Застосування дугового розряду

1. Освітлення. наслідок високої температури електроди дуги випускають сліпуче світло (свічення стовпа дуги слабкіше, оскільки випромінююча здатність газу мала), і тому електрична дуга є одним з кращих джерел світла. Вона споживає всього біля 3 Вт на канделу і є значно економічнішою, ніж найкращі лампи розжарювання. Електрична дуга уперше була використана для освітлення в 1875 році російським інженером-винахідником П. Н. Яблочкіним (1847-1894) і дістала назву "Російського світла" або "північного світла". Одним з прикладів використання дугового розряду для освітлення можуть бути ксеонові освітлювачі фар сучасних автомобілів. В них світло створюється шляхом створення дугового розряду між двома електродами, які знаходяться в колбі, заповненій інертним газом ксеноном.

Ксенонові фари є практично "вічними", оскільки вони не перегоряють (перегорати ж нічому, адже ніякої нитки розжарення в колбі немає). Крім того, такі лампи випромінюють рівне біле світло, яке за своїм спектром близьке до сонячного, а значить очі менше втомлюються.

2. Електрозварювання.

Мал.24

У 1888 році російський учений і винахідник Славянов вперше у світі провів електрозварювання у присутності державної комісії. Відтоді пройшло вже більше сотні років, а основні принципи зварювання електродуги залишилися тими ж, хоча електрозварювання пройшло тривалий еволюційний шлях і отримало величезну кількість удосконалень.

Сьогодні електрозварювання застосовується повсемісно: в автомобільній галузі, авіабудуванні, суднобудуванні, будівництві та інших високотехнологічних галузях, наприклад при створенні космічних кораблів. Електрозварювання є процесом, при якому за рахунок тепла, що виділяється електричною дугою між електродом і поверхнею металу, метал починає плавитися. У деяких видах електрозварювання плавиться у тому числі і сам електрод. У результаті утворюється зварювальна ванна, яка через деякий час перетворюється на зварний шов. Важливо відмітити, що температура електричної дуги перевищує температуру плавлення усіх існуючих на сьогодні металів, а під час протікання процесу електрозварювання хімічний склад матеріалів не змінюється. Великий вклад в технологію електрозварювання вніс наш вітчизняний учений Є. О. Патон.

3. Ртутна дуга. Великий інтерес представляє ртутна дуга, що горить в кварцовій трубці, так звана кварцова лампа. Дугова розрядна ртутна лампа високого тиску є потужним джерелом ультрафіолетового випромінювання і застосовується в медицині, біології, техніці, сільському господарстві, медтехніці і т. д. Лампа являє трубку-колбу виготовлену з кварцового скла, на кінцях якої впаяні електродні вузли. Колба лампи наповнена дозованою кількістю аргону і ртуті, в парах якої і відбувається дуговий розряд. Лампа живиться від мережі змінного струму частоти 50 Гц з пускорегулювальною апаратурою.

Електричний струм у вакуумі. Що таке вакуум? Це така степінь розрідження газу,при якій співударів молекул практично немає (до 10^-13 мм рт.ст.) електричний струм в такому середовищі неможливий, тому, що наявна кількість іонізованих молекул не може забезпечити електропровідність. Створити електричний струм у вакуумі можна, якщо використати джерело заряджених частинок і створити у вакуумному просторі електричне поле, яке діятиме силою на заряджені частинки. Найбільш просто внести у вакуумний проміжок вільні електрони, які містяться в достатній концентрації у металах. Якщо метал нагріти до досить високої температури то його поверхня починає випускати електрони. Це явище термоелектронної емісії розглядалось нами у параграфі 60. Його виявив знаменитий американський винахідник Томас Алва Едісон у 1881 році. Проводячи різні експерименти з вугільними лампами розжарювання, він побудував лампу (мал.), що містила у вакуумі, окрім вугільної нитки К, що розжарювалась, ще металеву пластинку А від якої був виведений провідник Р.

