Číslo a název projektu Název a adresa školy Kód materiálu Název materiálu CZ.1.07/1.5.00/34.0619 OP: Vzdělávání pro konkurenceschopnost Zvyšování vzdělanosti pomocí e-prostoru Soukromá střední škola a jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Č. Budějovice, s.r.o., Jeronýmova 28/22, České Budějovice Klíčová aktivita III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT 14. Vedení elektrického proudu Mgr. Miroslav Dušek Autor Tematická oblast Fyzika – Elektřina a magnetismus Anotace Ročník Datum tvorby Vzdělávací materiál je určen pro Obchodní akademii a Ekonomické lyceum Materiál obsahuje výklad k problematice vedení elektrického proudu v látkách. 2.ročník Obchodní akademie, Ekonomické lyceum září -říjen 2013 Pokud není uvedeno jinak, použitý materiál je z vlastních zdrojů autora

Vedení elektrického proudu v kovech, polovodičích, kapalinách a plynech

Vedení proudu v kovech

•

Volné elektrony

rychlostí mm /s – posun ve vodiči •

Elektrony

– volné z atomového obalu • elektrické pole se rozšíří po celé délce vodiče velkou rychlostí =

pohybovat současně !!

všechny elektrony ve vodiči se začnou

• • • • •

Vedení proudu v polovodičích

Polovodiče – látky jejichž odpor je mnohem vyšší než kovů Je ovlivněn: a)teplotou, b) světlem, c)příměsí při zahřátí měrný odpor klesá !

Polovodičové látky (IV.skupina MPTP):

selen, germanium

Vodivé částice

křemík, – a) volné elektrony (elektronová vodivost) – b) „díry“ + (děrová vodivost )

Vedení proudu v polovodičích

• • Čisté polovodiče bez příměsí –

polovodiče Příměsové polovodiče

V.skupiny MPTP) – 1.

donory polovodič typu N vlastní

(ze III.nebo (dárci) elektronová vodivost ( As, At, Pb) – • 2.

akceptor

(Al,Ga,In) – (příjemce) – děrová vodivost

polovodič typu P

•

0,001% příměsi zvyšuje vodivost polovodiče tisícinásobně

[1]

Polovodič typu P a N

Vodivost typu N

(negativní): V krystalu křemíku jsou některé atomy nahrazeny pětimocnými atomy, např. fosforu nebo arzenu. Jejich čtyři valenční elektrony se účastní vazeb, ale páté se již v chemických vazbách nemohou uplatnit. Jsou velmi slabě vázané a již při nízkých teplotách se z vazeb uvolní. Tyto volné elektrony způsobují po připojení zdroje

elektronovou vodivost

polovodiče typu N.

Vodivost typu P

(pozitivní):: Zabudují-li se do krystalové mřížky křemíku atomy trojmocného prvku se třemi valenčními elektrony, např. india, chybí pro obsazení všech chemických vazeb elektrony. V místě nenasycené vazby vznikne "díra" s kladným nábojem. Tuto "díru" může zaplnit elektron z některé jiné vazby a "díra" se v krystalu přesune na jeho místo. Po připojení zdroje vznikne

děrová vodivost

polovodiče typu P.

Fotovoltaický jev

• byl objeven v roce 1839 Antoine-César Becquerelem (1788 1878). Na rozhraní dvou polovodičových materiálů, na něž dopadá světlo, vzniká elektrické napětí. Světlo se skládá z nesčetných drobných nosičů energie, fotonů. Dopadnou-li tyto fotony na solární článek, budou uvolněny elektrony na n vždy od – do +.

vrstvě a přesouvat se k p vrstvě křemíkového polovodiče. Tento přesun se nazývá průtok proudu a probíhá

Vedení proudu v kapalinách

•

Elektrolyty

– roztoky nebo taveniny solí kyselin (zásad) • •

Rozklad soli

na ionty (např. NaCL Na + Cl

Ionty

= nabité částice = přenos elektrického proudu ( odpor kladou molekuly vody –

odpor elektrolytu

) • Ionty – putují k

elektrodám katoda

, kladná -

anoda

– záporná – )

Využití vedení proudu v kapalinách

• • •

Galvanické pokovování

iontů kovu solí kyselin na zápornou elektrodu (Au, Ag, Cu, Zn,…) – přenos kladných

Elektrolýza vody

( Hofmannův přístroj) – rozklad vody na vodík a kyslík průchodem stejnosměrného elektrického proudu.

Elektrolýza taveniny

– získávání kovů z roztavené rudy (Al, Na)

Faradayův zákon elektrolýzy

• •

Hmotnost látky

, která se vyloučí na elektrodě je přímo úměrná

velikosti

prošlého

náboje Faradayova konstanta

– F=9,648.10

4 C.mol

-1 ( Náboj, který vyloučí z roztoku 1mol látky )

1.zákon:

m = A.I.t = A.Q

A…elektrochemický ekvivalent 2.zákon: A



M m

F .. Faradayova konstanta z…množství náboje Mm..molární hmotnost

[2]

Elektrolýza

Vedení proudu v plynech

• • • • Suchý vzduch – dobrý izolant

Ionty

(nabité částice, které vznikají kosmickým zářením či radioaktivitou v zemské kůře) – vodivé částice ve vzduchu

Ionizátor

– UV záření, radioaktivní záření, plamen svíčky,….

