Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

AZ ELEKTROMOS ÁRAM. AZ ELEKTROMOS ÁRAM TÖRTÉNETÉBŐL Stephen Gray (1670 - 1736) Newton tanítványa volt, ismerte Hawksbee eredményeit az elektromosság területén.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "AZ ELEKTROMOS ÁRAM. AZ ELEKTROMOS ÁRAM TÖRTÉNETÉBŐL Stephen Gray (1670 - 1736) Newton tanítványa volt, ismerte Hawksbee eredményeit az elektromosság területén."— Előadás másolata:

1 AZ ELEKTROMOS ÁRAM

2 AZ ELEKTROMOS ÁRAM TÖRTÉNETÉBŐL Stephen Gray ( ) Newton tanítványa volt, ismerte Hawksbee eredményeit az elektromosság területén. További kísérleteket végezve bebizonyította, hogy a töltések a vezetők felszínén helyezkednek el. (Egy tömör és egy üreges tölgyfakockát azonos mértékben feltöltött, azok pedig ugyanolyan erősségű töltést mutattak.) Az elektromos vezetést véletlenül fedezte fel: Egy üvegcsövet dugóval zárt le mindkét végén, hogy megóvja a portól, de amikor kívülről letörölgette, azt tapasztalta, hogy nemcsak az üvegcső, hanem a dugók is feltöltődtek. Ekkor további eszközöket illesztett a csőhöz, többek között kenderkötelet is, ami nedvesen vezeti az áramot. Az első vezeték, amit megépített 12 m hosszú volt, és az erkélyéről lógatta le.

3 Már régóta ismert volt a halászatból élő emberek számára, hogy bizonyos halfajták, a rája, a harcsa és az angolna egyes fajai furcsa ütésekkel bénítják meg áldozataikat. A tudósok számára ez hasonlított a leideni palack ütéseihez. Henry Cavendish ( ) angol fizikus igazolta a két jelenség azonosságát, és megfogalmazta az elektromosság intenzitását. Luigi Galvani (1737 – 1798) orvosként is érdekelte a jelenség, békákon kísérletezett. A feldarabolt, kipreparált békát olyan asztalra helyezte el, amelyen az elektromozó gépe is állt, és éppen működött. Az egyik segédje szikével véletlenül megérintette a béka egyik combidegét, ami összerándult. Egyik kísérlete közben összekötötte rézdróttal a békacombokat, de azok véletlenül az erély vaskorlátjához értek, ekkor nagy meglepetésére megismétlődött a jelenség. Galvai, tudtán kívül, megalkotta a nevéről ismert galván-elem ősét. Az áram igazi mibenlétét azonban nem ismerte fel, azt tartotta, hogy az elektromosság az életjelenségek indítéka.

4 Alessandro Volta ( ) Galvani eredményeit felhasználva továbbfolytatta a kísérletezést, de béka helyett önmagán. Egy fémdarabot tett a felső szemhéjára, egy másikat pedig a szájába vett. A két fémet összekötötte, ekkor fényes felvillanásokat látott, amit helyesen, a látóideg ingerlésének hatásával magyarázott. További kísérletében egy fémdarabot tett a nyelve közepére, majd a hozzárögzített sztaniolcsíkot a nyelve hegyéhez nyomta. Ennek eredményeként savanykás, földes ízt érzett, ami addig tartott, amíg a sztaniol vége a szájában volt. Kísérleteiből azt a következtetést vonta le, hogy az elektromosság nem az állatok testéből ered, hanem a jelenségek csak jelzik az áram jelenlétét. Arra is rájött, hogy az elektromos áram létrejöttéhez két különböző fémre és egy folyékony halmazállapotú vezetőre van szükség.

