2.1 Атомне будова речовини. Електрон і його властивості.
2.2. Енергетичні діаграми різних речовин. Розподіл речовин на провідники, напівпровідники, діелектрики.
2.3. Робота виходу електронів. Види електронної емісії.
2.4.Двіженіе електронів в електричному і магнітному полях.
Електронні, іонні і напівпровідникові прилади можна класифікувати за різними ознаками. Уже в самих назвах цих приладів укладена класифікація їх за характером токопрохождения. Так, Електронними Називаються електровакуумні прилади, в яких проходження струму обумовлено рухом електронів у вакуумі; Іонними Називаються прилади, в яких проходження струму викликано рухом електронів та іонів у середовищі розрідженого газу; Напівпровідниковими Називаються прилади, в яких проходження струму пов'язано з рухом електричних зарядів в твердому тілі.
Електронні, іонні і напівпровідникові прилади можна класифікувати також за характером перетворення енергії, за їх призначенням, конструктивними особливостями, експлуатаційним даними (по робочому діапазону частот, потужності і т. Д.).
Найбільш важливим класифікаційним ознакою є характер перетворення енергії, що визначає практичне застосування приладу. розрізняють:
1. електропреобразовательних прилади, що забезпечують перетворення електричної енергії одного виду в електричну енергію іншого виду. До таких приладів відносяться електронні, іонні і напівпровідникові випрямні прилади, призначені для перетворення змінного струму в постійний; генераторні прилади, які перетворять постійний струм в змінний або змінний струм однієї частоту в змінний струм іншої частоти.
2. електроосвітлювальні прилади, що забезпечують перетворення електричної енергії в світлову (лампи розжарювання, газосветние лампи).
3. Фотоелектричні прилади, що перетворюють світлову енергію в енергію електричного струму.
4. Електроннопроменеві і Електронноскопіческіе прилади, що дозволяють здійснювати взаємне перетворення електричних сигналів і сигналів видимого зображення. Промисловість випускає також ряд допоміжних електронних, іонних і напівпровідникових приладів, призначених для стабілізації вихідної напруги або струму в навантаженні, для захисту апаратури від перенапруг і т. Д.
Атом (по-грецьки «неподільний») являє собою найменшу частку хімічного елемента, що володіє властивостями цього елемента. Всі відомі хімічні елементи приведені в таблиці Д. І. Менделєєва, що відбиває особливості та фізико-хімічні властивості атома.
У 1913 р датський вчений Бор, скориставшись квантової теорії випромінювання, введеної в науку німецьким вченим Планком, запропонував теорію будови атома. Теорія Бора ґрунтується на ряді припущень, сутність яких полягає в тому, що атом будь-якого хімічного елемента складається з важкого ядра, що має позитивний заряд (атомне ядро містить протони і нейтрони), навколо якого обертаються електрони по цілком певним стійким орбітах. При цьому електрони не випромінюють енергії.
Атом містить однакове число протонів і електронів. Порядковий номер елемента в таблиці Менделєєва відповідає числу електронів, а отже, і числу протонів, що містяться в даному атомі. Розміри атома обчислюються в ангстремах (1 А = 10 "8 См). Сума позитивних і негативних зарядів атома дорівнює нулю, тому він електрично нейтральний.
Теорія Бора, яка визначає структуру атомів, зв'язок між ними, сприяла розкриттю законів спектроскопії і поясненню механіки випромінювання. Однак пізніше було встановлено, що закони механіки Ньютона не визначають руху електронів в атомі (так як електрони мають дуже малу масу). Своєрідне рух електронів в атомі в даний час пояснюється квантової (хвильової) механікою, яка стверджує, що закони руху електронів в атомі мають багато спільного з законами поширення хвиль.
З. теорії квантової механіки випливає, що для електронів стійкими є лише цілком певні орбіти. Під терміном «стійка орбіта» в хвильової механіки розуміють сферу, навколишнє ядро, в якій найчастіше знаходиться електрон, що рухається. Швидко обертається електрон утворює навколо ядра «розмазати» хмара негативного електричного заряду. При цьому найбільшу його щільність має сфера, відповідна «головному квантовому числу». Головне квантове число визначає рівень енергії даної орбіти і її віддаленість від ядра. Так, наприклад, кульова сфера електрона атома водню з головним квантовим числом, рівним одиниці, визначається радіусом г = 0,53 А (що відповідає радіусу першої орбіти по Бору).
Таким чином, в загальному випадку електрони, що обертаються навколо ядра атома, утворюють ряд сферичних оболонок з максимальною щільністю електричного заряду, що знаходяться на певній відстані від ядра. На кожній оболонці атома розташоване певне число електронів, причому електрони, що знаходяться на внутрішніх оболонках, більш міцно пов'язані з ядром, ніж електрони зовнішньої оболонки. Під впливом зовнішніх факторів-впливу електричних і магнітних полів, зіткнень з іншими атомами і т. Д. - нейтральний атом може стати або позитивним іоном (внаслідок втрати електронів), або негативним іоном (після приєднання електронів).
