ELEKTRINA STRUJA KROZ VAKUUM dioda izvor elektrona zagrijana

ELEKTRIČNA STRUJA KROZ VAKUUM dioda izvor elektrona (zagrijana katoda) djelovanje napona na elektrone (potencijalna energija) gibanje elektrona (kinetička energija) Q=1, 602 10 -19 C me=9, 107 10 -31 kg U=napon V brizna koju postižu elektroni v= 0, 5931 106 U 1/2 ~ 0, 6 106 U 1/2

prostorna raspodjela potencijala (dioda) prostorna raspodjela potencijala (trioda)

ELEKTRIČNA STRUJA KROZ PLINOVE - tlak plina jedan od bitnih parametara za uvjete toka elektrona kroz plin tlak > atmosferskog (visokotlačne žarulje, komore za prekidanje luka) tlak = atmosferskom (atmosferka pražnjenja - električni luk, korona) tlak = 10 -1 atmosferskog (neonske i fluorescentne svjetiljke) tlak = 10 -5 atmosferskog (živini usmjerivači) tlak = 10 -8 atmosferskog (vakuum, elektronske cijevi - zaostale molekule) - kemijska reakcija plina na elektrode inertni plinovi - tok elektrona brojni sudari električki nabijenih čestica i molekula plina - atom - apsorbira, prenosi, predaje energiju uzima od drugog atoma ili predaje drugom atomu plina elektrode i stijenke uređaja (atomi) primaju i davaju energiju - atom (molek. ) plina može imati i prenositi potencijalnu i kinetičku energiju svi elektroni na najnižim razinama normalno stanje energija unutar atoma potencijalna energija - uzbuđeno stanje dovođenje energije atomu - metastabilno stanje - ionizacija

elektroni u višu ljusku uzbuđeno stanje (n kvanta u J) minimalna energija uzbude živina para - 7, 52 10 -19 J helij - 31, 52 10 -19 J vezani elektron natrag foton (ispuštanje energije - zračenje) područja zračenja - rendgensko, ultravioletno, vidljivo, infracrveno, NF elemag. trajanje uzbuđenog stanja ~ 10 -8 s frekvencija zračenja q. E - količina energije h - Planckova konstanta 6, 6256 10 -34 Js elektron vezan u višoj ljusci - sam ne oslobađa foton metastabilno stanje trajanje metastabilnog stanja ~ 10 -1 s prenos energije na velike udaljenosti - bitno za provođenja struje plinovima predavanje energije drugom atomu plina, elektrodi ili stijenci (granica prostora)

elektron se oslobađa atoma ionizacija pozitivni ion - masa ~ masi atoma naboj = n naboja elektrona ali suprotnog predznaka slobodni elektron i pozitivni ion moguće neovisno kretanje elektično polje slobodni elektron i pozitivni ion - usmjerno i ubrzano kretanje masa u kretanju kinetička energija sudar pozitivnog iona i elektona atom normalnog stanja + energija (zagrijavanje) negativni ion - masa ~ masi atoma naboj = n naboja elektrona (inertni plinovi, živine pare) kisik veže na sebe elektrone i smanjuje vodljivost prostora vlastita energija negativnog iona << vlastita energija pozitivnog iona minimalna energija ionizacije živina para - 16, 64 10 -19 J helij - 139, 2 10 -19 J

plinom punjena cijev promjer molekule 10 -8 elektrona 10 -13 molekule u kretanju velike prepreke elektronu sudari elektrona, iona i molekula brzina kretanja molekula zanemariva obzirom na brzine elektrona kretanje elektrona veoma nepravilno zbog sudara s molekulama sudari i slobodne staze jedan od glavnih fizikalnih parametara provodljivosti plinova na fotone ne djeluje električno polje ali mogu uzrokovati višestruke ionizacije prenošenjem energije između dva sudara slobodna staza pozitivni ioni se pri sudaru s nabijenom površinom nutraliziraju i pri tome oslobađaju energiju ionizacije, a djelomično i kinetičku energiju, što može uzrokovati zagrijavanje ili zračenje, a to može biti i korisno i razorno metastabilni atomi mogu predavati energiju pri sudaru s neutralnim atomima