5 Galván-elemhez hasonló eszközt már kétezer évvel ezelőtt is készítettek, ennek bizonyítéka az Irakból előkerült egyik lelet a bagdadi elem. Egy 15 cm magasságú, agyagból készített vázát találtak, melyben szurokkal rögzített rézhenger volt, ennek belsejében pedig szurokdugóval rögzített vasrúd, melynek vége kb. 1 cm-re kiállt a dugóból. Más ásatásoknál is találtak ilyen eszközöket, itt még azt is ki tudták mutatni, hogy ezeket sorba kötötték. A vizsgálatok során az ép leletek egyikét 5%-s borecettel töltötték fel, amely 18 napig működött, 0,5 V feszültséget biztosítva.

6 Az elektromos áram elektromosan töltött részecskék áramlásából adódik. A részecskék lehetnek pozitív vagy negatív töltésűek. A töltések mozgását hasonlíthatjuk a folyadékok és a gázok áramlásához. Itt az áramcső a vezető anyag, az áramló részecskék pedig a töltések. Az elektromos áram erőssége a vezető valamely keresztmetszetén áthaladó  Q töltés és az áthaladás időtartamának  t hányadosa: Mértékegysége: 1 A az áramerősség, ha 1 C töltés 1 s alatt áramlik át a vezető adott keresztmetszetén. André-Marie Ampère (1775.– 1836.) francia fizikus, kémikus AZ ELEKTROMOS ÁRAM

7 ELEKTROMOS FESZÜLTSÉG, POTENCIÁL Egy tetszőlegesen választott viszonyítási ponthoz képest mért elektromos feszültséget elektromos potenciálnak nevezik. Két pont között az elektromos feszültség megadja, hogy mennyi munkát végez a mező egységnyi töltésen, míg a töltés az egyik pontból elmozdul a másikba. Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta ( ) olasz fizikus Egysége: J/C, röviden 1 V (Volt)

8 MI MOZGATJA A TÖLTÉSEKET? Az elektromos vezető egy olyan anyag, ami szabadon mozgó elektromosan töltött részecskéket tartalmaz. (fémekben: vezetési elektronok) Ezek eljutása az egyik helyről a másikra az elektromos áram. Az elektronok rendezett mozgásának létrehozásához „vezeték irányú” erőre (F) van szükség. A vezeték belsejében elektromos teret (E ) hozunk létre, akkor a a benne lévő szabad töltésekre (q) erő hat. F=E *q Ez az erő tartja mozgásban a töltéshordozókat. A vezető szakasz két vége között q töltést az elektromos tér E W=F*s munka árán mozgatja. A vezeték két vége között végzett munkából számíthatóan U=W/Q potenciálkülönbség van, mely U=E *s. Ez a potenciálkülönbség szükséges ahhoz, hogy a vezető szakaszban meginduljon a töltésáramlás. Tehát a feszültséget (U potenciál különbséget) tekintjük az elektromos áram (I )okának.

9 Korábban megállapítottuk, hogy a töltések mindig a kisebb potenciálú hely felé mozognak, ennek megfelelően tehát az áram iránya: megállapodás szerint a pozitív potenciálú hely felől, a kisebb, negatív potenciálú hely felé mutat. Mivel fémes vezetőben a negatív töltésű elektronok mozognak, így a tényleges mozgás iránya ellentétes a megállapodás szerintivel. AZ ÁRAM IRÁNYA

10 AZ ÁRAMKÖR Az áramkör lehetővé teszi az elektromos áram felhasználását. Olyan műszaki rendszer, amely egy vagy több áramforrásból, egy vagy több fogyasztóból és további áramköri elemekből áll. Az egyszerű áramkör részei: - áramforrás - fogyasztó - kapcsoló - összekötő vezeték. A vezetékkel összekapcsolt áramforrás és fogyasztó áramkört alkot.

