Vezetőképesség, áramvezetési mechanizmusok különböző anyagokban. A molekuláris modellből a vezetőképességre kapott összefüggés

Átírás

1 TÓTH A.: Elektromos áram/2 (kbővített óravázlat) 1 Vezetőképesség, áramvezetés mechanzmusok különböző anyagokban A molekulárs modellből a vezetőképességre kapott összefüggés γ = qnµ. Eszernt egy anyagban a vezetőképességet a töltéshordozó részecskék töltése (q), térfogat darabsűrűsége (n) és mozgékonysága (µ) szabja meg. A különböző anyagokban különböző típusú töltéshordozók vannak, amelyek különböző mechanzmussal mozognak, és a töltéshordozók mennysége s különböző, így a fent töltéshordozójellemzők gen eltérőek lehetnek. Ez az oka annak, hogy az anyagok vezetőképessége egy kb. 25 nagyságrendet átfogó tartományba esnek (γ értéke nagyjából a ohm 1 m 1 értékek között van). Mvel a vezetés tulajdonságok szoros kapcsolatban vannak az anyag halmazállapotával, a vezetőképesség vzsgálatánál célszerű a halmazállapot szernt felosztást alkalmazn. Elektromos vezetés szlárd anyagokban A vezetés tulajdonságok a szlárd anyagok esetén s nagyon eltérőek lehetnek. Erről ad áttekntést a mellékelt ábra, amelyen az anyagokat a szokásos csoportosítás szernt (vezetők, félvezetők, szgetelők) tüntettük fel. A vezetőképességek szobahőmérsékletre vonatkoznak. Ag, Cu Vezetők N Pt Hg Félvezetők Ge Se ZnO B, S Szgetelők Kvarc Porcelán Kén Paraffn Vezetés krstályos szlárd anyagokban A szlárd anyagok vezetés mechanzmusát alapvetően befolyásolja az, hogy krstályos szerkezetűeke vagy nem. Először a krstályos anyagok esetét vzsgáljuk meg, amelyeknek vezetőképessége szntén gen különböző lehet (pl. Ag és kvarc) γ (Ω 1 m 1 ) A vezetőképességben fennálló lyen eltéréseket a klasszkus fzka segítségével nem skerült értelmezn, ehhez a mkrorészecskék (ebben az esetben az atomokban lévő elektronok) sajátos vselkedését leíró kvantumelméletet kell segítségül hívn. A kvantumelméletnek azt a részterületét, amely az elektronoknak krstályos szlárd anyagokban való vselkedésével foglalkozk a szlárd anyagok sávelméletének nevezk. A sávelmélet elnevezés onnan származk, hogy az elmélet szernt az lyen anyagokban az elektronok nem rendelkezhetnek akármlyen energával, hanem energájuk csak az anyagtól függő, megengedett energatartományokba, más néven energasávokba eshet. Ezeket a tartományokat megengedett energasávoknak nevezk. Az elektronok a sávok között energatartományba, az ún. tlos energasávba eső energát nem vehetnek fel (ábra). A tlos sáv szélessége a vezetés szempontjából fontos szerepet játszk, jelölésére a E0 szmbólumot szokták használn (egy tlos sáv szélességét az ábrán bejelöltük). A sávelmélet szernt az egyes sávokban megengedett sávok energa E 0 tlos sávok

2 TÓTH A.: Elektromos áram/2 (kbővített óravázlat) 2 meghatározott számú energahely van, vagys egy energasávba eső energával csak meghatározott számú elektron rendelkezhet. Az elektronok először a legalacsonyabb energájú sávban lévő energahelyekre kerülnek. Ha ebben a sávban már mnden hely foglalt (betöltött sáv), és az atomokban tovább elektronok s vannak, azok már csak a következő, magasabb energájú megengedett sávban foglalhatnak helyet. A legmagasabb energájú, betöltött energahelyeket tartalmazó sáv lehet