Transcript Az elektromos áram történetéből

AZ ELEKTROMOS ÁRAM
AZ ELEKTROMOS ÁRAM TÖRTÉNETÉBŐL
Stephen Gray (1670 - 1736)
Newton tanítványa volt, ismerte Hawksbee eredményeit az elektromosság
területén. További kísérleteket végezve bebizonyította, hogy a töltések a
vezetők felszínén helyezkednek el. (Egy tömör és egy üreges tölgyfakockát
azonos mértékben feltöltött, azok pedig ugyanolyan erősségű töltést mutattak.)
Az elektromos vezetést véletlenül fedezte fel: Egy üvegcsövet dugóval zárt
le mindkét végén, hogy megóvja a portól, de amikor kívülről letörölgette, azt
tapasztalta, hogy nemcsak az üvegcső, hanem a dugók is feltöltődtek. Ekkor
további eszközöket illesztett a csőhöz, többek között kenderkötelet is, ami
nedvesen vezeti az áramot. Az első vezeték, amit megépített 12 m hosszú volt,
és az erkélyéről lógatta le.
Már régóta ismert volt a halászatból élő emberek számára, hogy
bizonyos halfajták, a rája, a harcsa és az angolna egyes fajai
furcsa ütésekkel bénítják meg áldozataikat. A tudósok számára ez
hasonlított a leideni palack ütéseihez. Henry Cavendish (17311810) angol fizikus igazolta a két jelenség azonosságát, és
megfogalmazta az elektromosság intenzitását.
Luigi Galvani (1737 – 1798) orvosként is érdekelte a jelenség,
békákon kísérletezett. A feldarabolt, kipreparált békát olyan
asztalra helyezte el, amelyen az elektromozó gépe is állt, és éppen
működött. Az egyik segédje szikével véletlenül megérintette a
béka egyik combidegét, ami összerándult.
Egyik kísérlete közben összekötötte rézdróttal
a békacombokat, de azok véletlenül az erély
vaskorlátjához értek, ekkor nagy meglepetésére
megismétlődött a jelenség. Galvai, tudtán kívül,
megalkotta a nevéről ismert galván-elem ősét.
Az áram igazi mibenlétét azonban nem ismerte
fel, azt tartotta, hogy az elektromosság az
életjelenségek indítéka.
Alessandro Volta (1745 - 1827) Galvani eredményeit felhasználva
továbbfolytatta a kísérletezést, de béka helyett önmagán.
Egy fémdarabot tett a felső szemhéjára, egy másikat pedig a szájába vett. A két
fémet összekötötte, ekkor fényes felvillanásokat látott, amit helyesen, a látóideg
ingerlésének hatásával magyarázott. További kísérletében egy fémdarabot tett a
nyelve közepére, majd a hozzárögzített sztaniolcsíkot a nyelve hegyéhez
nyomta. Ennek eredményeként savanykás, földes ízt érzett, ami addig tartott,
amíg a sztaniol vége a szájában volt.
Kísérleteiből azt a következtetést vonta le, hogy az elektromosság nem az
állatok testéből ered, hanem a jelenségek csak jelzik az áram jelenlétét.
Arra is rájött, hogy az elektromos áram létrejöttéhez két különböző fémre és
egy folyékony halmazállapotú vezetőre van szükség.
Galván-elemhez hasonló eszközt már kétezer évvel ezelőtt is
készítettek, ennek bizonyítéka az Irakból előkerült egyik lelet a
bagdadi elem.
Egy 15 cm magasságú, agyagból készített vázát találtak,
melyben szurokkal rögzített rézhenger volt, ennek belsejében
pedig szurokdugóval rögzített vasrúd, melynek vége kb. 1 cm-re
kiállt a dugóból.
Más ásatásoknál is találtak ilyen eszközöket, itt még azt is ki
tudták mutatni, hogy ezeket sorba kötötték. A vizsgálatok során
az ép leletek egyikét 5%-s borecettel töltötték fel, amely 18 napig
működött, 0,5 V feszültséget biztosítva.