11 AZ ÁRAMFORRÁS, AZ ÁRAM HATÁSAI Az áramforrás az áramkör elektron „pumpája”. Az áramkörben az elektronok folyamatos áramlását az áramforrás beiktatásával tartjuk fenn. Fajtái: kémiai (galván elem), elektromos (generátor) Fogyasztók: ellenállás, izzólámpa, elektromotor, Az áram hatásai: -vegyi hatás (vízbontás) - hőhatás - fényhatás (szikra, villám) - mágneses - élettani

12 MÉRÉSEK AZ ÁRAMKÖRBEN A feszültség mérő nagy belső ellenállású műszer, amely a rajta átfolyó áram erősségének függvényében tér ki. Mivel belső ellenállása állandó, a kapcsaira jutó feszültség ezzel az áramerősséggel egyenesen arányos, így skáláját a feszültségre is lehet kalibrálni. A voltmérőt a fogyasztóval párhuzamosan kapcsoljuk, így a műszerre is akkora feszültség esik, mint a mérendő ágra. Elektromos áramerősségmérő. Többnyire az áram hő- v. mágneses hatásán alapul a működése. A legfőbb jellemzője a kis belső ellenállás, mert ekkor nem változtatja meg számottevően a mérendő áramerősséget. Az ampermérőt sorba kapcsoljuk a fogyasztóval.

13 AZ ELEKTROMOS ELLENÁLLÁS Különböző fogyasztók különböző mértékben akadályozzák az elektronok áramlását. A fogyasztóknak azt a tulajdonságát, hogy akadályozzák a szabad elektronok áramlását, elektromos ellenállásnak nevezzük. Ha egy fogyasztót kétszer, háromszor nagyobb feszültségű áramforrásra kapcsolunk, a rajta átfolyó áram erőssége is kétszer, háromszor nagyobb lesz. Az anyagok elektromos vezetőképességének elnevezése a konduktancia, az ellenállás reciproka. Ernst Werner von Siemens német feltaláló és gyáralapító

14 Egy fogyasztón átfolyó elektromos áram erőssége egyenesen arányos a fogyasztó kivezetései között mért feszültséggel. Ez Ohm törvénye. A feszültség- és áramerősség-értékek hányadosa állandó: U/I Ez a mennyiség az elektromos ellenállás. Jele: R. Mértékegysége: ohm 1ohm=1V/1AJele: Ω R=U/I OHM TÖRVÉNYE Georg Simon Ohm (1787–1854) német fizikus Vezetőképesség:Mértékegysége:

15 A vezetékek ellenállása függ a vezeték anyagától, hosszától, és keresztmetszetétől: R= ρ *l/A ahol R a vezeték ellenállása (mértékegysége: Ω) ρ (ro) a vezeték anyagától függő „fajlagos ellenállás” (mértékegysége: Ωmm 2 /m; a fajlagos ellenállás 1 m hosszú és 1 mm 2 keresztmetszetű vezető ellenállása 20°C hőmérsékleten) l a vezeték hossza (m) A a vezeték keresztmetszete (mm 2 ) A VEZETŐ ELLENÁLLÁSA Változtatható ellenállás: potenciométer

16 ELLENÁLLÁS FÜGGÉSE A HŐMÉRSÉKLETTŐL A vezető ellenállásának változása arányos a hőmérséklet változásával és egy adott hőmérsékleten (általában 20°C ) mért ellenállásával. Tehát, ahol α a hőmérsékleti együttható, Mértékegysége:. Az áramerősség növekedésével növekszik az izzó hőmérséklete és ellenállása. Az izzólámpa izzószálának ellenállása növekszik a hőmérséklet növekedésével. Izzólámpa ellenállása A TERMISZTOR: az elektromos ellenállás hőmérséklet-függőségén alapszik. PTK és NTK félvezető ellenállás

17 ÁRAMKÖRI ELEMEK:

18 SZUPRAVEZETŐ Heike Kamerlingh-Onnes Nobel-díjas holland fizikus ismerte fel 1911-ben. Az abszolút nulla fok felett néhány fokkal hirtelen megszűnik néhány fém ellenállása. Azt a hőmérsékletet, amelyen bekövetkezik a szupravezetés, az adott fém ugráspontjának nevezik. ólom 7,2 K vanádium 4,89 K higany 4,173 K ón 3,729 K alumínium 1,197 K

