OPAKOVANIE – el. prúd v kvapalinách, plynoch a polovodičoch
Základné nosiče náboja a pojmy
Aké častice vedú el. prúd v jednotlivých látkach?
V kvapalinách (elektrolytoch): Kladné a záporné ióny (katióny a anióny).
V plynoch: Kladné ióny, záporné ióny a voľné elektróny.
V polovodičoch: Voľné elektróny a diery.
Vysvetlené pojmy
Disociácia: Proces rozpadu molekúl rozpustenej látky (soli, kyseliny, zásady) na pohyblivé ióny vplyvom rozpúšťadla (napr. vody).
Elektrolýza: Dej, pri ktorom prechodom jednosmerného elektrického prúdu cez elektrolyt dochádza k chemickým zmenám na elektródach (vylučovanie látok).
Ionizácia: Proces, pri ktorom sa z neutrálneho atómu alebo molekuly plynu stáva ión (odtrhnutím alebo pridaním elektrónu).
Rekombinácia: Opačný dej k ionizácii/generácii. Kladné a záporné častice sa spájajú späť na neutrálne atómy (v plynoch), alebo elektrón zaplní dieru (v polovodičoch), pričom sa uvoľní energia.
Ionizátor: Zdroj energie, ktorý spôsobuje ionizáciu plynu (napr. rtg. žiarenie, UV žiarenie, rádioaktívne žiarenie, plameň/vysoká teplota).
Ionizačná energia: Práca (energia), ktorú treba dodať, aby sa z neutrálneho atómu uvoľnil elektrón.
Zápalné napätie: Hodnota elektrického napätia, pri ktorej prechádza nesamostatný výboj v plyne na samostatný výboj (dochádza k nárazovej ionizácii).
Generácia: Tvorba párov elektrón - diera v polovodičoch vplyvom dodanej energie (tepla, svetla).
Vlastné polovodiče: Čisté polovodiče bez prímesí (napr. čistý kremík \( Si \) alebo germánium \( Ge \)). Majú rovnaký počet voľných elektrónov a dier, ich vodivosť rastie s teplotou.
Prímesové polovodiče: Polovodiče, do ktorých bola úmyselne pridaná malá prímes iného prvku, čím sa výrazne zvýši ich vodivosť (delia sa na typ P a typ N).
Elektrický prúd v kvapalinách
Príklad elektrolýzy (slovný opis)
Príklad: Elektrolýza roztoku chloridu meďnatého (\( CuCl_2 \)). Pri rozpustení vo vode sa \( CuCl_2 \) rozštiepi (disociuje) na kladné ióny medi (\( Cu^{2+} \)) a záporné ióny chlóru (\( Cl^- \)). Ak do roztoku ponoríme elektródy a pripojíme jednosmerný prúd:
Ku katóde (záporná elektróda) sú priťahované katióny \( Cu^{2+} \). Tam prijmú elektróny a na katóde sa vylúči čistá vrstvička pevnej medi.
K anóde (kladná elektróda) sú priťahované anióny \( Cl^- \). Tam odovzdajú elektróny a vylučujú sa v podobe bubliniek plynného chlóru.
Faradayov zákon elektrolýzy – vzťah, popis veličín
Tento zákon hovorí, že hmotnosť vylúčenej látky je priamo úmerná náboju, ktorý prešiel elektrolytom. Vzťah:
$$ m = A \cdot I \cdot t $$
alebo
$$ m = A \cdot Q $$
Popis veličín:
\( m \) – hmotnosť vylúčenej látky na elektróde (v kilogramoch, \( kg \))
\( A \) – elektrochemický ekvivalent látky (konštanta závislá od druhu látky, jednotka \( kg \cdot C^{-1} \))
\( I \) – elektrický prúd prechádzajúci elektrolytom (v ampéroch, \( A \))
\( t \) – čas prechodu prúdu (v sekundách, \( s \))
\( Q \) – elektrický náboj (\( Q = I \cdot t \), v coulomboch, \( C \))
Využitie elektrolýzy v praxi
Galvanostégia (pokovovanie): Pokrývanie predmetov tenkou vrstvou kovu proti korózii alebo na ozdobu (napr. pochrómovanie, pozlátenie). Predmet je katódou.
Galvanoplastika: Vytváranie hrubých kovových kópií predmetov (napr. matrice na lisovanie vinylových platní).