AZ ELEKTROMOS ÁRAM
Az elektromos áram elektromosan töltött részecskék áramlásából
adódik. A részecskék lehetnek pozitív vagy negatív töltésűek.
A töltések mozgását hasonlíthatjuk a folyadékok és a gázok
áramlásához. Itt az áramcső a vezető anyag, az áramló részecskék
pedig a töltések.
Az elektromos áram erőssége a vezető
valamely keresztmetszetén áthaladó Q töltés és
az áthaladás időtartamának  t hányadosa:
ΔQ
I
Δt
André-Marie Ampère
(1775.– 1836.)
francia fizikus, kémikus
Mértékegysége:
 ΔQ  C
I      A
 Δt  s
1 A az áramerősség, ha 1 C töltés 1 s alatt áramlik át a vezető adott keresztmetszetén.
ELEKTROMOS FESZÜLTSÉG, POTENCIÁL
Két pont között az elektromos feszültség megadja, hogy mennyi
munkát végez a mező egységnyi töltésen, míg a töltés az egyik
pontból elmozdul a másikba.
Egysége: J/C, röviden 1 V (Volt)
Alessandro Giuseppe
Antonio Anastasio Volta
(1745. - 1827.)
olasz fizikus
Egy tetszőlegesen választott viszonyítási
ponthoz képest mért elektromos
feszültséget elektromos potenciálnak
nevezik.
MI MOZGATJA A TÖLTÉSEKET?
Az elektromos vezető egy olyan anyag, ami szabadon mozgó
elektromosan töltött részecskéket tartalmaz. (fémekben: vezetési
elektronok) Ezek eljutása az egyik helyről a másikra az elektromos
áram.
Az elektronok rendezett mozgásának létrehozásához
„vezeték irányú” erőre (F) van szükség.
A vezeték belsejében elektromos teret (E ) hozunk létre, akkor a
a benne lévő szabad töltésekre (q) erő hat. F=E *q
Ez az erő tartja mozgásban a töltéshordozókat.
A vezető szakasz két vége között q töltést az elektromos tér E
W=F*s munka árán mozgatja. A vezeték két vége között végzett
munkából számíthatóan U=W/Q potenciálkülönbség van, mely
U=E *s . Ez a potenciálkülönbség szükséges ahhoz, hogy a vezető
szakaszban meginduljon a töltésáramlás.
Tehát a feszültséget (U potenciál különbséget) tekintjük az
elektromos áram (I )okának.
AZ ÁRAM IRÁNYA
Korábban megállapítottuk, hogy a töltések mindig a kisebb
potenciálú hely felé mozognak, ennek megfelelően tehát az
áram iránya: megállapodás szerint a pozitív potenciálú hely
felől, a kisebb, negatív potenciálú hely felé mutat.
Mivel fémes vezetőben a negatív töltésű elektronok mozognak,
így a tényleges mozgás iránya ellentétes a megállapodás
szerintivel.
AZ ÁRAMKÖR
A vezetékkel összekapcsolt áramforrás
és fogyasztó áramkört alkot.
Az áramkör lehetővé teszi az
elektromos áram felhasználását.
Olyan műszaki rendszer, amely egy
vagy több áramforrásból, egy vagy
több fogyasztóból és további
áramköri elemekből áll.
Az egyszerű áramkör részei:
- áramforrás
- fogyasztó
- kapcsoló
- összekötő vezeték.
AZ ÁRAMFORRÁS, AZ ÁRAM HATÁSAI
Az áramforrás az áramkör elektron „pumpája”. Az áramkörben az
elektronok folyamatos áramlását az áramforrás beiktatásával tartjuk
fenn.