19 AZ ELEKTROMOS MUNKA ÉS TELJESÍTMÉNY Az áramló elektromos töltések energiája a fogyasztón hő- fény- mechanikai, vagy vegyi energiává alakul át, munkát képes végezni. A fogyasztón U feszültség hatására t ideig I áram folyik, akkor a végzett elektromos munka: W = U*I*t Mértékegysége: J (joule) 1J munka = 1V*1A*1s Az elektromos teljesítmény: P = W/t = U*I*t/t = U*I Mértékegysége: W 1W = 1V*1A A fogyasztó ellenállásával kifejezve: P = I 2 *R == U 2 /R Az elektromos mező által végzett munka megegyezik a fogyasztó leadott hőmennyiségével.

20 AZ ELEKTROMOS FOGYASZTÓK Az elektromos készülékek használata közben bekövetkező energiaváltozást, elektromos munkát fogyasztásnak is szokás nevezni. A fogyasztás függ az időtől. Mértékegysége: kWh Fényét elektromos áram által felizzított volfrámszál adja, az izzószálat az üvegburában lévő semleges gáz vagy vákuum óvja meg a levegő oxidáló hatásától. Izzólámpa Thomas Alva Edison (1847. – 1931). amerikai elektrotechnikus, üzletember, feltaláló Az angol Humphry Davy 1809-ben alkotta meg az első szénelektródos ívlámpát.

21 ÁRAMFORRÁS Az áramforrás olyan eszköz, aminek két kivezetése közt tartósan feszültség mérhető. Az első áramforrás a Volta féle oszlop: Cink és vörösréz lapokból épített oszlop, köztük sóoldatba áztatott bőrkorongok. Kémiai energiát elektromos energiává alakít át. GALVÁNELEM Elemek - Akkumulátorok Savas ólom-akkumulátorok Nikkel-kadmium akkumulátorok (Ni-Cd) Nikkel-metál-hibrid akkumulátorok (Ni-MH) Lítiumion-akkumulátorok A nátrium-kén akkumulátor (Na-S)

22 AZ ELEKTROMOS FOGYASZTÓK KAPCSOLÁSAI Tartós elektromos áramot áramkörben hozhatunk létre. Az áramkör fő alkotórészei: áramforrás, vezeték, fogyasztó, kapcsoló. Az áramkörben körbeáramlanak a töltéshordozók, melyeket az áramforráson kívül az elektromos mező mozgat, az áramforráson belül pedig szembe mozognak az elektromos mező hatásával. Az áramkörre vonatkozó legfontosabb fizikai mennyiség az áramerősség (I), illetve az áramforrás vagy a fogyasztó sarkain lévő feszültség (U). Az áramforrás elektromos mezője mozgatja a töltéshordozókat a fogyasztón át, ahol különböző energiaátalakulások történnek. Fémes vezetőben az elektromos mező által felgyorsított szabad elektronok a fémrács ionjaival ütközve a vezető és a környezet felmelegedését okozzák.

23 A több fogyasztót tartalmazó áramkörökbe gyakori, hogy kettő vagy több fogyasztó áramleágazás nélkül kapcsolódik egymáshoz. Ilyenkor a fogyasztók (ellenállások) soros kapcsolásáról beszélünk. Soros kapcsolásnál a fogyasztókon átfolyó áram erőssége állandó (I 1 = I 2 ). Ezért kapcsoljuk sorosan a fogyasztóval az ampermérőt, így mindkettőn ugyanakkora az áramerősség. Az áramforrás feszültsége megegyezik a fogyasztók feszültségeinek összegével (U = U 1 + U 2 ). Az áramforrás feszültsége az ellenállások arányában oszlik meg a fogyasztókon. Az eredő ellenállást a részellenállások összege adja: R e = R 1 + R 2 AZ ELEKTROMOS FOGYASZTÓK SOROS KAPCSOLÁSAI R=U/I=(U 1 +U 2 )/I=U 1 /I+U 2 /I=R 1 +R 2