teljesen betöltött vagy részben betöltött. Az, hogy a megengedett sávok közül menny lesz betöltött, és a legmagasabb energájú sáv s betöltött lesz vagy csak részben betöltött, attól függ, hogy az anyagot alkotó atomokban menny elektron van (azaz menny az alkotó atom rendszáma), vagys a sávszerkezet a különböző anyagokban eltérő. A fent sztatkus képből még nem derül k, hogy a sávok létezésének m a szerepe a vezetésben, ezért most ezt vzsgáljuk meg. Ha az anyagot elektromos erőtérbe tesszük, akkor az elektronokra a térerősséggel ellentétes rányú erő hat, amely gyekszk az elektronokat mozgásba hozn. Ez azzal jár, hogy az elektronok energája megnő, hszen mozgás energára tesznek szert. Ha az anyagban van egy olyan megengedett energasáv, ahol betöltetlen energahelyek vannak, akkor az elektron energája a sávon belül nőn tud, ezért az erőtér hatására valóban mozgásba jön: az anyagban elektromos áram jön létre, amelyet az elektronok mozgása okoz. Ha azonban a sávszerkezet olyan, hogy csak betöltött energasávok vannak, akkor az elektron a sávon belül nem képes az energáját növeln (nncs magasabb betöltetlen energahely), vagys az elektromos erőtér nem tudja mozgásba hozn. lyenkor az elektronok az anyagban nem tudnak elektromos áramot létrehozn. Ebben az esetben az elektronok gyorsítására csak az a lehetőség marad, hogy a tlos sáv szélességének megfelelő energát kapnak az elektromos erőtérből, amvel a következő (üres) megengedett sávba kerülve mozgásképessé válnak. Normáls körülmények között azonban az elektromos erőtér lyen nagy energát nem képes az elektronnak átadn. Összefoglalva: az elektronokkal történő vezetés szempontjából alapvető jelentőségű, hogy legyen egy olyan megengedett energasáv, amelyk csak részben van betöltve. Ezek után nézzük meg, hogy a különböző anyagokban mlyen energasávok jöhetnek létre. Az a) ábra azt az esetet mutatja, amkor a energa legfelső, elektronokat tartalmazó sáv csak részben van betöltve. Ekkor amnt azt már megtárgyaltuk elektromos erőtérben E 0 az elektronok mozogn tudnak, elektromos vezetés jön létre. Az lyen sávszerkezettel rendelkező anyagok a vezetők. lyen sávszerkezete van a legtöbb fémnek, ezért a fémek általában jó vezetők. A b) ábrán azt az esetet látjuk, amkor a a) b) c) legfelső, elektronokat tartalmazó sáv teljesen betöltött, a tlos sáv szélessége nagy, ezért az elektronok normáls körülmények között nem tudnak áramot létrehozn. Az lyen sávszerkezettel rendelkező anyagok a szgetelők. A krstályos szlárd anyagok közül lyen pl. a gyémánt, a kvarc, a kősó (NaCl). A c) ábrán s egy szgetelő sávszerkezete látható, de ebben az esetben a tlos sáv E0 szélessége jóval ksebb, mnt a b) ábrán. Ennek a ténynek nagy jelentősége lehet: ha a

3 TÓTH A.: Elektromos áram/2 (kbővített óravázlat) 3 tlos sáv szélessége olyan kcs, hogy a betöltött sávból az üres sávba az atomok termkus mozgása ( hőmozgás ) jelentős számú elektront tud feljuttatn (vagys a termkus mozgás átlagos energája közel akkora, mnt az elektronok átmenetéhez elektron E 0 hőmozgás E 0 lyuk szükséges E0 energa), akkor az eredetleg üres energasáv részben betöltötté válk (ábra), ezért az anyagban elektromos áram jöhet létre. Az lyen, szgetelő sávszerkezetű, de a hőmozgás révén