Fajtái: kémiai (galván elem), elektromos (generátor)
Fogyasztók: ellenállás, izzólámpa, elektromotor,
Az áram hatásai:
-vegyi hatás (vízbontás)
- hőhatás
- fényhatás (szikra, villám)
- mágneses
- élettani
MÉRÉSEK AZ ÁRAMKÖRBEN
Elektromos áramerősségmérő. Többnyire az áram
hő- v. mágneses hatásán alapul a működése. A
legfőbb jellemzője a kis belső ellenállás, mert
ekkor nem változtatja meg számottevően a
mérendő áramerősséget. Az ampermérőt sorba
kapcsoljuk a fogyasztóval.
A feszültség mérő nagy belső ellenállású műszer,
amely a rajta átfolyó áram erősségének
függvényében tér ki. Mivel belső ellenállása állandó,
a kapcsaira jutó feszültség ezzel az áramerősséggel
egyenesen arányos, így skáláját a feszültségre is lehet
kalibrálni.
A voltmérőt a fogyasztóval párhuzamosan
kapcsoljuk, így a műszerre is akkora feszültség esik,
mint a mérendő ágra.
AZ ELEKTROMOS ELLENÁLLÁS
Különböző fogyasztók különböző
mértékben akadályozzák az elektronok
áramlását.
A fogyasztóknak azt a tulajdonságát, hogy akadályozzák a szabad
elektronok áramlását, elektromos ellenállásnak nevezzük.
Ha egy fogyasztót kétszer, háromszor nagyobb
feszültségű áramforrásra kapcsolunk, a rajta
átfolyó áram erőssége is kétszer, háromszor
nagyobb lesz.
Az anyagok elektromos vezetőképességének
elnevezése a konduktancia, az ellenállás
reciproka.
Ernst Werner von Siemens
1816-1892
német feltaláló és gyáralapító
OHM TÖRVÉNYE
Egy fogyasztón átfolyó elektromos áram erőssége
egyenesen arányos a fogyasztó kivezetései között
mért feszültséggel.
Ez Ohm törvénye.
A feszültség- és áramerősség-értékek hányadosa
állandó: U/I
Ez a mennyiség az elektromos ellenállás.
Jele: R .
R=U/I
Mértékegysége: ohm 1ohm=1V/1A
Vezetőképesség:
Jele: Ω
Mértékegysége:
Georg Simon Ohm
(1787–1854)
német fizikus
A VEZETŐ ELLENÁLLÁSA
A vezetékek ellenállása függ a vezeték anyagától, hosszától, és
keresztmetszetétől:
R= ρ *l/A
ahol
R a vezeték ellenállása (mértékegysége: Ω)
ρ (ro) a vezeték anyagától függő „fajlagos ellenállás”
(mértékegysége: Ωmm2/m; a fajlagos ellenállás 1 m hosszú és 1
mm2 keresztmetszetű vezető ellenállása 20°C hőmérsékleten)
l a vezeték hossza (m)
A a vezeték keresztmetszete (mm2)
Változtatható ellenállás: potenciométer
ELLENÁLLÁS FÜGGÉSE A HŐMÉRSÉKLETTŐL
A vezető ellenállásának változása arányos a hőmérséklet változásával
és egy adott hőmérsékleten (általában 20°C ) mért ellenállásával.
Tehát,
Mértékegysége:
ahol α a hőmérsékleti együttható,
.
Izzólámpa ellenállása
Az áramerősség növekedésével
növekszik az izzó hőmérséklete és
ellenállása. Az izzólámpa
izzószálának ellenállása növekszik
a hőmérséklet növekedésével.
A TERMISZTOR: az elektromos ellenállás hőmérséklet-függőségén
alapszik. PTK és NTK félvezető ellenállás
ÁRAMKÖRI ELEMEK:
SZUPRAVEZETŐ
Heike Kamerlingh-Onnes Nobel-díjas holland fizikus
ismerte fel 1911-ben.
Az abszolút nulla fok felett néhány fokkal hirtelen
megszűnik néhány fém ellenállása.
Azt a hőmérsékletet, amelyen bekövetkezik a szupravezetés, az adott
fém ugráspontjának nevezik.
