Zdravím Nepřihlášený host!

Elektrický proud v látkách

Elektrický proud je uspořádaný pohyb volných částic s elektrickým nábojem uvnitř pevného, kapalného nebo plynného tělesa, popř. ve vakuu.

Látky obsahující volné nosiče elektrického náboje nazýváme vodiče. Jde např o kovy - obsahují volné elektrony, roztoky obsahující ionty (elektrolyty), ionizované plyny.

Elektrický proud je zároveň základní fyzikální veličina, obvykle ji značíme I a její jednotkou je ampér (A). Vodičem prochází proud 1 ampér, jestliže jím za 1 sekundu projde náboj o velikosti 1 coulombu:

Zákony elektrického proudu

Odpor vodiče

Pohyb elektricky nabitých částic je omezován prostředím vodiče - říkáme, že vodič klade průchodu proudu odpor. Ukazuje se, že poměr napětí, které způsobuje vznik proudu, a velikosti proudu je pro daný vodič charakteristické, nazývá se odpor vodiče.

Elektrický odpor vodiče je fyzikální veličina, která se značí R a její jednotkou je ohm .

Souvislost odporu vodiče, napětí na jeho koncích a procházejícího proudu vyjadřuje Ohmův zákon: Proud procházející vodičem je přímo úměrný napětí na koncích vodiče. Konstantou úměrnosti je převrácená hodnota odporu příslušného vodiče.

Elektrický odpor závisí na geometrických a materiálových vlastnostech vodiče:

R je odpor vodiče,  je materiálová konstanta (měrný elektrický odpor - lze pro různé vodiče najít v tabulkách), l je délka vodiče, S jeho průřez.

Práce konaná elektrickým polem

Elektrické pole koná při přenesení náboje Q mezi místy s napětím (rozdílem potenciálů) V práci W=Q.U, velikost náboje můžeme vyjádřit z velikosti proudi I a času t takto Q=I.t, pak pro práci konanou elektrickým polem platí W=U.I.t. Použitím Ohmova zákona můžeme tuto práci vyjádřit ve tvaru

Tato práce se může měnit na mechanickou práci/energii, světelnou, tepelnou energii ... Pokud nedojde při přenosu náboje k jiným přeměnám elektrické energie, přemění se tato práce na vnitřní energii vodiče - na tzv. Jouleovo teplo.

Polovodiče

Podle názvu se jedná o pevné látky stojící mezi vodiči elektrického proudu (kovy) a nevodiči elrktrického proudu (izolanty). Využívání polovodičů spadá do poloviny minulého století.

Zatímco v kovech je vodivost způsobena volnými elektrony, v polovodičích se musí vodivostní náboje vytvořit dodáním energie - tepelné, světelné, elektrické (na rozdíl od kovů u polovodičů s rostoucí teplotou roste počet volných nábojů a tím klesá elektrický odpor).

Rozlišujeme dva druhy polovodičů - vlastní polovodiče a příměsové polovodiče.

Vlastní polovodiče

Do této skupiny patří např. křemík, germanium, selen, telur, ... V těchto látkách jsou vazby mezi atomy v krystalické mřížce tvořeny dvojicemi elektronů (v chemii má taková vazba název "kovalentní"). Podaří-li se (dodáním energie) uvolnit elektron z této vazby, cestuje látkou jako nositel záporného náboje, zatímco místo, odkud byl uvolněn (a tedy tam chybí záporný náboj), se jeví jako částice s kladným nábojem - tzv. díra. Tuto díru může vyplnit některý ze sousedních elektronů - kladná díra se tím přesune.

 

Příměsové polovodiče

Přidáme-li do krystalické mřížky polovodivého prvku, jehož kovalentní vazbu tvoří např. čtyři elektrony, atom prvku s pěti vazebními elektrony, může se přebývající elektron lehce uvolnit od "svého" atomu a přidat se k ostatním, které vzniknou stejně jako u vlastního polovodiče - vzniká příměsový polovodič typu N (s negativní nosičem náboje).

Přidáme-li k polovodivému prvku, jehož kovalentní vazbu tvoří např. čtyři elektrony, atom prvku se třemi vazebními elektrony, může na volné místo v kovalentní vazbě přeskočit ze sousedství jiný elektron a zanechat "svůj" atom v podobě kladného iontu - kladně nabité díry po chybějícím elektronu - vzniká příměsový polovodič typu P ("nositelem" náboje jsou kladné díry).

 

Praktické užití polovodičů

Uvedeným způsobem dokážeme (na rozdíl od kovů, kde je jediný nosič náboje) připravit materiály se dvema druhy vodivosti - dvěma nositeli opačných nábojů.

Nejjednodušším využitím vlastností polovodičů jsou termistory a fotorezistory - využívá se toho, že velmi citlivě reagují na změnu teploty nebo osvětlení - snižuje se jejich odpor.

Nejjednodušším užitím kombinace polovodičů typu N a P je tzv. polovodičová dioda - usměrňovač elektrického proudu. Vzniká tak, že spojíme dva polovodiče typu N a P - připojíme-li takové zařízení ke zdroji střídavého napětí, bude při jedné polarizaci proud procházet - tzv. propustný směr, při opačné polarizaci proud neprojde - tzv. závěrný směr.

Propustný směr:

Závěrný směr:

Další polovodičové součástky jsou například fotodiody - mění energii dopadajícího světla na elektrickou energii, LED - světloemitující diody - s vysokou účinností mění energii elektrickou na světelnou, tranzistory - dokážou zesilovat elektrický proud.