Elektrometalurgia: Výroba čistých kovov z rúd (napr. hliník sa vyrába elektrolýzou taveniny bauxitu).
Elektrolytická rafinácia: Čistenie kovov (napr. medi) od nečistôt.
Elektrický prúd v plynoch
Čo je to výboj?
Elektrický výboj je jav, pri ktorom prechádza elektrický prúd cez plyn. Plyn, ktorý je za normálnych okolností izolant, sa musí najprv ionizovať.
Aké typy el. výboja poznáme?
Základné rozdelenie podľa toho, či potrebujú vonkajší zdroj ionizácie:
Nesamostatný výboj: Existuje len vtedy, ak pôsobí vonkajší ionizátor. Po jeho odstránení výboj zanikne (prevládne rekombinácia).
Samostatný výboj: Udržuje sa sám aj bez vonkajšieho ionizátora vďaka vysokej energii častíc v elektrickom poli (nárazová ionizácia).
Druhy el. výboja (4 typy samostatných výbojov)
Iskrový výboj: Vzniká pri bežnom tlaku, ak sa prekročí zápalné napätie. Je krátkodobý, sprevádzaný zvukovým efektom a svetlom. Príklad: Blesk, iskra v zapaľovacej sviečke motora.
Oblúkový výboj: Vyznačuje sa veľkým prúdom a vysokou teplotou (až 6000 °C). Elektródy sa musia najprv dotknúť, rozžeraviť a potom oddialiť. Príklad: Zváranie el. oblúkom, premietačky.
Tlejivý výboj: Prebieha pri zníženom tlaku (v zriedených plynoch). Nevzniká v ňom vysoká teplota, ale vydáva svetlo, ktorého farba závisí od druhu plynu. Príklad: Reklamné neónové trubice, žiarivky.
Koróna (trsovitý výboj): Vzniká v silnom, nehomogénnom elektrickom poli okolo hrán a hrotov vodičov (často sprevádzané syčaním). Spôsobuje straty na vedeniach vysokého napätia.
Získame ich pridaním (dopovaním) atómov iných prvkov do čistého polovodiča (napr. do 4-mocného kremíka \( Si \)):
Typ N (negatívny): Získame pridaním 5-mocného prvku (napr. fosfor, arzén). 4 elektróny vytvoria väzbu so \( Si \) a 5. elektrón ostane voľný. Väčšinovými (majoritnými) nosičmi náboja sú tu voľné elektróny.
Typ P (pozitívny): Získame pridaním 3-mocného prvku (napr. bór, indium, gálium). Chýba jeden elektrón do väzby so \( Si \), čím vznikne prázdne miesto – tzv. diera, ktorá sa správa ako kladný náboj. Väčšinovými (majoritnými) nosičmi náboja sú tu diery.
PN prechod a jeho vlastnosti
Je to oblasť (rozhranie) na styku polovodiča typu P a polovodiča typu N v jednom kryštáli. Na tomto rozhraní dochádza k rekombinácii elektrónov a dier, čím sa vytvorí vyprázdnená oblasť bez voľných nosičov náboja (vytvorí sa vnútorné el. pole).
Základná vlastnosť: Má jednosmernú vodivosť (prúd ním prechádza len v jednom smere).
Zapojenie PN prechodu v obvode – 2 smery
Priepustný smer: Kladný pól zdroja pripojíme na časť P a záporný pól na časť N. Vonkajšie pole potlačí vnútorné pole PN prechodu, vyprázdnená oblasť sa zúži a elektrický prúd obvodom prechádza.
Záverný smer: Kladný pól pripojíme na N a záporný na P. Vonkajšie pole sa sčíta s vnútorným, vyprázdnená oblasť (bariéra) sa rozšíri a elektrický prúd obvodom neprechádza (prechádza len zanedbateľný zvyškový prúd).
Polovodičová dióda a jej využitie v praxi
Je to súčiastka, ktorá obsahuje jeden PN prechod vybavený dvoma vývodmi (anóda a katóda).
Využitie v praxi: Najčastejšie sa využíva na usmerňovanie striedavého prúdu na jednosmerný (v zdrojoch napätia, nabíjačkách). Špeciálne druhy diód sa využívajú na svietenie (LED) alebo ako senzory svetla (fotodiódy).