vezetésre képes anyagok a félvezetők. A legsmertebb félvezető anyagok a szlcum (S) és a germánum (Ge). ********************* *********************** ******************* A félvezetőkben a töltéshordozók elektronok. A vezetésben azonban nem csak az eredetleg üres sávba jutott elektronok vesznek részt, hanem az eredetleg betöltött sávban lévők s. Ennek az az oka, hogy az nnen eltávozó elektronok energaállapota felszabadulnak, így tt s lehetőség van az energa változására. A megüresedett elektronállapotok segítségével mozgó elektronok árama úgy s felfogható, mnt az elektronok hánya által létrehozott poztív töltések az ún. lyukak mozgása által létrehozott áram. A lyukak az elektronokkal ellentétes rányban mozognak, de töltésük s ellentétes az elektronokéval, így az áram ránya ugyanaz, mnt az elektronok mozgása által okozott áramé. A töltésmozgás lyen felfogása megkönnyít a félvezetők vezetésének értelmezését. Eszernt a félvezetőkben az áramot elektronok és lyukak hozzák létre. ******************** ********************* ********************** A szgetelőkben a tlos sáv szélessége olyan nagy, hogy nagyon magas hőmérsékletektől eltekntve a hőmozgás csak nagyon kevés elektront képes mozgásképes állapotba hozn. A nagyon ks vezetőképességű anyagokban ezeket nevezzük szgetelőknek a vezetést ez a ks számú mozgásképes elektron (pl. gyémánt), és az anyagban esetleg jelen lévő onok (pl. onkrstályok) mozgása hozza létre. Ahhoz, hogy a vezetőképességnek a különböző körülményektől való függését megértsük, a vezetőképességet megadó γ = qnµ összefüggésben szereplő mennységeket (a töltéshordozó töltését (q), térfogat darabsűrűségét (n) és mozgékonyságát (µ)), lletve ezeknek a körülményektől való függését (pl. hőmérséklet) kell megvzsgálnunk. Most ennek alapján rövden áttekntjük, hogy a különböző típusú krstályos szlárd anyagok vezetőképessége hogyan alakul különböző körülmények között. Vezetők A szlárd halmazállapotú vezetők gyakorlatlag a fémekkel azonosak. Ezekben az anyagokban az atom elektronok egy az atom elektronszerkezete által meghatározott része az anyagban gyakorlatlag szabadon elmozdulhat. A vezetőkben a töltéshordozók negatív töltésű elektronok, töltésük nagysága a természet állandónak számító elem töltés (ez defnícó szernt éppen az elektron töltése).

4 TÓTH A.: Elektromos áram/2 (kbővített óravázlat) 4 A vezetőképességet a γ = qnµ összefüggés adja meg. Mvel egy adott fémben a töltéshordozók töltése (q) és a szabad elektronok darabsűrűsége (n) s adott, a vezetőképesség a körülményektől gyakorlatlag csak a mozgékonyságon (µ) keresztül függ. A mozgékonyság meghatározásához az elektronok mozgásának smerete szükséges, am krstályos szlárd anyagokban a klasszkus fzka modellek alapján nem érthető meg, ehhez a kvantumelméletet kell segítségül hívn. Erről annyt kell tudnunk, hogy az elektronok egy tökéletes krstályrácsban (ahol mnden atom a tökéletes krstályrácsnak megfelelő helyén van) ellenállás nélkül tudnának mozogn: egy tökéletesen rendezett mozgásképes elektronokat s tartalmazó krstály ellenállása nulla lenne. Ha azonban a krstályrácsban rendellenességek vannak (pl. valahol hányzk egy atom vagy egy atomot degen atom helyettesít), akkor az elektron mozgása nehezebbé