ólom 7,2 K
vanádium 4,89 K
higany 4,173 K
ón 3,729 K
alumínium 1,197 K
AZ ELEKTROMOS MUNKA ÉS TELJESÍTMÉNY
Az áramló elektromos töltések energiája a fogyasztón hő- fénymechanikai, vagy vegyi energiává alakul át, munkát képes
végezni.
A fogyasztón U feszültség hatására t ideig I áram folyik, akkor a
végzett elektromos munka:
W = U*I*t
Mértékegysége: J (joule)
1J munka = 1V*1A*1s
Az elektromos teljesítmény:
Mértékegysége: W
P = W/t = U*I*t/t = U*I
1W = 1V*1A
A fogyasztó ellenállásával kifejezve: P = I2*R == U2/R
Az elektromos mező által végzett munka megegyezik a fogyasztó
leadott hőmennyiségével.
AZ ELEKTROMOS FOGYASZTÓK
Az elektromos készülékek használata közben bekövetkező
energiaváltozást, elektromos munkát fogyasztásnak is szokás
nevezni. A fogyasztás függ az időtől.
Mértékegysége: kWh
Izzólámpa
Fényét elektromos áram által
felizzított volfrámszál adja, az izzószálat
az üvegburában lévő semleges gáz vagy
vákuum óvja meg a levegő oxidáló
hatásától.
Az angol Humphry Davy 1809-ben alkotta meg
az első szénelektródos ívlámpát.
Thomas Alva Edison
(1847. – 1931)
amerikai elektrotechnikus,
üzletember, feltaláló
ÁRAMFORRÁS
Az áramforrás olyan eszköz, aminek két
kivezetése közt tartósan feszültség mérhető.
Az első áramforrás a Volta féle oszlop: Cink és
vörösréz lapokból épített oszlop, köztük sóoldatba
áztatott bőrkorongok.
GALVÁNELEM
Kémiai energiát elektromos energiává alakít át.
Elemek - Akkumulátorok
Savas ólom-akkumulátorok
Nikkel-kadmium akkumulátorok (Ni-Cd)
Nikkel-metál-hibrid akkumulátorok (Ni-MH)
Lítiumion-akkumulátorok
A nátrium-kén akkumulátor (Na-S)
AZ ELEKTROMOS FOGYASZTÓK KAPCSOLÁSAI
Tartós elektromos áramot áramkörben hozhatunk létre. Az áramkör
fő alkotórészei: áramforrás, vezeték, fogyasztó, kapcsoló.
Az áramkörben körbeáramlanak a töltéshordozók, melyeket az
áramforráson kívül az elektromos mező mozgat, az áramforráson
belül pedig szembe mozognak az elektromos mező hatásával.
Az áramkörre vonatkozó legfontosabb fizikai mennyiség az
áramerősség (I), illetve az áramforrás vagy a fogyasztó sarkain
lévő feszültség (U).
Az áramforrás elektromos mezője mozgatja a töltéshordozókat a
fogyasztón át, ahol különböző energiaátalakulások történnek. Fémes
vezetőben az elektromos mező által felgyorsított szabad elektronok a
fémrács ionjaival ütközve a vezető és a környezet felmelegedését
okozzák.
AZ ELEKTROMOS FOGYASZTÓK SOROS KAPCSOLÁSAI
A több fogyasztót tartalmazó áramkörökbe gyakori, hogy kettő
vagy több fogyasztó áramleágazás nélkül kapcsolódik egymáshoz.
Ilyenkor a fogyasztók (ellenállások) soros kapcsolásáról beszélünk.
Soros kapcsolásnál a fogyasztókon átfolyó áram erőssége állandó
(I1 = I2). Ezért kapcsoljuk sorosan a fogyasztóval az ampermérőt,
így mindkettőn ugyanakkora az áramerősség. Az áramforrás
feszültsége megegyezik a fogyasztók feszültségeinek összegével
(U = U1 + U2). R=U/I=(U1+U2)/I=U1/I+U2/I=R1+R2
Az áramforrás feszültsége az ellenállások arányában oszlik meg a
fogyasztókon.
