Проводники, полупроводники и диэлектрики. Их краткая характеристика и практическое применение.
Электрическое поле
1.Электрическая энергия, ее свойства, особенности и применение. Основные этапы развития отечественной электроэнергетики.
Электрическая энергия широко применяется во всех областях промышленности, сельского хозяйства, транспорта, автоматики, вычислительной техники, электроники, радиотехники и в быту благодаря своим уникальным свойствам:
а)не сложно передается на большие расстояния (на сотни и тысячи километров) с небольшими потерями;
б)она легко преобразуется в другие виды энергии (тепловую, механическую, химическую и др.). И наоборот, другие виды энергии (тепловая, ядерная, механическая и т.п.) преобразуются в электрическую;
в)легко дробится и распределяется по приемникам различной мощности (от десятков мегаватт до долей ватта);
г)легко контролируется различными электроприборами и регулируется электротехническими устройствами.
Замечательные свойства электроэнергии были замечены еще на заре развития науки и техники по изучению и использованию этого вида энергии. Так, например,
в 1802-1803 г.г. В.В.Петров открыл явление электрической дуги и указал на возможность использования ее электросварки и плавления металлов;
А.Г.Столетов в 1872 г. провел исследования магнитных свойств железа;
в 1876 г. П.Н.Яблочков изобрел электрическую свечу;
М.О.Доливо-Добровольский в 1888 г. изобрел трехфазную систему электрических цепей;
А.С.Попов в 1895 г. изобрел беспроволочный телеграф и построил первый радиоприемник;
начала работать в 1932 г. Днепровская ГЭС;
построена в 1954 г. первая в мире атомная электростанция;
построена в 1973 г. атомная электростанция на быстрых нейтронах (в г. Шевченко).
2.Развитие электротехники в Республике Беларусь.
Электротехника - это наука о производстве, передаче потреблении и использовании электрической энергии. Электрическая энергия - самый удобный вид энергии. Электроэнергию можно передавать на большие расстояния при помощи воздушных и кабельных линий с малыми потерями, использовать в больших и малых порциях - в двигателях мощностью в сотни киловатт и в микродвигателях с мощностью, равной долям ватта. Возможность применения автоматического и дистанционного управления работой электрических машин и аппаратов повышает функциональные возможности технологического и производственного оборудования, повышает производительность труда, а также культуру труда и быта.
Сегодня в Республике Беларусь работают:
- Лукомльская ГРЭС мощностью 2412 МВт;
- Березовская ГРЭС мощностью 1060 МВт;
- Белорусская ГРЭС мощностью 16,9 МВт;
- Гродненская гидроэлектростанция мощностью 18,6 МВт и 28 районных ТЭЦ, общая установленная мощность тепловых электростанций составляет 7718,8 МВт.
Кроме тепловых электростанций работают 26 малых гидроэлектростанций общей мощностью
12,1 МВт и 23 блок-станции промышленных предприятий установленной мощностью 184,43 МВт.
В настоящее время в Беларуси строится первая атомная электрическая станция недалеко от г.п. Островец.
В г. Могилеве успешно работает предприятие по выпуску электрических машин – завод «Электродвигатель», в Минске функционирует электротехнический завод, а г. Молодечно – завод силовых полупроводниковых вентилей и др.
3.Характеристики электрического поля: напряженность, потенциал, электрическое напряжение.
Любой покоящийся электрический заряд создает вокруг себя электрическое поле. Такое поле - это особый вид материи, в котором создается действие на электрические заряды. Если
в электрическое поле, которое создает какой-либо неподвижный заряд q1, поместить так называемый пробный заряд q2, т.е. такой заряд, величина которого настолько мала, что своим присутствием не может заметно изменить поле заряда q1, то на него, на этот пробный заряд q2, со стороны поля будет действовать сила F.
Действующая на пробный заряд q2 сила F зависит не только от величины заряда q1, который создает поле, но и от величины пробного заряда q2. Если брать различные по величине
пробные зарядыq2, то будут разными и силы F. Но для всех пробных зарядов отношение
F/q2,
будет одинаковым для данной точки поля. Это отношение является силовой характеристикой
электрического поля и называется напряженностью электрического поля E в данной точке:
E = F/q2.
Напряженностью электрического поля в данной точке называется физическая величина, которая численно равна силе, действующей на единичный заряд, находящийся в данной точке поля.
Электрическое поле для наглядности изображают силовыми линиями напряженности электрического поля.
Потенциал. Электрическое поле характеризуется не только своей напряженностью, но и потенциалом точки поля. Потенциал электрического поля в данной точке численно равен работе, которую выполнят силы этого поля при перемещении единичного заряда из этой точки в бесконечность (или в точку, потенциал которой считают равным нулю, т.е. Ф = 0):
Ф = А/q2.
За единицу потенциала принят 1В. Потенциал электрического поля в данной точке равен 1В, если при перенесении единичного заряда величиной в 1Кл из бесконечности в данную точку поля совершается работа в 1Дж. Есть и другое определение:потенциал поляв данной точке равен 1В, если заряд величиной в 1Кл, находясь в этой точке, обладает потенциальной энергией величиной в 1Дж. Электрическое поле, обладающее потенциалом в каждой точке, называют потенциальным.