válk, mozgékonysága lecsökken. Ugyanlyen hatást vált k az s, hogy a mndg jelen lévő hőmozgás matt az atomok rezegnek az egyensúly helyzetük körül, vagys többnyre nncsenek a tökéletes rácsnak megfelelő helyükön. Rövden szólva: a krstályrács mnden rendezetlensége csökkent az elektronok mozgékonyságát és így növel a vzsgált anyag elektromos ellenállását. A mozgékonyságról mondottak alapján érthető meg az a tapasztalat, hogy egy degen anyaggal szennyezett fém vezetőképessége ksebb (ellenállása nagyobb), mnt a tszta fémé: szennyezés=rendezetlenség µ csökken γ csökken ellenállás nő. Egy másk kísérlet tapasztalat az, hogy a fémek vezetőképessége a hőmérséklet növekedésekor csökken (az ellenállás nő). Ennek értelmezése ugyancsak a fent elmélet segítségével adható meg. A hőmérséklet emelkedésével ugyans a hőmozgás egyre ntenzívebbé válk, a krstályrácsban az egyes atomok pllanatny helyzete egyre távolabb van az deáls helyzettől, a rendezetlenség a rácsban nő: hőmérsékletemelkedés=növekvő rendezetlenség µ csökken γ csökken ellenállás nő. KÍSÉRLETEK: Egy feszültségforrással sorba kapcsolunk egy zzólámpát és egy vezetőből készült drótsprált. A feszültséget úgy állítjuk be, hogy az zzólámpa vlágít, vagys a rajta átfolyó áram elég nagy a felzzításához. Ezután a drótsprált gázlánggal melegíten kezdjük. Az zzólámpa fénye fokozatosan csökken, majd teljesen kalszk. Ez azt mutatja, hogy az áramkörben az áram lecsökkent, am csak úgy értelmezhető, hogy a hőmérséklet emelkedésekor a vezető ellenállása növekszk. Mérjük meg egy zzólámpa esetén az áramerősség () és a feszültség (U) összefüggését. Azt tapasztaljuk, hogy az Ohmtörvény nem teljesül, mert lneárs összefüggés helyett egy, a feszültség növekedésével csökkenő meredekségű görbét kapunk (a görbe jellegét az alább ábra mutatja). Az ok az, hogy a feszültség növekedésekor az zzószál melegszk, nő az ellenállása, ezért az áram ksebb, mnt a kezdet (hdeg) ellenállás alapján várható érték (szaggatott vonal). Ohmtörvény fémdrót U mért eredmény U

5 TÓTH A.: Elektromos áram/2 (kbővített óravázlat) 5 A fémek ellenállásának hőmérséklettől való függése felhasználható hőmérsékletmérésre. Az erre szolgáló specáls, ksméretű fémellenállást ellenálláshőmérőnek nevezk. Ha az ellenálláshőmérő fémellenállásának hőmérsékletfüggését smert hőmérsékleteken végzett ellenállásméréssel egyszer kmérjük (htelesítés), akkor egy hely smeretlen hőmérséklete az ellenálláshőmérő odahelyezése után az ellenállásának mérésével meghatározható (ábra). Az eljárást egyszerűsít, hogy a relatív ellen állás (R/R 0) mért ellenállás hőmérséklet ( 0 C) fémek ellenállásának hőmérsékletfüggése elég széles hőmérséklettartományban jó közelítéssel lneárs. lyen hőmérsékletfüggést mutat a mellékelt ábra (R az aktuáls hőmérsékleten R 0 a 0 o Con mért ellenállás). Félvezetők A félvezetők esetén a helyzet kcst bonyolultabb. tt ugyans a mozgékonyság (γ) mellett a töltéshordozók koncentrácója (n) sem eleve meghatározott. A tszta félvezetőkben a mozgásképes töltéshordozók úgy jönnek létre, hogy a teljesen betöltött sávból a hőmozgás segítségével elektronok kerülnek a magasabb energájú, eredetleg üres energasávba. Ez a folyamat annál több mozgásképes töltéshordozót eredményez, mnél