24 AZ ELEKTROMOS FOGYASZTÓK PÁRHUZAMOS KAPCSOLÁSAI A párhuzamosan kapcsolt fogyasztók feszültsége megegyezik (U = U 1 = U 2 ). A főágban folyó áram erőssége egyenlő a mellékágak áramerősségeinek összegével (I = I 1 + I 2 ). Párhuzamos kapcsolásnál az áramkör eredő ellenállását úgy kapjuk meg, hogy az ellenállások reciprok értékeit összeadjuk, majd vesszük az összeg reciprok értékét. Ha egy feszültségforrás két kivezetésére úgy kapcsolunk fogyasztókat, hogy egy-egy kivezetésük a feszültségforrás egyik és másik kivezetéséhez kapcsolódik, akkor a fogyasztókat párhuzamosan kapcsoltuk az áramkörbe.

25 AZ ELEKTROMOS FOGYASZTÓK VEGYES KAPCSOLÁSAI Ellenállás osztó, feszültségosztó, potenciométer alkalmazása: Wheatstone mérőhíd:

26 ELEKTROMOS FOGYASZTÓK KAPCSOLÁSAINAK GYAKORLATI ALKALMAZÁSAI Soros kapcsolás:

27 ELEKTROMOS FOGYASZTÓK KAPCSOLÁSAINAK GYAKORLATI ALKALMAZÁSAI Párhuzamos kapcsolás

28 VEZETÉSI JELENSÉGEK Elektromos áram folyadékokban Az elektrolitokban, a fémektől eltérően, nem az elektronok, hanem a pozitív és negatív ionok a töltéshordozók. Az elektrolitok (bázisok, savak, sók vizes oldatai)vezetik az elektromos áramot. Az oldódás során a molekulák ionokra bomlanak. Az áramforrás elektromos mezőjének hatására a pozitív ionok a negatív elektród (a katód), a negatív ionok a pozitív elektród (az anód) felé vándorolnak, az elektródokon semlegesítődnek és kiválnak.

29 Elektrolízis : Az elektródokon történő anyagkiválás. ELEKTROLÍZIS Ha az elektrolit oldatba két elektródot helyezünk, majd egyenáramot kötünk rá, az ionok az elektromos erőtér hatására az elektródok felé áramlanak. - a pozitív ionok vagy kationok az elektronfelesleggel rendelkező, negatív töltésű katód felé vándorolnak - a negatív ionok vagy anionok az elektronhiánnyal rendelkező, pozitív töltésű anód felé vándorolnak A víz elektrolízise során a katódon mindig hidrogén, az anódon pedig oxigén keletkezik, 2:1 arányban. Vízbontás:

30 GALVANIZÁLÁS: FÉMBEVONAT KÉSZÍTÉS

31 Különböző anyagú elektródok elektrolitba merülésekor áramforrás, galvánelem keletkezik. GALVÁNELEM Az elektrolízis alkalmas galvánelem előállítására. Ez történik az akkumulátorok töltésénél. Az akkumulátorok használatakor fordított folyamat játszódik le. Ilyenkor a töltés során az akkumulátorban felhalmozott kémiai energia visszaalakul elektromos energiává. Az elektródokon kiváló anyag mennyisége arányos az átáramló töltésmennyiséggel.