На практикеважноезначение имеет не потенциал поля в точке, а разность потенциаловдвух точек поля. Эта разность потенциалов равна работе, которую совершают силы поля при перемещении единичного заряда между этими точками:
А = Ф1 - Ф2.
Эта работа и есть электрическое напряжение между двумя точками электрического поля (или электрической цепи).
В потенциальном поле такая работа не зависит от формы пути, по которому перемещается этот заряд.
Проводники, полупроводники и диэлектрики. Их краткая характеристика и практическое применение.
Все вещества в зависимости от электрической проводимости и зависимости этой проводимости от ряда физических факторов делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики (электроизоляционные материалы).
Проводники. Проводники - это вещества, которые характеризуются наличием в них большого количества носителей зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля. В качестве проводников чаще всего используют металлы, электролиты и плазмы. В металлах носителями зарядов являются электроны, которые свободно перемещаются между атомами. В электролитах носителями являются положительные и отрицательные ионы, а в плазме - свободные электроны и ионы. В металлическом теле проводника под действием внешнего электрического поля напряженностью Е свободные электроны перемещаются вдоль линии напряженности к одной из поверхностей тела проводника, которая получает отрицательный заряд. Тогда противоположная поверхность тела проводника получает такой же величины положительный заряд по закону сохранения заряда. Такое явление смещения зарядов на поверхности проводника, который помещен в электрическое поле, называют электростатической индукцией.
В результате разделения зарядов создается внутреннее электрическое поле Евн. Оно по направлению противоположно внешнему.
При равенстве напряженностей этих полей разделение зарядов прекращается и результирующая напряженность электрического поля внутри проводника равна нулю.
Диэлектрики. В диэлектриках количество свободных заряженных частиц чрезвычайно мало, поэтому направленным движением этих частиц (током в диэлектрике) можно пренебречь.
Различают диэлектрики с полярными и неполярными молекулами. Полярные молекулы можно представить в виде электрического диполя, т.е. пары разноименных зарядов, которые расположены на небольшом расстоянии друг от друга. При отсутствии внешнего электрического поля диполи ориентированы произвольно. При возникновении внешнего электрического поля диполи под действием его сил поворачиваются в направлении напряженности внешнего поля.
В неполярных молекулах внешнее поле смещает заряженные частицы вдоль направления поля, результате чего они приобретают свойства диполей. Ориентация либо смещение зарядов диполей под действием сил внешнего электрического поля называется поляризацией диэлектрика.
При снятии внешнего поля диполь занимает прежнее положение. Однако имеются такие диэлектрики, которые, будучи поляризованы внешним электрическим полем, сохраняют остаточную поляризацию (например, сегнетоэлектрики, электреты). Явление поляризации присуще только диэлектрикам. Величину, которая показывает, во сколько раз диэлектрическая проницаемость конкретного диэлектрика больше диэлектрической проницаемости воздуха, называют относительной диэлектрической проницаемостью (например, слюды – 4-6, фарфора – 5-8 и т.д.).
Полупроводники.Они имеют промежуточную проводимость между проводниками и диэлектриками. К полупроводникам относятся такие элементы, как кремний, германий, селен, окислы некоторых металлов и др. Для полупроводников характерны:
- сильное влияние примесей на электропроводность;
- сильная зависимость электропроводности от температуры;
- большая зависимость электропроводности от различных излучений;
- зависимость электропроводности от действия механических сил.
Явление возникновения в полупроводнике подвижных носителей зарядов (электронов и дырок) под действием температуры называют термогенерацией носителей зарядов. Под дыркой понимают заряженную частицу с положительным зарядом, который образовался вследствие недостатка электронов в атоме.
Электропроводность, вызванная в полупроводнике термогенерацией носителей зарядов, называется собственной электропроводностью. Свободные носители, перемещаемые по кристаллу, могут заполнить дырки. Этот процесс называется рекомбинацией. Таким образом, в полупроводнике идут два процесса: термогенерация и рекомбинация. В результате устанавливается равновесное состояние зарядов. Дополнительно к собственной проводимости добавляется еще и примесная проводимость, если в полупроводнике имеются примеси других веществ.
В качестве примесей используют трех- и пятивалентные элементы. Примеси замещают в кристаллической решетке атомы основного элемента. Пятивалентную примесь (мышьяк, фосфор, сурьма и др.) называют донорной. Эта примесь образует с соседними атомами четыре ковалентные связи. Оставшийся пятый валентный электрон имеет очень слабую связь. Она в десятки раз меньше ковалентной, поэтому под воздействием температуры он освобождается в первую очередь. Такой полупроводник называют полупроводником n-типа или полупроводником с электронной проводимостью.
Если в кристаллическую решетку ввести в качестве примеси трехвалентные элементы, называемые акцепторной примесью (например, бор, индий, алюминий и др.), то образуются незаполненные ковалентные связи. Незаполненная электроном связь образует на этом месте дырку.
Полупроводник с такой примесью называют полупроводником p-типаили полупроводником с дырочной проводимостью.
Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными. Неосновными называются носители заряда, концентрация которых меньше, чем концентрация основных носителей. Примеси перестают оказывать влияние на концентрацию носителей заряда при предельной температуре. Например, для германия она составляет 75 градусов, для кремния – 125 градусов по шкале Цельсия.
Дата добавления: 2016-05-25; просмотров: 11252;