Az eredő ellenállást a részellenállások
összege adja: Re = R1 + R2
AZ ELEKTROMOS FOGYASZTÓK PÁRHUZAMOS KAPCSOLÁSAI
Ha egy feszültségforrás két kivezetésére úgy
kapcsolunk fogyasztókat, hogy egy-egy kivezetésük a
feszültségforrás egyik és másik kivezetéséhez
kapcsolódik, akkor a fogyasztókat párhuzamosan
kapcsoltuk az áramkörbe.
A párhuzamosan kapcsolt fogyasztók feszültsége
megegyezik (U = U1 = U2).
A főágban folyó áram erőssége egyenlő a mellékágak
áramerősségeinek összegével (I = I1 + I2).
Párhuzamos kapcsolásnál az áramkör eredő ellenállását úgy kapjuk
meg, hogy az ellenállások reciprok értékeit összeadjuk,
majd vesszük az összeg reciprok értékét.
AZ ELEKTROMOS FOGYASZTÓK VEGYES KAPCSOLÁSAI
Ellenállás osztó, feszültségosztó, potenciométer alkalmazása:
Wheatstone mérőhíd:
ELEKTROMOS FOGYASZTÓK KAPCSOLÁSAINAK GYAKORLATI
ALKALMAZÁSAI
Soros kapcsolás:
ELEKTROMOS FOGYASZTÓK KAPCSOLÁSAINAK GYAKORLATI
ALKALMAZÁSAI
Párhuzamos kapcsolás
VEZETÉSI JELENSÉGEK
Elektromos áram folyadékokban
Az elektrolitok (bázisok, savak, sók
vizes oldatai)vezetik az elektromos
áramot. Az oldódás során a
molekulák ionokra bomlanak.
Az elektrolitokban, a fémektől eltérően,
nem az elektronok, hanem a pozitív és
negatív ionok a töltéshordozók.
Az áramforrás elektromos mezőjének hatására a pozitív ionok a
negatív elektród (a katód), a negatív ionok a pozitív elektród (az
anód) felé vándorolnak, az elektródokon semlegesítődnek és
kiválnak.
ELEKTROLÍZIS
Elektrolízis : Az elektródokon történő anyagkiválás.
Ha az elektrolit oldatba
két elektródot helyezünk, majd egyenáramot
kötünk rá, az ionok az elektromos erőtér
hatására az elektródok felé áramlanak.
- a pozitív ionok vagy kationok az elektronfelesleggel rendelkező,
negatív töltésű katód felé vándorolnak
- a negatív ionok vagy anionok az elektronhiánnyal rendelkező,
pozitív töltésű anód felé vándorolnak
Vízbontás:
A víz elektrolízise során a katódon
mindig hidrogén, az anódon pedig
oxigén keletkezik, 2:1 arányban.
GALVANIZÁLÁS: FÉMBEVONAT KÉSZÍTÉS
GALVÁNELEM
Különböző anyagú elektródok elektrolitba
merülésekor áramforrás, galvánelem keletkezik.
Az elektrolízis alkalmas galvánelem előállítására.
Ez történik az akkumulátorok töltésénél.
Az akkumulátorok használatakor fordított
folyamat játszódik le. Ilyenkor a töltés során az
akkumulátorban felhalmozott kémiai energia
visszaalakul elektromos energiává.
Az elektródokon kiváló anyag mennyisége arányos
az átáramló töltésmennyiséggel.
AZ ELEKTOLÍZIS FARADAY-FÉLE TÖRVÉNYEI
Az elektrolízis törvényeinek felfedezése a nagy angol
kísérleti fizikus, Faraday nevéhez fűződik.