Výboj

– způsob vedení proudu v plynu – A) – B)

nesamostatný

činitel) se uspořádaně pohybují a další nejsou k dispozici

samostatný

– všechny ionty (vytváří vnější – energie iontů je tak vysoká, že sami tvoří další ionty nárazem na molekuly – počet iontů začne lavinovitě narůstat

I

Voltampérová charakteristika výboje v plynu

In……nasycený proud Un…..nasycené napětí Uz…..zápalné napětí

I n

0

U n U z U

Rozdělení výbojů

• Rozdělení podle tlaku, při kterém vznikají – A)

atmosférický tlak

koronový – obloukový, jiskrový, – B)

nízký tlak

– doutnavý výboj •

1. Obloukový výboj

– mezi dvěma uhlíkovými elektrodami – elektrody se nejprve dotknou, pak se rozžhaví proudem a oddálí od sebe – ubývají (udržení oblouku vyřešil Křižík – oblouková lampa) [3]

• •

2. Jiskrový výboj

nejznámější v přírodě - blesk – – Nahromadění velkého množství el.náboje vyvolá ionizaci vzduchu a následné vybití na hrotu bleskosvodu přes bleskový kanál

Kulový blesk

– nevysvětlený přírodní úkaz související s elektrickým výbojem. Objevuje se za bouřky či před ní v podobě svítící koule nízko nad zemí. Pohybuje se pomalu a dosud nepředvídatelně. Trvá až desítky sekund – pak vyhasne nebo exploduje.

[5] [4]

•

3. Korónový výboj

– oheň sv.Eliáše – již od pradávna znali námořníci – před bouřkou na vrcholcích stěžňů či věží • Vzniká na vodičích vysokého napětí a způsobuje ztráty elektrického napětí [6] • 4.

Doutnavý výboj

– v nízkotlakých výbojkách ( skleněné trubice různého tvaru, plněné netečnými plyny za nízkého tlaku Katoda Anoda

•

Využití doutnavého výboje

– 1)

Doutnavky

(signální) – tvar žárovky,plněny neonem apod.) – kontrola přítomnosti napětí ( např. el.sporák v kuchyni, žehlička – 2)

Zářivky a reklamní trubice

– úsporné zdroje světla – ( povrch trubice je pokryt světélkující vrstvou, která je buzena UV zářením výboje) – studené světlo, vyšší účinnost přeměny el.energie

na světlo.

[8] [7]

Použité zdroje:

SVOBODA, Emanuel aj.

Přehled středoškolské fyziky

. 4. upravené vydání. Praha: Prometheus, 2006. 515 s. ISBN 80-7196-307-0.

DOC.ING.IVAN ŠTOLL,CSC.

- Fyzika (pro netechnické obory SOŠ a SOU) Prometheus 2007, 260 s. ISBN 978-80-7196-223-6 učebnice s doložkou MŠMT čj.1 527/07-23 ze dne 2.4.2007

AKADEMIK VLADIMÍR HAJKO, PROF.RNDR.JURAJ DANIEL-SZABO, CSC

. - Základy fyziky VEDA 1983 (Bratislava)

Použité obrázky: [1] polovodiče typu P a N [online]. 3. 9. 2013 [cit. 3. 9. 2013]. Dostupný na http://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/obr/polo3.gif

[2] Elektrol ýza [online]. 3.9.2013. [cit. 3. 9. 2013]. Dostupný na http://dragonadam.wz.cz/obrazky/elektrolyza_cuso4_c.gif

[3] František Křižík [online]. 3.9.2013. [cit. 3. 9. 2013]. Dostupný na http://www.mestobechyne.cz/customers/bechyne/ftp/www/mesto/osobnosti/krizik.jpg

[4] Jiskrový výboj - blesk[online]. 3.9.2013. [cit. 3. 9. 2013]. Dostupný http://www.aldebaran.cz/astrofyzika/plazma/plasma/blesk.jpg

[5] Kulový blesk[online]. 3.9.2013. [cit. 3. 9. 2013]. Dostupný http://www.aldebaran.cz/astrofyzika/plazma/plasma/blesk.jpg

[6] Korónový výboj – oheň sv.Eliáše[online]. 3.9.2013. [cit. 3. 9. 2013]. Dostupný http://www.projektzare.cz/wp content/uploads/2012/02/eliasuv-ohen1.jpg

[7] Doutnavka [online] 3.9.2013. [cit. 3. 9. 2013]. Dostupný na http://pokusy.chytrak.cz/schemata/inframenic/doutnavka.jpg

[8] Neonová reklamní trubice [online] 3.9.2013. [cit. 3. 9. 2013]. Dostupný na http://www.neon reklama.cz/image.axd?picture=slider/bg12.jpg