Електрони можуть переходити з однієї оболонки на іншу, т. Е. З одного енергетичного рівня на інший. Для переходу електронів з оболонки, ближче розташованої до ядра, на більш віддалену оболонку необхідно затратити енергію. Коли ж електрон повертається на свою колишню орбіту, то, навпаки, виділяється енергія у вигляді електромагнітних коливань певної частоти. При цьому випромінюється один квант (фотон) світла. Чим більше частота випромінюваного світла, тим більше енергія фотона.
Електрон являє собою елементарну негативно заряджену частинку. Його заряд Е = 1,6х10 "19 / с, маса Т = 9,1 -10" 28 Г. Ставлення заряду електрона до його маси одно 1,8-108 К / г.
Ніяка інша з відомих в даний час частинок не має такого великого відношення заряду до маси. Тому електрон володіє найбільшою рухливістю. При зближенні двох електронів діють сили відштовхування, причому вони тим більше, чим менше відстань між електронами. Під дією електричного поля електрони починають рухатися в напрямку, протилежному напрямку силових ліній електричного поля. Потік електронів, що рухаються утворює електричний струм. Цей потік, подібно електрічёскому току в провіднику, створює магнітне поле.
Електрон в русі має кінетичної енергією. При досить великій швидкості руху кінетична енергія електрона може виявитися достатньої для іонізації сусідніх атомів. При зіткненні рухомого електрона з нерухомим тілом його кінетична енергія перетворюється на теплову.
Рух електронів в твердому тілі
В металевих провідниках електрони, розташовані на зовнішніх енергетичних рівнях атома (валентні електрони), легко відриваються від ядра і вільно блукають по всій масі металу. Ці вільні електрони відрізняються великою рухливістю і знаходяться в стані хаотичного (теплового) руху, рухаючись у всіляких напрямках зі швидкостями, що доходять до мільйонів метрів в секунду.
Число вільних електронів в одиниці об'єму металу дорівнює кількості атомів в одиниці об'єму, помноженому на валентність даного металу. В одному кубічному сантиметрі металу міститься n • 1023 вільних електронів (п - валентність металу).
Кристалічна решітка металу побудована з іонів, тепловий рух яких проявляється в невеликих коливаннях навколо положень рівноваги. Зі збільшенням температури теплові коливання іонів посилюються і амплітуди їх коливань збільшуються. Навпаки, з пониженням температури теплові коливання зменшуються.
Електричний струм в металі виникає внаслідок спрямованого упорядкованого руху вільних електронів під впливом електричного поля. Позитивні іони, що мають велику масу, в цьому направленому русі не беруть участь, і, отже, проходження струму в провіднику не супроводжується перенесенням речовини провідника.
Збільшення швидкості спрямованого руху електронів в металі може бути досягнуто за рахунок збільшення напруженості електричного поля. Однак середня швидкість направленого руху електронів багато менше теплової швидкості хаотичного їх руху і оцінюється десятими частками метра в секунду. Швидке виникнення струму в лініях великої протяжності пояснюється великою швидкістю поширення електричного поля, яке миттєво приводить у рух вільні електрони по всій лінії передачі. Кількість вільних електронів визначає електричні властивості металу. Чим більше вільних електронів, тим більше питома електропровідність - величина, зворотна питомому опору.
Рух електронів в електричному і магнітному полях
Якщо два плоских, паралельно розташованих електрода помістити в вакуум і підключити до джерела електрорушійної сили, то в просторі між електродами утворюється електричне поле, силові лінії якого будуть прямолінійні, паралельні один одному і перпендикулярні до поверхонь обох електродів.
На рис. 1 буквою А Позначений електрод, підключений до «+» батареї ЕБ, А буквою К - електрод, підключений до «-» батареї ЕБ. Якщо в таке електричне поле помістити заряд-Е, Чи не міняє конфігурацію поля, то на цей заряд буде діяти сила Р> Рівна твору напруженості поля Е На величину заряду -Е:
Знак мінус свідчить про те, що сила F, що діє на негативний заряд -е, І напруженість поля Е Мають протилежні напрямки.
Для однорідного електричного поля твір його напруженості Е На відстань між електродами H одно прикладеної різниці потенціалів між електродами:
Де UК і Uа потенціали електродів до і а.
Сила F, що діє на електрон, поміщений в прискорює однорідне електричне поле, з урахуванням формули (1) буде визначатися виразом
Рис.1. Рух електрона в однорідному електричному полі.
Робота, що здійснюється полем при переміщенні електрона від одного електрода до іншого, відповідно буде дорівнює
Електрон набуває кінетичну енергію і буде рухатися від електрода До До електроду а рівномірно прискорено. Швидкість V, С якої електрон досягає електрода а, може бути визначена з рівності
Де Т - маса електрона;
Vа - швидкість електрона у електрода А;
VК - швидкість електрона у електрода К (початкова швидкість).