Faraday első törvénye: Az elektródon kiváló
anyag tömege arányos az elektroliton átáramló
töltés mennyiségével:

Q  It
mKQ
Michael Faraday
( 1791- 1867)
angol fizikus és kémikus
Az anyag elektrokémiai egyenértéke: K
Faraday második törvénye: Különböző anyagok elektrokémiai
egyenértékei úgy aránylanak egymáshoz, mint egyenértéktömegeik.
(M) és a (Z) hányadosa
K1 M1 / Z1

K 2 M 2 / Z 2
ELEMI TÖLTÉS
Faraday: Az 1 mólnyi 1 vegyértékű anyag kiválasztásához 96
500 C töltésmennyiség szükséges.
Elemi töltés: q=96500C/6,2⋅1023=1,6⋅10−19C
Az elemi töltés pontos és közvetlen mérése Robert A.
Millikan amerikai fizikus nevéhez fűződik (1909.)
Robert A. Millikan
(1868–1953)
amerikai fizikus
Kondenzátorlemezek
közé porlasztással
olajcseppeket juttatott,
melyek feltöltődtek.
m*g-Ff=E*Q
Valamennyi olajcsepp töltése az q=1,6⋅10−19C
egész számú többszörösének adódott.
ELEKTROMOS ÁRAM GÁZOKBAN
A gázok normál körülmények között jó szigetelők, mert
töltéshordozókat csak kis számban tartalmaznak. A
levegő is jó szigetelő, nagyfeszültségű távvezetékek
szigeteletlen vezetékkel vannak építve.
Átütési szilárdság:
E [kV / cm]
Anyag megnevezése
Levegő
21
Száraz papír
25-40
Titánoxid
20-100
Alumíniumoxid
100-150
Transzformátor olaj
80-200
PVC
100-300
Polietilén
200
Polisztirol
220-500
A VILLÁM
A villám keletkezése a felhők vízcseppjeinek,
jégkristályainak súrlódására, széttöredezésére
vezethető vissza. A tulajdonképpeni villámot
elővillám vezeti be, amely több
lépésben ionizálja a levegőt, és így egyre
nagyobb szakaszát vezetővé teszi.
A kisülésben szállított töltésmennyiség mindössze 1-2 C, a rövid ideig
tartó kisülési időtartam alatt 30-40 000 amperes áramerősség lép fel. A
villám sebessége 180 km/s. A hőmérséklet elérheti a 30 000 K-t.
Élettani hatása: Villámcsapás esetén az
áramütés csak 10-20%-ban halálos, ha van a
közelben életmentésre alkalmas személy, aki
azonnal beavatkozik. Hallás- és látászavarok
lépnek fel és akár órákig is eltarthatnak.
áramjegy
GÁZKISÜLÉS
Elektromos áramot gázokban csak akkor tapasztalhatunk, ha a
gázba kívülről töltéseket viszünk, vagy magában a gázban olyan
folyamatokat hozunk létre, amelyek töltések kialakulásához
vezetnek.
Ha a töltött részecskék kívülről érkeznek a gázba és a vezetés külső
hatásra megy végbe, akkor nem önálló vezetésről beszélünk.
Amennyiben a töltött részecskéket maga a vezetési folyamat hozza
létre, akkor önálló vezetésnek nevezzük a jelenséget.
A gázkisülés gyakorlati alkalmazásai között a spektrál-lámpák a
fénycsövek és a ködfénylámpák a legismertebbek.
Különleges körülmények között
közönséges nyomású gázokban is
kialakulhat önálló vezetés. Ilyen az ív-,
a szikra- és a korona kisülés.
GÁZKISÜLÉS LÉGRITKÍTOTT TÉRBEN (VÁKUUM)
Az erős vákuum igen jó szigetelő, azonban ha elektródokat vezetünk
egy olyan csőbe, amelyben erős vákuum van, és az elektródokon
keresztül töltéshordozókat juttatunk a ritkított gáztérbe, akkor
vezetést tapasztalhatunk.
A gázok áramvezetése akkor válik jelentőssé, ha bekövetkezik az
úgynevezett ütközési ionizáció.