32 AZ ELEKTOLÍZIS FARADAY-FÉLE TÖRVÉNYEI Faraday első törvénye: Az elektródon kiváló anyag tömege arányos az elektroliton átáramló töltés mennyiségével: Az anyag elektrokémiai egyenértéke: K Az elektrolízis törvényeinek felfedezése a nagy angol kísérleti fizikus, Faraday nevéhez fűződik. Faraday második törvénye: Különböző anyagok elektrokémiai egyenértékei úgy aránylanak egymáshoz, mint egyenértéktömegeik. (M) és a (Z) hányadosa Michael Faraday ( ) angol fizikus és kémikus

33 Faraday: Az 1 mólnyi 1 vegyértékű anyag kiválasztásához C töltésmennyiség szükséges. ELEMI TÖLTÉS Elemi töltés: q=96500C/6,2 ⋅ =1,6 ⋅ 10 −19 C Az elemi töltés pontos és közvetlen mérése Robert A. Millikan amerikai fizikus nevéhez fűződik (1909.) Robert A. Millikan (1868–1953) amerikai fizikus Valamennyi olajcsepp töltése az q=1,6 ⋅ 10 −19 C egész számú többszörösének adódott. Kondenzátorlemezek közé porlasztással olajcseppeket juttatott, melyek feltöltődtek. m*g-F f =E*Q

34 ELEKTROMOS ÁRAM GÁZOKBAN A gázok normál körülmények között jó szigetelők, mert töltéshordozókat csak kis számban tartalmaznak. A levegő is jó szigetelő, nagyfeszültségű távvezetékek szigeteletlen vezetékkel vannak építve. Anyag megnevezése E [kV / cm] Levegő21 Száraz papír25-40 Titánoxid Alumíniumoxid Transzformátor olaj PVC Polietilén200 Polisztirol Átütési szilárdság:

35 A villám keletkezése a felhők vízcseppjeinek, jégkristályainak súrlódására, széttöredezésére vezethető vissza. A tulajdonképpeni villámot elővillám vezeti be, amely több lépésben ionizálja a levegőt, és így egyre nagyobb szakaszát vezetővé teszi. A VILLÁM A kisülésben szállított töltésmennyiség mindössze 1-2 C, a rövid ideig tartó kisülési időtartam alatt amperes áramerősség lép fel. A villám sebessége 180 km/s. A hőmérséklet elérheti a K-t. Élettani hatása: Villámcsapás esetén az áramütés csak 10-20%-ban halálos, ha van a közelben életmentésre alkalmas személy, aki azonnal beavatkozik. Hallás- és látászavarok lépnek fel és akár órákig is eltarthatnak. áramjegy

36 Elektromos áramot gázokban csak akkor tapasztalhatunk, ha a gázba kívülről töltéseket viszünk, vagy magában a gázban olyan folyamatokat hozunk létre, amelyek töltések kialakulásához vezetnek. GÁZKISÜLÉS Ha a töltött részecskék kívülről érkeznek a gázba és a vezetés külső hatásra megy végbe, akkor nem önálló vezetésről beszélünk. Amennyiben a töltött részecskéket maga a vezetési folyamat hozza létre, akkor önálló vezetésnek nevezzük a jelenséget. A gázkisülés gyakorlati alkalmazásai között a spektrál-lámpák a fénycsövek és a ködfénylámpák a legismertebbek. Különleges körülmények között közönséges nyomású gázokban is kialakulhat önálló vezetés. Ilyen az ív-, a szikra- és a korona kisülés.

37 GÁZKISÜLÉS LÉGRITKÍTOTT TÉRBEN (VÁKUUM) Az erős vákuum igen jó szigetelő, azonban ha elektródokat vezetünk egy olyan csőbe, amelyben erős vákuum van, és az elektródokon keresztül töltéshordozókat juttatunk a ritkított gáztérbe, akkor vezetést tapasztalhatunk. A gázok áramvezetése akkor válik jelentőssé, ha bekövetkezik az úgynevezett ütközési ionizáció. Az elektromos tér a töltéshordozókat annyira felgyorsítja, hogy azok a semleges atomokkal, molekulákkal ütközve ion-elektron párokat keltenek. Az ütközési ionizáció lavinaszerű folyamat, amely biztosítja a töltéshordozók utánpótlását. Ez önfenntartó folyamat. Ritkított gázokban az ütközési ionizációt változatos fényhatások kísérik.

