Закон Джоуля-Ленца.. Механизмы проводимости твёрдых металлов, растворов и расплавов электролитов, газов, полупроводников.

Закон Джоуля-Ленца.

Счетчики электроэнергии в домах измеряют величину работы тока. Рассмотрим некоторый участок цепи, через который проходит ток. Он имеет некоторое падение напряжений, сопротивление и величину силы тока. Из основной формулы нахождения напряжения можно получить величину работы тока, которая будет равна произведению заряда на падение напряжения. Совместим формулы работы с формулой для нахождения заряда, получим:  . В тот момент, когда ток протекает по цепи, происходит выделение тепла, совершается работа, а также протекают некоторые химические реакции. Используя закон Ома, можно получить несколько формул для нахождения работы:   или  .

Во время протекания тока, выделяется некоторое количество тепла. То есть можно предположить, что вся работа тока идет на выделение энергии. Следовательно А = Q. Таким образом, для определения количества теплоты, которое выделяется при прохождении тока можно воспользоваться следующими формулами, которые описывают закон Джоуля-Ленца:

Диэлектрики не способны проводить электрический ток из-за отсутствия носителей зарядов. Все структурные частицы диэлектриков находятся в устойчивом положении в узлах решетки. Поэтому, если некоторый диэлектрик поместить в электрическое поле - никаких изменений не произойдет.

Электрический ток в газах. Газы являются плохими диэлектриками, которые при обычных условиях считаются плохими проводниками. Однако в результате ионизации, в газах появляются свободные носители зарядов. Ионизация может происходить в результате различных излучений или резких изменений других характеристик среды. Примером появления тока в газах является молния, корона на острых частях высоких деревьев, гор, пиков на сооружениях. В результате ионизации происходит коронный разряд, образованный полем между проводниками. Часто такой разряд можно встретить между высоковольтными проводами.

Полупроводники. Кроме основного разделения на проводники и диэлектрики, существует некие промежуточные вещества. Удельное сопротивление таких проводников такое же или даже меньше, чем у проводников. К данным видам материалов относятся германий, кремний и другие элементы. Данным веществам характерно уменьшения сопротивления вследствие повышения температуры или же освещенности. Это значит, что в обычном состоянии такие вещества ничем не отличаются от обыкновенных диэлектриков, но при соответствующих условиях становятся отличными проводниками. Изменение сопротивления вследствие изменения температуры графически можно представить следующим образом:

Из данной зависимости можно сделать вывод, что такое свойство особенным образом отличает полупроводники от проводников тем, что у вторых при повышении температуры сопротивление наоборот растет. Почему же меняются свойства во время увеличения температуры? Повышение температуры приводит к увеличению скорости частиц, что приводит к образованию свободных носителей. Основным отличием строения полупроводников является ковалентная связь атомов, которая является единственной причиной, по которой они удерживаются на своих местах в кристаллической решетке.

Строение кремния. Чтобы разобраться в проводимости кремния и других полупроводников, следует изучить их строение.

Каждый атом имеет четыре соседа, это объясняется тем, что элемент кремний  имеет валентность, равную четырем.

Каждый атом кремния имеет внешние 4 свободных электрона, к каждому из которых присоединяются аналогичные элементы. При этом, стоит отметить, что электроны способны свободно передвигаться и переходить к соседним атомам и становится его собственностью. Именно такое передвижение между соседними атомами и приводит к появлению тока. А чем выше температура, тем легче перемещаются электроны. Стоит отметить, что электроны не только способны ускорять свое движение в кристалле под действием температуры, но и начинается разрушение ковалентных связей. Чем больше таких связей разорвалось, тем больше становится значение электрического тока. Когда связь разрушается, а электрон выходит из своего места, там появляется дырка - это место, куда стремится попасть соседний электрон при наличии внешней силы. Когда электрон путешествует по полупроводнику, он переходит с одной дырки в другую, в результате чего дырка также перемещается. Если на полупроводник действует повышенная температура, то дырки и электроны блуждают в произвольном порядке, но когда полупроводник помещается в электрическое поле, дырки начинают двигаться в направлении, обратном напряженности.

Примеси. В результате введения дополнительных примесей в полупроводник, происходит изменение его свойств. В таком случае полупроводники будут иметь не только собственную проводимость, но и способность примесей проводить электрический ток. Например, если к четырехвалентному кремнию добавить мышьяк, который имеет валентность, равную пяти, то такое соединение будет иметь лишний электрон в кристаллической решетке. И к чему же приводит такой электрон? К появлению свободных носителей зарядов. В таком случае такой полупроводник будет иметь значительную проводимость даже при комнатной температуре, поскольку свободный электрон не имеет достаточной силы взаимодействия с кремнием, поэтому способен спокойно перемещаться по полупроводнику. Отличием такого соединения является то, что свободный электрон и его движение не сопровождается появлением дырки. Однако, как и прежде между атомами кремния связь разрывается и образуются так же электроны и дырки. Проводимость, при которой свободных электронов больше, чем дырок за счет примесей, называется донорной, а полупроводники получили название n-полупроводники.

Если два полупроводника, которые имеют различную проводимость привести в контакт, то на месте их разделения появится P-n-переход. На рисунке слева находится полупроводник, где преобладают дырки, а справа - электронная проводимость. В результате свободного движения одни носители перемещаются в другую часть полупроводника, что приводит к их смешению, однако в тех местах, где существует граница - остается заряд, что не был скомпенсирован. Если через полупроводники пропустить ток, то он будет способствовать движению частиц, что приведет к увеличению перехода, что способствует снижению проводимости. Если ток направить в обратном направлении, то ситуация существенно изменится. P-n-переход начнет уменьшаться, что приведет к увеличению проводимости. Таким образом, можно сделать вывод, что два полупроводника с различной проводимостью будет проводить ток только в одном направлении.

Такой принцип и строение используется в полупроводниковых диодах. На рисунке диод изображен таким образом, что ток может бежать слева направо, но ни в коем случае не в обратном направлении.