Az elektromos tér a töltéshordozókat annyira felgyorsítja, hogy
azok a semleges atomokkal, molekulákkal ütközve ion-elektron
párokat keltenek. Az ütközési ionizáció lavinaszerű folyamat,
amely biztosítja a töltéshordozók utánpótlását.
Ez önfenntartó folyamat.
Ritkított gázokban az ütközési
ionizációt változatos fényhatások
kísérik.
ÜTKÖZÉSI IONIZÁCIÓ
Az ütközéseknél a gázrészecskék elektronjait magasabb energiájú
(gerjesztett) állapotba hozzák, amelyből azok fénykibocsátással
kerülnek vissza alapállapotukba.
A kibocsátott fény színe függ a gáz anyagi minőségétől.
A gázok áramvezetésének
gyakorlati alkalmazásai
általában a fényhatásokkal
függenek össze. Reklám
fények: neon lámpák.
Kisülési csősorozat: balról
jobbra csökken a nyomás:
TERMIKUS EMISSZIÓ
A zárt csőbe nyúló negatív fémelektródot (katódot)
elektronkibocsátásra kényszerítjük.
A fémek kristályrácsában szabadon mozgó elektronok kötődnek a
fémekhez, ezért a fémkatód is csak valamilyen energiabefektetés
hatására bocsát ki elektronokat. Katód izzítása: termikus emisszió.
A termikus elektronemissziót felfedezőjéről Edison-hatásnak is
nevezik (1883).
Ilyen elven működő katódsugárcsövet tartalmaz a tv-készülék,
de ezt az elvet használták az elektroncsöveknél is.
FOTOEMISSZIÓ
A fény hatására lépnek ki elektronok a katódból. Ez történik
például a fotocellánál, amely elektromos áram fénnyel történő
vezérlésére használható.
Fémbe ütköző felgyorsított töltéshordozók is lökhetnek ki
elektronokat, és így lehetnek erősebb elektromos áram elindítói.
Így működik például a fotoelektron-sokszorozó.
ELEKTROMOS ÁRAM FÉLVEZETŐKBEN
Félvezetők, olyan kristályos szilárd anyagok , amelyeknek fajlagos
elektromos vezetése (kb. 10-3-107 ohmcm) kevesebb mint a fémeké
és több, mint a szigetelőké, és amelyekben a vezetést elektronok
(tehát nem ionok) közvetítik.
A külső körülmények (hőmérséklet, fényviszony, ...) változásával a
változik a félvezetők vezetőképessége.
Elemi félvezetők:
szilícium (Si) vagy a germánium(Ge),
Vegyület-félvezetők:
pl. a gallium-arzenid (GaAs), indiumantimonid (InSb)
Alacsony hőmérsékleten a félvezető szigetelőként viselkedik, de
szobahőmérsékleten sajátvezetésük van.
SAJÁTVEZETÉS
A hőmérséklet emelkedésére elektronok lépnek ki a kristályt alkotó
atomok közötti kötésekből. Ezek az elektronok a kristályban szabad
elektronokká válnak. A szabaddá vált elektronok helyén
elektronhiány, más néven lyuk marad.
Ha tehát feszültséget
kapcsolunk a kristályra, abban
áram jön létre, a kristály vezet.
Sajátvezetés: A vezetésben a negatív és
a pozitív jellegű töltéshordozók (a
szabad elektronok és a lyukak) egyenlő
mértékben vesznek részt.
Ha a kristályba akceptor v. donor jellegű szennyező atomokat
juttatunk be, akkor ennek kettős következménye lesz:
-megnövekedik a kristályban a szabad töltéshordozók száma, ezzel
együtt a kristály vezetőképessége is változik.
-a szennyezés jellegétől függően túlsúlyba jutnak az egyik fajta
szabad töltéshordozók
Ha a szabad elektronok jutnak
túlsúlyba, a vezetés negatív
típusúvá, n- típusúvá válik.
Ha a lyukak jutnak túlsúlyba ptípusú vezetés.
FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK
Egyrétegű félvezetők: termisztorok, fotóellenállások
A vegyértékelektronok kötődése gyenge, így már alacsony
hőre vagy fény hatására egyes elektronok elszakadnak, és
szabad elektronokként mozognak tovább. Ezzel megváltozik
a félvezető eszköz ellenállása.
Fotóellenállás: Fény érzékelésére alkalmas ellenállás. A beeső
fény változtatja az ellenállás értékét és a változás áramkör
segítségével elektromos jellé alakítható. A fényerő növelésével
az ellenállás értéke csökken. Nem lineáris.
Termisztor: A hőérzékelésre, hőmérséklet
mérésére használatos NTK-ellenállás. Negatív
hőmérsékleti koeficiensű.
FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK
Kétrétegű félvezető. Dióda
Ha a kristály egyik részét
p-típusúvá, másik részét
n-típusúvá szennyezzük,
akkor a kristályban
létrejövő p-n átmenet
diódaként viselkedik.
DIÓDÁK FAJTÁI
Dióda: félvezető, amely az áramot csak egyik irányban
engedi át
Fotodióda: Fény hatására a zárórétegben a
belső fényelektromos hatás miatt töltéshordozók
szabadulnak fel, a fotodióda vezetővé válik. A
fotodióda külső feszültség nélkül fényelemként
működik.
LED: A világító dióda félvezető anyagból
készült fényforrás. A dióda által
kibocsátott fény színe a félvezető anyag
összetételétől, ötvözőitől függ.
Zener-dióda: feszültségstabilizáló dióda,
melynél a PN átmenet azon tulajdonságát
használják ki, hogy a zárófeszültség állandó a
kivezetések között.
FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK
Háromrétegű félvezetők:
A tranzisztor egy 3 rétegű félvezető,
melynek tulajdonsága, hogy változik az
ellenállása a bázison folyó áramtól függően.
3 érintkezője: kollektor (C), bázis
(B), emitter (E).
PNP ill. NPN tranzisztorok
Jellemző felhasználásai az
elektromos jelerősítés, jelek ki-be
kapcsolása.
A TRANZISZTOR MŰKÖDÉSE
A nyitott emitterdiódán az emitter és bázis közé kapcsolt feszültségtől függő áram
folyik, az emitterből a bázisba kerülő töltések zöme azonban (a kialakuló
töltésviszonyok miatt) a kollektoron át távozik, a bázisáram csekély. A
kollektoráram és a bázis egyenáram viszonyát B-vel (h21E) jelölik, ez a
tranzisztor áramerősítése.
A tranzisztor két működési módja: analóg (erősítő) vagy kapcsoló
A bázisáram változtatásával elérik, hogy a
kollektoráram annak ß-szorosával
változzon: így hasznosítható a tranzisztor
áramerősítése.
Kapcsoló üzemben a kollektor
szakadásként viselkedik, nem folyik rajta
áram, ha az emitterdiódát nem nyitják ki,
azaz a rákapcsolt feszültség kisebb a
szükséges nyitófeszültségnél.
INTEGRÁLT ÁRAMKÖR
Félvezető lapkán (esetleg lapkákon)
kialakított nagyon kis
méretű áramkör. Tipikus alkatrésze
az integrált tranzisztor.
SSI (Small-Scale Integration): kisebb integráltságú elemek; egy-egy részfeladatra
készülnek. logikai kapuk
MSI (Medium-Scale Integration): közepes integráltságú elemek; bonyolultabb
feladatok megoldására készültek. Például Léptető regiszter,multiplexer
LSI (Large-Scale Integration): nagy integráltságú elemek; komplex feladatok
ellátására készültek; például szorzók
VLSI (Very-large-scale integration): nagy integráltságú elemek; Jellemzőjük,
hogy univerzálisan alkalmazhatóra tervezték őket, azaz nem egyetlen részfeladat
elvégzésére. Tipikus képviselője: mikroprocesszor