavabı göstərCavabı gizlət
Düzgün cavab: C metalınkı artır, yarımkeçiricininki azalır
Metalda elektronların sayı dəyişmir, amma qəfəsin ionları güclü rəqs etdiyindən müqavimət artır. Yarımkeçiricidə isə qızdıqda yeni elektronlar və deşiklər yaranır, ona görə müqavimət azalır.

Tipik səhvlər

Faradey qanununda zamanı dəqiqə və ya saatla, kütləni qramla yazıb vahidləri qarışdırmaq. BS-də $t$ saniyə ilə, $m$ kq ilə olmalıdır.
Yarımkeçiricinin müqavimətinin də metal kimi qızdıqda artdığını düşünmək.
Diodun əks istiqamətdə də cərəyan keçirdiyini düşünmək və ya p-oblastı mənfi qütbə qoşulan halı düz qoşulma saymaq.

Hələ də tam aydın deyil?

Mövzunu sənə səsli dərs kimi izah edir, lövhədə yazır və suallarla yoxlayır.

Bu mövzunu Canlı Müəllimlə öyrən Məsələni şəkillə həll et