Izbijanje u plinovima

Plinom punjene cijevi ispod napona Ua gotovo da nema stuje (elektroni gotovo ne mogu kroz prostor ispunjen plinskim molekulama, minimalan utjecaj ioniziranih molekula plina) iznad nekog napona Ua (napon paljenja) elektroni izazivanju lanačanu reakciju struju ograničava R povećanje struje uz neznatan pad napona raspodjela potencijala kao i pri tinjavom izbijanju međuelektrodni prostor diode se dijeli - katodno područje ili područje iona, u neposrednoj blizini katode, - ostalo područje plina, tzv. plazmu

Prostorna raspodjela potencijala plinske cijevi - pozitivni prostorni naboj u zraku pod atmosferskim tlakom (slobodni prostor) - linearno u vakuumu – udaljenost na 4/3 (zbog negativnog prostornog naboja elektrona u području katode)

Plinska trioda umetnuta rešetka kad cijev provede rešetka više ne djeluje prednapon određuje Ua početka vođenja

Fluorescentne cijevi žarne niti prvo zagrijavaju prostor cijevi isparavanje žive živine pare žarne niti elektrode (izmjeničan napon > od napona paljenja) stvaranje plazme po cijeloj dužini ultravioletno zračenje uzbuđivanje premaza fluorescentni premaz vidljivo svijetli

vidljivi spektar frek. el. mag. zračenja 4· 1014 Hz (crveno) do 7, 5· 1014 Hz (ljubičasto) brzina el. mag. valova u slobodnom prostoru 3· 108 m/s elektroni samo određene razine energije u atomskoj strukturi Wq - energija dovedena elektronu (prije zračenja) u J Wp - početna energija (prije zračenja) u J Wk - konačna energija (nakon zračenja) u J h - Planckova konstanta f - frekvencija zračenja u Hz minimalna energija uzbuđivanja atoma žive - 7, 44· 10 -19 J minimalna energija uzbuđivanja atoma natrijuma - 3, 344· 10 -19 J natrijske svjetiljke bez premaza živine svjetiljke - boja svijetla ovisi o unutarnjem premazu (prah)

Rendgenske cijevi elektroni udaraju u antikatodu pod nekim kutem zbog apsorpcije njihove kinetičke energije elektromagnetsko zračenje okomito na površinu ne utječe na promjenu strukture i energije atoma frekvencija elektromagnetskog zračenja - 1018 - 1022 Hz između ultravioletnog svjetla i gama-zraka (dijelom se prekriva s oba područja)

ELEKTRIČNA STRUJA KROZ POLUVODIČE plouvodička tehnika silicij (Si) i germanij (Ge) 4 -valentni elementi otpor Wcm izolatori >> 108 Ωcm poluvodiči 10 -1 - 108 Ωcm vodiči << 10 -1 Ωcm pri normalnoj temperaturi i tlaku kristalografska rešetka atoma – (germanij 32 elektrona, silicij 14 elektrona) 4 valentna elektrona nisu čvrsto vezana "električki" prikaz atoma (Ge, Si) - jezgra sa 4 pozitivna naboja - 4 kružeća “slobodna” elektrona

poluvodiči - niske temperature valentne veze stabilnije kristali izolatori povišene temperature valantne veze nestabilnije slobodni elektroni vodiči - niske temperature kristalne rešetke stabilnije veća vodljivost povišene temperature kristalne rešetke nestabilnije manja vodljivost

čisti poluvodič intrinsična vodljivost obogaćeni poluvodič ekstrinsična vodljivost obogaćivanje (dopiranje) = onečišćavanje primjesama (tro i peterovalentim atomima) dopiranjem poluvodič ostaje električki neutralan bor (B) aluminij (Al) galij (Ga) indij (In) dopiranje trovalentnim elementom (akceptorima) višak šupljina = P tip poluvodiča u vođenju električne struje sudjeluju i šupline i elektoni ali različitim omjerom

fosfor (P) arsen (As) antimon (Sb) dopiranje peterovalentnim elementom (donorima) višak elektrona = N tip poluvodiča u vođenju električne struje sudjeluju i šupline i elektoni ali različitim omjerom jače dopiranje (veći broj akceptora ili donora) veća koncentracija nosioca naboja manja koncentracija nosioca suprotno polariziranog naboja (elektrona ili šupljina) mijenja se vodljivost poluvodiča

