Физика. Орієнтовний розподіл навчального часу
 Скачать 3.21 Mb.
|
|
Тема. Різні види самостійного розряду Мета уроку: ознайомити учнів із видами самостійного розряду та їх технічним застосуванням. Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу. План уроку
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ 1. Іскровий розряд При дуже сильному електричному полі в повітрі виникають зиґзаґоподібні лінії, що дуже яскраво світяться. Це іскровий розряд. Його характерною ознакою є переривчастість.  Іскровий розряд у невеликих масштабах виникає, наприклад, у звичайних вимикачах, коли ми вимикаємо світло. А в гігантських масштабах — це блискавка. Головний її канал має діаметр від 10 до 25 см, а його довжина може досягати кількох кілометрів, причому сила струму в блискавці досягає декількох сотень тисяч ампер. Блискавка переважно влучає в місця, що мають гарну провідність. Так, ріка, сира глина, болотисті місця уражаються блискавкою частіше, ніж сухий пісок чи кам'янистий ґрунт. Тому під час грози небезпечно знаходитися у воді чи на березі.  Крім того, блискавка часто уражає відокремлений предмет, що стоїть на узвишші. Тому в грозу не можна підходити до високих предметів і блискавковідводів і тим більше тулитися до них. На застосуванні іскрового розряду засновані методи електроіскрової обробки металів. Потужні, потужнострумові розряди у водні були першими кроками на шляху до керованого термоядерного синтезу. 2. Коронний розряд За атмосферного тиску в газах, що знаходяться в сильно неоднорідному електричному полі (поблизу вістря, біля проводів ліній електропередачі високої напруги і т. ін.), спостерігається коронний розряд. У часи середньовіччя коронний розряд, що виникає на верхівках корабельних щогл, копій, алебард, називали вогнями святого Ельма. Яка ж їхня природа? Справа в тому, що у досить сильному полі йонізація електронним ударом відбувається вже за атмосферного тиску. Саме така ситуація виникає перед грозою чи під час грози. Але в міру віддалення від вістря поле швидко зменшується, тому далі від вістря електронна лавина не виникає. Коронний розряд застосовують в електрофільтрах для очищення повітря. Іони, зіштовхуючись з часточками диму, заряджають їх, після чого заряджені частинки притягуються до електродів й осідають на них. 3. Дуговий розряд Якщо вугільними електродами, до яких прикладена напруга в кілька десятків вольтів, доторкнутися один до одного, то в колі виникне великий струм. При цьому в місці контакту електродів (де опір максимальний) електроди нагріваються настільки, що з катода починають вилітати електрони. Це явище називають термоелектронною емісією. Завдяки термоелектронній емісії струм у повітрі не припиняється, і після роз'єднання електродів виникає самостійний розряд. Його називають дуговим розрядом. Температура при дуговому розряді досягає 6000 °С (така температура на поверхні Сонця). Дуговий розряд був відкритий 1802 р. російським фізиком В. В. Петровим.  Дуговий розряд використовують для електрозварювання металів. Значний внесок у розробку методів електрозварювання зробили українські вчені під керівництвом академіка А. Е. Патона — організатора й першого директора Інституту електрозварювання в Києві. 1876 р. російський інженер П. Н. Яблочков уперше застосував електричну дугу для освітлення. Дуговий розряд також використовують у прожекторах, проекційних апаратах і в маяках. У металургії широко застосовують дугові електропечі, джерелом теплоти в яких є дуговий розряд. У таких печах виплавляють сталь, чавун, бронзу й інші метали. 4. Тліючий розряд За низького тиску (близько декількох паскалей) виникає розряд, що називається тліючим. При зменшенні тиску газу відстань, яку пролітає електрон між послідовними зіткненнями, збільшується. Завдяки цьому навіть невелике поле встигає розігнати електрони між зіткненнями, так що електрони одержують енергію, достатню для йонізації атомів і молекул газу. Тліючий заряд використовують у люмінесцентних лампах і га-зонаповнених рекламних трубках. Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу ? Чому розрідження газу поліпшує його провідність? Чи за будь-яких умов це справедливо? ? Чому при менших густинах повітря електричний розряд відбувається при більш низьких напругах? ? Як потрібно змінити тиск газу, щоб тліючий розряд починався за меншої напруги? ? Наведіть приклади використання різних видів самостійного розряду. ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ 1. Якісні питання 1. Якої шкоди завдають іскри й електрична дуга ножам рубильників, контактам вимикачів, струмозйомникам трамваїв, тролейбусів та електропоїздів? Чому в альпіністів існує таке правило: під час ночівлі високо в горах усі металеві предмети потрібно класти подалі від табору? Як зміниться дуговий розряд, якщо сильно остудити анод? Катод? Про які фізичні явища йдеться в загадці: «Блисне, мигне, когось покличе»? 