magasabb a hőmérséklet. Ez azt jelent, hogy a mozgásképes töltéshordozók koncentrácója (n) a hőmérséklet emelkedésével nő. Ugyanakkor a töltéshordozók mozgékonyságára ugyanaz érvényes, mnt a vezetők esetén: a hőmérséklet emelkedésével a mozgékonyság (µ) csökken. tt tehát két ellentétes hatás alakítja k a vezetőképességet: hőmérsékletemelkedés (növekvő rendezetlenség) µ csökken γ = qnµ csökken hőmérséklet hőmérsékletemelkedés (ntenzívebb hőmozgás) n nő γ = qnµ nő A végeredmény attól függ, hogy melyk hatás az erősebb. A tapasztalatok (és az elmélet számítások s) azt mutatják, hogy a töltéshordozókoncentrácó sokkal gyorsabban nő a hőmérséklettel (n erősen nő), mnt ahogy a mozgékonyság csökken (µ gyengén csökken), vagys tszta félvezetőkben: hőmérsékletemelkedés = növekvő töltéshordozókoncentrácó növekvő rendezetlenség) γ nő ellenállás csökken. A félvezető szennyezése az alaprács atomjának vegyértékétől eltérő vegyértékű szennyezéssel a töltéshordozók koncentrácójának gen erős növekedését okozhatja, mközben a mozgékonyságban okozott csökkenés tt sem túl jelentős. Vagys adott hőmérsékleten az eltérő vegyértékű szennyezés növel a vezetőképességet. A félvezetők ellenállása erősebben függ a hőmérséklettől, mnt a fémeké, ezért félvezetőből sokkal érzékenyebb ellenálláshőmérő készíthető.

6 TÓTH A.: Elektromos áram/2 (kbővített óravázlat) 6 Az ellenállás hőmérsékletfüggését áramkörökben a hőmérsékletváltozás hatásának csökkentésére, vagy ennek a hatásnak a hasznosítására s felhasználják, hőmérsékletfüggő félvezető ellenállások az ún. termsztorok alkalmazásával. Szgetelők A krstályos szerkezetű szgetelőkben a tlos sáv szélessége olyan nagy, hogy nagyon magas hőmérsékletektől eltekntve a hőmozgás csak nagyon kevés elektront képes mozgásképes állapotba hozn. Ennek ellenére ezeknek az anyagoknak egy részében ahol más vezetés mechanzmus nncsen a vezetést a ks számú mozgásképes elektron hozza létre (pl. gyémánt). Az anyagok egy másk részében, amelyekben a krstályt onok alkotják, egy másk vezetés mechanzmus s szerepet kaphat: a =0 krstályrácsban onok mozognak. Ha egy onkrstály rácsa tökéletes lenne, akkor az onok nem tudnának benne mozogn (a) ábra). Az onmozgást az tesz lehetővé, hogy a krstályokban mndg vannak betöltetlen rácshelyek, és az onok ezek között az üres helyek között ugrálva tudnak az elektromos erőtér hatására mozogn (b) ábra). Mnél több lyen üres hely van, annál több on mozgására nyílk lehetőség, vagys annál nagyobb a mozgásképes töltéshordozók koncentrácója. Mvel tszta anyagban az üres helyeket a hőmozgás hozza létre, a töltéshordozók koncentrácója a hőmérséklet emelkedésével nő. Az onok azonban a rácshelyek között nem teljesen szabadon mozognak, mert az onoknak az egyk rácshelyről a máskra való átmenetnél egy energahegyet kell átugranuk. Az ehhez szükséges energát a hőmozgás bztosítja, így a hőmérséklet emelkedésével az ugrások gyakorsága nő. Ez azt jelent, hogy a hőmérséklet emelése növel az onok mozgékonyságát s. Az onvezetés esetén tehát a töltéshordozók onok, a vezetőképesség hőmérsékletfüggésére pedg érvényes, hogy: növekvő hőmérséklet=ntenzívebb hőmozgás n nő, µ nő γ nő ellenállás csökken. Egy feszültségforrással sorba kapcsolunk egy zzólámpát és egy