P-N spoj - poluvodička dioda

P-N barijera

Zener-dioda - stabilizacija napona dioda - ispravljački ventil

Tranzistori

pojačalo

Tiristori

upravljivi poluvalni ispravljać

Triaci

upravljivi izmjenični ventil

1874 Fredinand Braun – metal oksid / metal sulfid ispravljački efekt 1935 Bediks – Švedska Ge detektor 1941 Davidenko, Morgulius, Davidov - teorija poluvodiča (Akademija SSSR) 1947 Pearson, Moor, Shockley – tranzistorski efekt Bell laloratirij – (NN 1956) istraživanje polja u blizini metalne elektrode točkaste diode (nekoliko desetaka m) 1949 slojni tranzistor 1952 unipolarni tranzistor 1958 Jack Kilby /Texsas Instrimenuts/ i Robert Novace /Fairchild Semiconductors/ integrirani sklop Više na: http: //en. wikipedia. org/wiki/Integrated_circuit#Invention

integrirani sklop - Jack Kilby 1958

ELEKTRIČNO I MAGNETNO POLJE ELEKTRIČNO POLJE nepomični suprotno polarizirani izolirani električni naboji elektrostatsko polje silnice polja - smjer potencijalnih sila prema Coulombovom zakonou k - numerička konstanta Q 1, Q 2 - električni naboji l - udaljenost između naboja

postoji potencijalno polje silnica sila naboja +Q Rezultanta sila (tangenta) sila naboja -Q +Q, -Q - električki naboji l 1 i I 2 - udaljenosti do naboja potencijalno polje oko naboja analogno električnom polju električnog potencijala uz jedinični naboj jakost električnog polja je

za homogeno električno polje jakost polja = napon između naboja / udaljenost U - razlika potencijala l - udaljenost naboj uzrokuje u izolatoru električni tok (količina naboja) gustoća električnog toka (električni pomak) za kuglu gustoća električnog pomaka razmjerna je jakosti električnog polja - dielektrična konstanta C/Vm ili As/Vm jednak je

nehomogeno polje između točkastih naboja različitih predznaka

nehomogeno polje između točkastih naboja jednakog predznaka

utjecaj oblika elektroda na oblik polja najveća koncentracija silnica na istaknutim dijelovima silnice uvijek okomite na površinu nosioca naboja električna probojna čvrstoća proboj izolacije elektrostatički elektricitet (naboj) u praksi opasno elektrostatski elektricitet – posljedica gomilanja električnog naboja - efekti ovise o kapacitetu nosioca naboja

Kondenzator

općenito - napon između elektroda a za homogeno električno polje u kondenzatoru ako je jakost polja u kondenzatoru tada je Q - količina naboja na kondenzatoru l - razmak među elektrodama u m S - površina dielektrika ili nosioca naboja elektrode u m 2 može se napisati odnosno električni kapacitet kondenzatora ovisan samo o dimenzijama i dielektričnoj konstanti

trenutna vrijednost struje punjenja kondenzatora ukupni naboj kondenzatora energija punjenja kondenzatora uz slijedi odnosno za punjenje (nabijanje) kondenzatora na napon U ukupno je utrošen rad to je energija nabijenog kondenzatora (akumulirana u elektrostatskom polju)

pražnjenje nabijenog kondenzatora kroz otpor R (trajanje ovisi o R-u) trenutna vrijednost napona na kondenzatoru trenutna vrijednost struje kondenzatora punjenje kondenzatora pražnjenje kondenzatora ili

Paralelno spajanje kondenzatora slijedi

Serijsko spajanje kondenzatora vrijedi slijedeće što rezultira sa za dva kondenzatora i

jedan kondenzator dva različita dielektrika - kao dva serijski spojena kondenzatora gustoća električnog toka jednaka u oba dielektrika