38 Az ütközéseknél a gázrészecskék elektronjait magasabb energiájú (gerjesztett) állapotba hozzák, amelyből azok fénykibocsátással kerülnek vissza alapállapotukba. A kibocsátott fény színe függ a gáz anyagi minőségétől. A gázok áramvezetésének gyakorlati alkalmazásai általában a fényhatásokkal függenek össze. Reklám fények: neon lámpák. Kisülési csősorozat: balról jobbra csökken a nyomás: ÜTKÖZÉSI IONIZÁCIÓ

39 TERMIKUS EMISSZIÓ A zárt csőbe nyúló negatív fémelektródot (katódot) elektronkibocsátásra kényszerítjük. A fémek kristályrácsában szabadon mozgó elektronok kötődnek a fémekhez, ezért a fémkatód is csak valamilyen energiabefektetés hatására bocsát ki elektronokat. Katód izzítása: termikus emisszió. A termikus elektronemissziót felfedezőjéről Edison-hatásnak is nevezik (1883). Ilyen elven működő katódsugárcsövet tartalmaz a tv-készülék, de ezt az elvet használták az elektroncsöveknél is.

40 FOTOEMISSZIÓ A fény hatására lépnek ki elektronok a katódból. Ez történik például a fotocellánál, amely elektromos áram fénnyel történő vezérlésére használható. Fémbe ütköző felgyorsított töltéshordozók is lökhetnek ki elektronokat, és így lehetnek erősebb elektromos áram elindítói. Így működik például a fotoelektron-sokszorozó.

41 ELEKTROMOS ÁRAM FÉLVEZETŐKBEN Félvezetők, olyan kristályos szilárd anyagok, amelyeknek fajlagos elektromos vezetése (kb ohmcm) kevesebb mint a fémeké és több, mint a szigetelőké, és amelyekben a vezetést elektronok (tehát nem ionok) közvetítik. A külső körülmények (hőmérséklet, fényviszony,...) változásával a változik a félvezetők vezetőképessége. Elemi félvezetők: szilícium (Si) vagy a germánium(Ge), Vegyület-félvezetők: pl. a gallium-arzenid (GaAs), indium- antimonid (InSb) Alacsony hőmérsékleten a félvezető szigetelőként viselkedik, de szobahőmérsékleten sajátvezetésük van.

42 SAJÁTVEZETÉS Sajátvezetés: A vezetésben a negatív és a pozitív jellegű töltéshordozók (a szabad elektronok és a lyukak) egyenlő mértékben vesznek részt. A hőmérséklet emelkedésére elektronok lépnek ki a kristályt alkotó atomok közötti kötésekből. Ezek az elektronok a kristályban szabad elektronokká válnak. A szabaddá vált elektronok helyén elektronhiány, más néven lyuk marad. Ha tehát feszültséget kapcsolunk a kristályra, abban áram jön létre, a kristály vezet.

43 Ha a kristályba akceptor v. donor jellegű szennyező atomokat juttatunk be, akkor ennek kettős következménye lesz: -megnövekedik a kristályban a szabad töltéshordozók száma, ezzel együtt a kristály vezetőképessége is változik. -a szennyezés jellegétől függően túlsúlyba jutnak az egyik fajta szabad töltéshordozók Ha a szabad elektronok jutnak túlsúlyba, a vezetés negatív típusúvá, n- típusúvá válik. Ha a lyukak jutnak túlsúlyba p- típusú vezetés.