üvegrudat. A feszültséget úgy állítjuk be, hogy az zzólámpa nem vlágít, az zzólámpa nem vlágít, mert az üveg nagy ellenállása matt nem folyk át rajta elég nagy áram. Ezután az üvegrudat gázlánggal melegíten kezdjük. Az zzólámpa vlágítan kezd, és fénye fokozatosan erősödk, vagys a körben folyó áram megnő. Ez csak úgy lehetséges, hogy a szgetelő üveg ellenállása a hőmérséklet emelkedésekor csökken. E a) Az alaprács onjatól eltérő vegyértékű szennyezés rendszernt ezekben az anyagokban s növel a töltéshordozók koncentrácóját, így a vezetőképesség növekedését eredményez. E b) üvegrúd U

7 TÓTH A.: Elektromos áram/2 (kbővített óravázlat) 7 Tpkus onvezetők az onkrstályok (pl. NaCl). A szgetelők közé számos olyan anyag s tartozk, amelyek nem krstályos szerkezetűek. Ezekben az anyagokban a krstályos anyagokéhoz hasonló sávszerkezet nem jön létre, az elektronok tt a vezetésben többnyre nem játszanak jelentős szerepet. Az lyen anyagokban létrehozható rendszernt ks elektromos áram a csekély elektronvezetés vagy onvezetés következménye. lyen anyagok pl. az üvegek, számos keráma és a műanyagok többsége. A szgetelők klasszkus alkalmazása az elektromos áram kküszöbölése, az elektromos szgetelés. Egyes onkrstályokat újabban a folyékony elektroltokhoz hasonló feladatok megoldására s felhasználnak, így pl. áramforrásokat készítenek belőlük (az onkrstályok tulajdonképpen szlárd elektroltok, amelyekben a vezetést onok mozgása tesz lehetővé). Elektromos vezetés folyadékokban Folyadékokban elektromos vezetés gyakorlatlag csak akkor jön létre, ha a folyadékban onok vannak jelen (jól smert kvétel a folyékony fémek esete, amelyekben elektronvezetés van). Az lyen onos folyadékok az elektroltok. Ezeknek leggyakrabban előforduló változata az elektroltoldat, amelyet úgy állíthatunk elő, hogy egy nem onos folyadékban onos anyagot oldunk fel. Az oldódás során az onos anyag onjara esk szét (dsszocál), és az így létrejött onok a mozgásképes töltéshordozók. Az oldott anyag töltéshordozókeltő szerepét jól mutatja az alább kísérlet. Tszta (desztllált) vízbe két nem érntkező fémlemezt teszünk. Ha egy zzólámpán és a fémlemezekkel a vízen át egy teleppel áramot hozunk létre, akkor az zzó nem vlágít. A vízbe sót szórva a lámpa kgyullad: a sós víz ellenállása sokkal ksebb, mnt a tszta vízé. A kísérletben desztllált víz helyett csapvzet alkalmazva, az zzó akkor s kgyullad, ha a vízbe semmt nem teszünk. Ebből látható, hogy a csapvízben oldott onos anyagok találhatók. Az elektroltoldatban az elektromos áram az elektroltba merülő vezető rudak az ún. elektródok között jön létre, amelyek közül az egyk az ún. anód egy telep poztív sarkához, a másk az ún. katód pedg a telep negatív sarkához (ábra) csatlakozk. Az oldatban a negatív onok az anódhoz, a poztív onok a elektronok katódhoz vándorolnak, ematt a negatív onokat gyakran anonoknak, a poztív onokat katonoknak nevezk. elektroltoldat Az elektroltoldatban tehát az elektromos áramot a poztív és anon negatív onok, az áramkör vezető részeben vszont elektronok mozgása okozza. A zárt áramkör úgy jön létre, katon anód katód hogy a negatív onok az anódra érkezve elektronokat adnak le, amelyek a vezetőben a telep poztív sarka felé mozognak. A telep által átemelt elektronok a telep negatív sarkától az oldat felé mozognak, a katódon a poztív onok felveszk ezeket az elektronokat, és ezzel az áramkör záródk. A folyamat fontos mozzanata az, hogy az elektródokhoz érkező onok elektronleadással lletve elektronfelvétellel elvesztk a töltésüket, és semleges részecskeként az oldatból