Мал. Вакуумна лампа

Якщо з'єднати провідник через гальванометр з позитивним кінцем нитки, то через нього йде струм, якщо з'єднати з негативним, то струм не виявляється. Цей ефект був названий ефектом Едісона. А явище випускання електронів розжареними металами і іншими тілами у вакуумі або в газі було назване термоелектронною емісією.

Термоелектронна емісія нагадує процес випаровування рідини лише з тою відмінністю, що з нагрітого металу випускаються заряджені електрони, а з рідини – нейтральні молекули. Подібно тому як при випаровуванні рідин виконується від’ємна робота силами притягання молекул, при вилітанні електронів з поверхні металу виконується від’ємна робота силами кулонівської взаємодії з позитивними іонами металу. Цю роботу називають роботою виходу. Вона є величиною, що характеризує конкретний метал (як теплота випаровування характеризує властивості даної речовини). Робота виходу (А_вих) вимірюється в електронвольтах (еВ).

Вакуумний діод, його властивості та застосування. У 1904 році дослідження ефекта Едісона англійським ученим Флеміном увінчались винаходом електровакуумного діода.

Усередині балона з скла або металокераміки, з якого відкачане повітря, розміщено два електроди: металевий анод (А) і металевий катод (К). Анод має вигляд круглого або овального циліндра, і має загальну вісь з катодом. Катод має вид вертикального металевого циліндра, що покривається шаром оксидів лужноземельних металів з низькою роботою виходу електронів – барію, стронцію, кальцію. Такий катод називається оксидним. Катод нагрівається до температури, при якій виникає термоелектронна емісія.

Навколо катода при його нагріванні створюється електронна хмара.

Якщо підключити катод до позитивного полюса батареї, а анод – до негативного, то поле усередині діода зміщуватиме електрони до катода, і струму не буде (лампа запирається). Якщо ж підключити навпаки – анод до плюса, а катод до мінуса – то електричне поле переміщуватиме електрони у напрямку до анода (лампа відпирається). Цим пояснюється властивість односторонньої провідності діода.

Основна властивість вакуумного діода – одностороння провідність. Величина струму що протікає через вакуумний діод, підлягає закону «трьох других»: І ~U^3/2.

Запитання для самоперевірки:

1. Дистильована вода не проводить електричний струм. Чому вона стає провідником при розчиненні в ній солей, кислот, лугів?

2. Чому вольт-амперна характеристика електроліту не починається з початку координат?

3. Що називають електрохімічним еквівалентом речовини? Який фізичний зміст сталої Фарадея?

4. В якій математичній залежності знаходяться електрохімічний еквівалент речовини та її валентність.

5. Чому навколо електроліту, наприклад навколо розчину кухонної солі, немає електричного поля і він здається нам незарядженим, хоч всередині його є заряджені іони?

6. Чому опір розчинів електролітів залежить від температури?

7.Як відбувається іонізація газів?

8. Наведіть приклади іонізаторів газу.

9.Поясніть вольт-амрерну характеристику несамостійного розряду в газі.

10. Поясніть явище ударної іонізації.

11.Який розряд називають самостійним.

12. Приведіть приклади самостійних розрядів і поясніть умови їх виникнення.

Тема 7.4. Електричнийструм у напівпровідниках.(2 год.)

Мета: сформувати уявлення про вільні носії електричного заряду в напівпровідниках, вивчити природу струму в чистих напівпровідниках; з’ясувати механізм електропровідності напівпровідників при наявності домішок; ознайомити студентів з будовою та призначенням основних напівпровідникових приладів; систематизувати знання про застосування напівпровідників, розвивати інтерес до фізики і техніки.

План.

1) Природа електричного струму в напівпровідниках.

2) Власна електропровідність напівпровідників.

3) Електрична провідність напівпровідників при наявності домішок.

4) Електричний струм через контакт напівпровідників p- і n- типів.