44 FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK Egyrétegű félvezetők: termisztorok, fotóellenállások A vegyértékelektronok kötődése gyenge, így már alacsony hőre vagy fény hatására egyes elektronok elszakadnak, és szabad elektronokként mozognak tovább. Ezzel megváltozik a félvezető eszköz ellenállása. Fotóellenállás: Fény érzékelésére alkalmas ellenállás. A beeső fény változtatja az ellenállás értékét és a változás áramkör segítségével elektromos jellé alakítható. A fényerő növelésével az ellenállás értéke csökken. Nem lineáris. Termisztor: A hőérzékelésre, hőmérséklet mérésére használatos NTK-ellenállás. Negatív hőmérsékleti koeficiensű.

45 FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK Ha a kristály egyik részét p-típusúvá, másik részét n-típusúvá szennyezzük, akkor a kristályban létrejövő p-n átmenet diódaként viselkedik. Kétrétegű félvezető. Dióda

46 DIÓDÁK FAJTÁI Dióda: félvezető, amely az áramot csak egyik irányban engedi át Fotodióda: Fény hatására a zárórétegben a belső fényelektromos hatás miatt töltéshordozók szabadulnak fel, a fotodióda vezetővé válik. A fotodióda külső feszültség nélkül fényelemként működik. LED: A világító dióda félvezető anyagból készült fényforrás. A dióda által kibocsátott fény színe a félvezető anyag összetételétől, ötvözőitől függ. Zener-dióda: feszültségstabilizáló dióda, melynél a PN átmenet azon tulajdonságát használják ki, hogy a zárófeszültség állandó a kivezetések között.

47 FÉLVEZETŐ ESZKÖZÖK Háromrétegű félvezetők: A tranzisztor egy 3 rétegű félvezető, melynek tulajdonsága, hogy változik az ellenállása a bázison folyó áramtól függően. 3 érintkezője: kollektor (C), bázis (B), emitter (E). PNP ill. NPN tranzisztorok Jellemző felhasználásai az elektromos jelerősítés, jelek ki-be kapcsolása.

48 A nyitott emitterdiódán az emitter és bázis közé kapcsolt feszültségtől függő áram folyik, az emitterből a bázisba kerülő töltések zöme azonban (a kialakuló töltésviszonyok miatt) a kollektoron át távozik, a bázisáram csekély. A kollektoráram és a bázis egyenáram viszonyát B-vel (h21E) jelölik, ez a tranzisztor áramerősítése. A TRANZISZTOR MŰKÖDÉSE A tranzisztor két működési módja: analóg (erősítő) vagy kapcsoló A bázisáram változtatásával elérik, hogy a kollektoráram annak ß-szorosával változzon: így hasznosítható a tranzisztor áramerősítése. Kapcsoló üzemben a kollektor szakadásként viselkedik, nem folyik rajta áram, ha az emitterdiódát nem nyitják ki, azaz a rákapcsolt feszültség kisebb a szükséges nyitófeszültségnél.

49 INTEGRÁLT ÁRAMKÖR Félvezető lapkán (esetleg lapkákon) kialakított nagyon kis méretű áramkör. Tipikus alkatrésze az integrált tranzisztor. SSI (Small-Scale Integration): kisebb integráltságú elemek; egy-egy részfeladatra készülnek. logikai kapuk MSI (Medium-Scale Integration): közepes integráltságú elemek; bonyolultabb feladatok megoldására készültek. Például Léptető regiszter,multiplexer LSI (Large-Scale Integration): nagy integráltságú elemek; komplex feladatok ellátására készültek; például szorzók VLSI (Very-large-scale integration): nagy integráltságú elemek; Jellemzőjük, hogy univerzálisan alkalmazhatóra tervezték őket, azaz nem egyetlen részfeladat elvégzésére. Tipikus képviselője: mikroprocesszor


Letölteni ppt "AZ ELEKTROMOS ÁRAM. AZ ELEKTROMOS ÁRAM TÖRTÉNETÉBŐL Stephen Gray (1670 - 1736) Newton tanítványa volt, ismerte Hawksbee eredményeit az elektromosság területén."

Hasonló előadás


Google Hirdetések