14. Vedení elektrického proudu Číslo a název projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0619 OP: Vzdělávání pro konkurenceschopnost Zvyšování vzdělanosti pomocí e-prostoru Název a adresa školy Soukromá střední škola a jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Č. Budějovice, s.r.o., Jeronýmova 28/22, České Budějovice Kód materiálu Klíčová aktivita III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Název materiálu 14. Vedení elektrického proudu Autor Mgr. Miroslav Dušek Tematická oblast Fyzika – Elektřina a magnetismus Anotace Vzdělávací materiál je určen pro Obchodní akademii a Ekonomické lyceum Materiál obsahuje výklad k problematice vedení elektrického proudu v látkách. Ročník 2.ročník Obchodní akademie, Ekonomické lyceum Datum tvorby 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 – posun ve vodiči rychlostí mm /s Elektrony – volné z atomového obalu elektrické pole se rozšíří po celé délce vodiče velkou rychlostí = všechny elektrony ve vodiči se začnou pohybovat současně !!

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): křemík, selen, germanium Vodivé částice a) volné elektrony (elektronová vodivost) b) „díry“ + (děrová vodivost)

Vedení proudu v polovodičích Čisté polovodiče bez příměsí – vlastní polovodiče Příměsové polovodiče (ze III.nebo V.skupiny MPTP) – 1.donory (dárci) elektronová vodivost ( As, At, Pb) – polovodič typu N 2.akceptor (příjemce) – děrová vodivost (Al,Ga,In) – polovodič typu P 0,001% příměsi zvyšuje vodivost polovodiče tisícinásobně

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. [1]

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-vrstvě a přesouvat se k p-vrstvě křemíkového polovodiče. Tento přesun se nazývá průtok proudu a probíhá vždy od – do +.

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 – záporná – katoda, kladná - anoda

Využití vedení proudu v kapalinách Galvanické pokovování – přenos kladných iontů kovu solí kyselin na zápornou elektrodu (Au, Ag, Cu, Zn,…) 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=9,648.104 C.mol-1 ( Náboj, který vyloučí z roztoku 1mol látky ) 1.zákon: m = A.I.t = A.Q A…elektrochemický ekvivalent 2.zákon: F .. Faradayova konstanta z…množství náboje Mm..molární hmotnost

Elektrolýza [2]

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) nesamostatný – všechny ionty (vytváří vnější činitel) se uspořádaně pohybují a další nejsou k dispozici B) samostatný – energie iontů je tak vysoká, že sami tvoří další ionty nárazem na molekuly – počet iontů začne lavinovitě narůstat

Voltampérová charakteristika výboje v plynu In Un Uz In……nasycený proud Un…..nasycené napětí Uz…..zápalné napětí

Rozdělení výbojů Rozdělení podle tlaku, při kterém vznikají A) atmosférický tlak – obloukový, jiskrový, koronový 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 – dosud 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 nepředvídatelně. Trvá až desítky sekund – pak vyhasne nebo exploduje. [4] [5]

3. Korónový výboj – oheň sv 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 4. Doutnavý výboj – v nízkotlakých výbojkách ( skleněné trubice různého tvaru, plněné netečnými plyny za nízkého tlaku [6] Katoda Anoda

Využití doutnavého výboje 1) Doutnavky (signální) – tvar žárovky,plněny neonem – kontrola přítomnosti napětí ( např. el.sporák v kuchyni, žehlička apod.) 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. [7] [8]

DOC.ING.IVAN ŠTOLL,CSC. - Fyzika (pro netechnické obory SOŠ a SOU) 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] Elektrolýza[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