江苏省南京物理竞赛讲义-12.6物质的导电性

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12.6物质的导电性

一、金属导电

1、电流强度的微观表达式

在加有电压的一段粗细均匀的导体AD上选取截面C,设导体的横截面积为S。导体每单位体积内的自由电子数为n,每个电子的电荷量为e,电荷的定向移动速率为v

在时间t内,处于相距为vt 的两截面B、C间的所有自由电荷将通过截面C 。

在时间t内通过导体某截面的电

量为:

Q = (vtS) ne

形成的电流为:

I = Q = neSv

二、液体导电

1、液体金属导电

与金属导电类似

2、溶液导电

法拉第电解定律(参考黑皮的讲解)

三、气体导电

1、一般情况下,气体不导电。

2、气体导电分自激放电和被激放电。

被激放电是指有其他物质作为电离剂促使空气电离。

自激放电是由于碰撞产生离子,离子在强电场中高速运动,将其它气体分子撞散,产生新的离子,从而发生类似核裂变的连锁反应。

自激放电包括:

(1)辉光放电:空气稀薄,分子间距大,离子动能大,易碰撞产生新的离子。

(2)火花放电:由于电场非常大,离子动能大,易碰撞产生新的离子。

(3)弧光放电:由于温度高,离子动能大,易碰撞产生新的离子。

(4)电晕放电:原理与火花放电类似,也是电场很强。但火花放电是两个带电体之间的,而电晕放电是一个高电压导体表面进行放电,电流较小。

四、半导体

1 、半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。

纯净的半导体经常由硅晶体制成。

半导体通常具有热敏和光敏特性,即温度升高,电阻率减小,光线照射,电阻率减小

2、半导体的掺杂

掺入三价硼,缺少电子,形成空穴。(P型半导体)

掺入五价磷,多余自由电子。(N型半导体)

空穴和自由电子均可导电(载流子),增强了半导体的导电性。

3、二极管

一个半导体左右掺入不同杂质,一边为P型,另一边为N型。

在中间的结合部会形成“PN结”。

在中间,左右的空穴和自由电子进行复合,从而形成无载流子的“空间电荷区”。因此,可以看成中间变为绝缘体。

在二极管两端加电场:

(1)P连正极,N连负极。左边提供正电荷,右边提供负电荷,使空间电荷区变窄甚至消失。此时二极管处于导通状态

(2)P连负极,N连正极。左边提供负电荷,右边提供正电荷,使空间电荷

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12.6 物质的导电性 一、金属导电 1、电流强度的微观表达式 在加有电压的一段粗细均匀的导体 AD 上选取截面 C, 设导体的横截面积为 S。导体每单位体积内的自由电子数为 n,每个电子的电荷量为 e,电荷的定向 移动速率为 v 在时间 t 内,处于相距为 vt 的两截面 B、C 间的所有自由电荷将通过截面 C 。 在时间 t 内通过导体某截面的电 量为: Q = (vtS) ne 形成的电流为: I = Q = neSv 二、液体导电 1、液体金属导电 与金属导电类似 2、溶液导电 法拉第电解定律(参考黑皮的讲解) 三、气体导电 1、一般情况下,气体不导电。 2、气体导电分自激放电和被激放电。 被激放电是指有其他物质作为电离剂促使空气电离。 自激放电是由于碰撞产生离子,离子在强电场中高速运动,将其它气体分子 撞散,产生新的离子,从而发生类似核裂变的连锁反应。 自激放电包括: (1)辉光放电:空气稀薄,分子间距大,离子动能大,易碰撞产生新的离子。 (2)火花放电:由于电场非常大,离子动能大,易碰撞产生新的离子。 (3)弧光放电:由于温度高,离子动能大,易碰撞产生新的离子。 (4)电晕放电:原理与火花放电类似,也是电场很强。但火花放电是两个带 电体之间的,而电晕放电是一个高电压导体表面进行放电,电流较小。 四、半导体 1 、半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。 纯净的半导体经常由硅晶体制成。 半导体通常具有热敏和光敏特性,即温度升高,电阻率减小,光线照射,电 阻率减小 2、半导体的掺杂 掺入三价硼,缺少电子,形成空穴。 (P 型半导体) 掺入五价磷,多余自由电子。 (N 型半导体) 空穴和自由电子均可导电(载流子) ,增强了半导体的导电性。 3、二极管 一个半导体左右掺入不同杂质,一边为 P 型,另一边为 N 型。 在中间的结合部会形成“PN 结”。 在中间,左右的空穴和自由电子进行复合,从而形成无载流子的“空间电荷 区”。因此,可以看成中间变为绝缘体。 在二极管两端加电场: (1)P 连正极,N 连负极。左边提供正电荷,右边提供负电荷,使空间电荷 区变窄甚至消失。此时二极管处于导通状态 (2)P 连负极,N 连正极。左边提供负电荷,右边提供正电荷,使空间电荷 区变宽。此时二极管处于截止状态 综上所述,二极管具有单向导通性。 4、二极管的伏安特性曲线: *5、三极管 三极管具有电流放大的作用。 三极管分为 PNP 和 NPN 两种。本质相同,仅电流方向不同。 中间的叫基极 b,很薄,掺杂浓度低。 一端叫发射极 e,掺杂浓度很高。 另一端叫集电极 c。 工作原理: 发射极提供大量载流子, 很少一部分与基极的异种载流子复合,形成很小的 基极电流 ib, 大部分进入集电极, 形成较大电流 ic。 从而实现了电流放大的作用。 ic ?? ib 例1. 如图所示电路中,二极管 D 导通时电阻为零,电源内阻不计, 电动势分别为ε1=20V,ε2=60 V.电阻 R1=10kΩ,R2=20kΩ,R=5kΩ.试 求通过二极管的电流强度. 图 11- 33 【解析】原电路可化为下图所示电路,则由基尔霍夫定律可得: I ? I1 ? I 2 (1) (2) (3) ?20 ? 10 ?103 ? I 2 ? 60 ? I ? 20 ?103 ?5 ?103 ? I1 ? 60 ? 20 ?103 I ? 0 图 11- 34 (1)式是 O 点的节点电流方程, (2)式是虚线框中的回路电压方程, (3) 式是整个回路的电压方程


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