2. Навчаємося розв'язувати задачі Чому збільшення діаметра проводу у високовольтних лініях передач електроенергії призводить до зменшення втрат на коронний розряд? Що відбудеться з палаючою електричною дугою, якщо сильно остудити негативний електрод? Позитивний? Який фізичний зміст прислів'їв? а) У грозу парасолька не захист. б) Блискавка вдаряє у високе дерево. в) Від грози у воді не сховаєшся. г) Гроза застала в полі — сідай на землю. Напруга 40-50 В підтримує дуговий розряд у газовому проміжку. Іскровий розряд у тому самому проміжку вимагає напруги в кілька тисяч вольт. Поясніть цей факт. Що ми дізналися на уроці Види самостійного розряду: іскровий, коронний, дуговий, тліючий. На застосуванні іскрового розряду засновані методи електроіскрової обробки металів. Потужні, потужнострумові розряди у водні служили першими кроками на шляху до керованого термоядерного синтезу. Коронний розряд використовують в електрофільтрах для очищення повітря. Дуговий розряд використовують для електрозварювання, освітлення, плавлення металів. Тліючий розряд використовують для освітлення й реклами. Домашнє завдання Підр.: § 22. Зб.: № 11.13; 11.14; 11.30; 11.31. Урок 30/36 Тема. Електричний струм у напівпровідниках Мета уроку: сформувати уявлення про вільних носіїв електричного заряду в напівпровідниках і про природу електричного струму в напівпровідниках. Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу. План уроку
ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ 1. Що таке напівпровідники? Для того, щоб пояснити учням походження назви «напівпровідники» розглянемо спочатку таблицю питомих опорів (Ом · м за 20 °С):
Як видно з таблиці, питомі опори напівпровідників за кімнатної температури мають значення, що перебувають у широкому інтервалі, тобто від 10-3 до 107 Ом · м, і є проміжною ланкою між металами й діелектриками. ^ Напівпровідники — речовини, питомий опір яких стрімко зменшується з підвищенням температури. До напівпровідників належать багато хімічних елементів (бор, кремній, германій, фосфор, миш'як, селен, телур та ін.), величезна кількість мінералів, сплавів і хімічних сполук. Майже всі неорганічні речовини навколишнього світу — напівпровідники. 2. Носії зарядів у напівпровідниках За досить низьких температур і відсутності зовнішніх впливів (наприклад, освітлення чи нагрівання) напівпровідники не проводять електричний струм: за цих умов всі електрони в напівпровідниках є зв'язаними. Однак зв'язок електронів зі своїми атомами в напівпровідниках не такий міцний, як у діелектриках. І при підвищенні температури, а так само при яскравому висвітленні деякі електрони відриваються від своїх атомів і стають вільними зарядами, тобто можуть переміщатися через увесь зразок. Завдяки цьому в напівпровідниках з'являються негативні носії заряду — вільні електрони. ^ Провідність напівпровідника, обумовлену рухом електронів, називають електронною. Коли електрон відривається від атома, позитивний заряд цього атома стає нескомпенсованим, тобто в цьому місці з'являється зайвий позитивний заряд. Цей позитивний заряд називають «діркою». Атом, поблизу якого утворилася дірка, може відібрати зв'язаний електрон у сусіднього атома — при цьому дірка переміститься до сусіднього атома, а той атом, у свою чергу, може «передати» дірку далі. Таке «естафетне» переміщення зв'язаних електронів можна розглядати як переміщення дірок, тобто позитивних зарядів. ^ Провідність напівпровідника, обумовлену рухом дірок, називають дірковою. Таким чином, відмінність діркової провідності від електронної полягає в тому, що електронна провідність обумовлена переміщенням у напівпровідниках вільних електронів, а діркова — переміщенням зв'язаних електронів. У чистому напівпровіднику (без домішок) електричний струм створює однакову кількість вільних електронів і дірок. Таку провідність називають власною провідністю напівпровідників. 3. Домішкова провідність напівпровідників Якщо додати в чистий розплавлений кремній невелику кількість миш'яку (приблизно 10 %), після затвердіння утворюються звичайні кристалічні решітки кремнію, але в деяких вузлах решіток замість атомів кремнію будуть знаходитися атоми миш'яку. Миш'як, як відомо, п'ятивалентний елемент. Чотири валентних електрони утворюють парні електронні зв'язки із сусідніми атомами кремнію. П'ятому ж, валентному, електрону зв'язку не вистачить, при цьому він буде так слабко зв'язаний з атомом миш'яку, що легко стає вільним. У результаті кожен атом домішки дасть один вільний електрон.  ^ Домішки, атоми яких легко віддають електрони, називаються донорними. Електрони з атомів кремнію можуть ставати вільними, утворити дірку, тому в кристалі можуть одночасно існувати й вільні електрони й дірки. Однак вільних електронів буде значно більше, ніж дірок. ^ Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є електрони, називають напівпровідниками п-типу. Якщо в кремній додати невелику кількість тривалентного індію, то характер провідності напівпровідника зміниться. Оскільки індій має три валентних електрони, то він може встановити ковалентний зв'язок тільки з трьома сусідніми атомами. Для встанов лення зв'язку з четвертим атомом електрона не вистачить. Індій «позичить» електрон у сусідніх атомів, у результаті кожен атом індію утворить одне вакантне місце — дірку.  ^ Домішки, що «захоплюють» електрони атомів кристалічних решіток напівпровідників, називаються акцепторними. У випадку акцепторної домішки основними носіями заряду при проходженні електричного струму через напівпровідник є дірки. ^ Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є дірки, називають напівпровідниками р-типу. Практично всі напівпровідники містять і донорні й акцепторні домішки. Тип провідності напівпровідника визначається домішкою з більш високою концентрацією носіїв заряду — електронів і дірок. 4. Використання напівпровідників Широке використання напівпровідників обумовлене кількома причинами. По-перше, опір напівпровідників залежить від температури — зі збільшенням температури опір напівпровідників різко зменшується, тому сила струму в колі при цьому збільшується. Залежність опору напівпровідників від температури використовують у термо-резисторах (чи термісторах). Термістори використовуються для вимірювання температури, для підтримки постійної температури в автоматичних пристроях. По-друге, опір напівпровідників зменшується у випадку збільшення освітленості. Напівпровідникові прилади, у яких використовується властивість змінювати свій опір залежно від освітленості, називають фоторезисторами. Фоторезистори використовуються для вимірювання освітленості, для контролю якості поверхні тощо. По-третє, у місці контакту двох напівпровідників p- і п-типу спостерігається ряд цікавих явищ. Наприклад, електричний струм через такий контакт добре проходить в одному напрямку і практично не проходить у зворотному. Це явище називаєтя однобічна провідність. Властивості p-n-переходу використовують для виготовлення напівпровідникових діодів і транзисторів, без яких не обходиться жодний сучасний пристрій; фотоелементів, у яких енергія падаючого світла перетворюється в електричну енергію. Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу ? Чому опір напівпровідникових матеріалів залежить від температури? ? Як змінюється питомий електричний опір напівпровідників: а) при нагріванні; б) при освітленні? ? Чому опір напівпровідників суттєво залежить від наявності домішок? ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ 1. Якісні питання Як можна змінювати тип носіїв у напівпровіднику? Чому вимоги до чистоти напівпровідникових матеріалів дуже високі (у ряді випадків не допускається наявність навіть одного атома домішки на мільйон атомів)? Після введення в германій домішки миш'яку концентрація електронів провідності збільшилася. Як змінилася при цьому концентрація дірок? 2. Навчаємося розв'язувати задачі Яку провідність (електронну чи діркову) має кремній з домішкою галію? Індію? Фосфору? Сурми? Яка провідність (електронна чи діркова) буде в кремнію, якщо до нього додати фосфор? Бор? Алюміній? Миш'як? 3. Як зміниться опір зразка кремнію з домішкою фосфору, якщо ввести в нього домішку галію? Концентрація атомів фосфору і галію однакова. (Відповідь: збільшиться) Що ми дізналися на уроці Напівпровідники — речовини, питомий опір яких дуже швидко зменшується з підвищенням температури. Провідність напівпровідника, обумовлену рухом електронів, називають електронною. Провідність напівпровідників, обумовлену рухом дірок, називають дірковою провідністю. Домішки, атоми яких легко віддають електрони, називаються донорними. Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є електрони, називають напівпровідниками п-типу. Домішки, що «захоплюють» електрони атомів кристалічних решіток напівпровідників, називаються акцепторними. Напівпровідники, у яких основними носіями зарядів є дірки, називають напівпровідниками р-типу. Домашнє завдання Підр.: § 23. Зб.: рів1 — № 11.15; 11.16; 11.17; 11.32. рів2 — № 11.33; 11.34; 11.35; 11.48. Д.: підготуватися до самостійної роботи № 11. Задачі із самостійної роботи № 11 «Електричний струм у різних середовищах» Середній рівень а) Чиста дистильована вода і кам'яна сіль є ізоляторами. Чому ж розчин солі у воді є провідником? б) Рухом яких заряджених частинок створюється електричний струм у газах? а) Чим відрізняється електропровідність розчинів чи розплавів електролітів від електропровідності металів? б) Наведіть приклади практичного використання газового розряду. Достатній рівень а) У чому відмінність провідності газів при самостійному і не- самостійному розрядах? б) Визначте, яка маса алюмінію відкладеться на катоді за 10 год під час електролізу Al2 (SO4 )3, якщо сила струму через електроліт дорівнює 1 А. Електрохімічний еквівалент алюмінію дорівнює 0,093 · 10-6 кг/Кл. а) Як відрізняються за питомим опором провідники, напівпро- відники і діелектрики? б) У процесі електролізу з водяного розчину срібної солі виділилося 500 мг срібла. Який заряд пройшов через електролітичну ванну? Електрохімічний еквівалент срібла дорівнює 1,12 ·10-6 кг/Кл. Високий рівень Визначте масу срібла, що виділилося на катоді при електролізі азотнокислого срібла за 2 год, якщо до розчину прикладена напруга 2 В, а його опір 5 Ом. (k= 1,12 · 10-6 кг/Кл) Які витрати енергії на одержання 1 кг алюмінію, якщо електроліз солі алюмінію ведеться під напругою 5,5 В (k = 0,093 ·106 кг/Кл). Урок31/37 |