8 TÓTH A.: Elektromos áram/2 (kbővített óravázlat) 8 kválnak. A kvált anyag tovább sorsa a konkrét elektrolt összetételétől függően kéma reakcókban vehet részt, am különböző végtermékeket eredményezhet. Ezekkel a folyamatokkal tt részletesebben nem foglalkozunk, csupán egy fontos folyamatot említünk meg. Az oldott onos anyag katonja rendszernt fémonok, amelyek semleges fématomok formájában válnak k a katódon, és azon bevonatot képeznek. Ezen a jelenségen alapul a fémbevonatok készítésére használt egyk eljárás, az ún. galvánozás. Az elektroltok vezetésével kapcsolatos folyamatokat (vezetés, anyagkválás, a kvált anyag kéma reakcó) összefoglaló néven elektrolízsnek nevezk. Az oldott anyagot nem túl nagy koncentrácóban tartalmazó elektroltoldatokban (az ún. gyenge elektroltokban) a kellő gondossággal 1 végrehajtott kísérletek szernt érvényes az Ohmtörvény, így egy adott on által létrehozott vezetőképességet a γ = qnµ összefüggésből kaphatjuk meg, ha smerjük az onok töltését, térfogat darabkoncentrácóját és mozgékonyságát. Az elektroltoldatokban azonban legalább kétféle on van jelen, de többféle oldott anyag esetén akár többféle poztív és negatív on s létrejöhet, amelyeknek különböző lehet a töltése (q ), koncentrácója (n ) és mozgékonysága (µ ). lyenkor egyszerű esetben a vezetőképességet az egyes onok vezetőképességének ( γ = q n µ ) összege adja meg: γ q n µ. = γ = Egy elektroltoldat vezetőképessége alapvetően függ az oldott onos anyag koncentrácójától, am meghatározza a mozgásképes onok koncentrácóját. Az oldott anyag koncentrácójának növelésekor a mozgásképes töltéshordozók koncentrácója (és így a vezetőképesség) ks koncentrácó esetén általában növekszk, de az oldatban lévő onoknak egymással és az oldószerrel való bonyolult kölcsönhatása matt, egy bzonyos koncentrácó felett a vezetőképesség csökkenhet az oldott anyag mennységének növelésekor. A töltéshordozók mozgékonysága több tényezőtől függ. Az egyk lyen tényező a folyadék vszkoztása. Az elektroltban az onok elektromos töltésük matt általában egy onokból vagy dpólusokból álló burkot alakítanak k maguk körül, és ezzel a burokkal együtt mozognak az elektromos erőtér hatására. Ez az on méreténél rendszernt sokkal nagyobb képződmény a folyadékban súrlódva mozog, és ezt a súrlódást lényegesen befolyásolja a folyadék vszkoztása. Mvel a vszkoztás magasabb hőmérsékleten általában ksebb, a mozgékonyság a hőmérséklet emelkedésével nő. Ez az oka, annak, hogy az elektroltok vezetőképessége a hőmérséklet emelkedésével általában nő. Elektromos vezetés gázokban A gázok normáls körülmények között rossz vezetők. Vezetővé csak töltéshordozók keltésével tehetők. A töltéshordozókeltésnek két alapesete van: A gáz maga nem tudja "megtermeln" a töltéshordozókat, azokat külső hatás hozza létre, ez a nem önálló vezetés. A gázban maga az elektromos áram hozza létre a szükséges töltéshordozókat, ez az önálló vezetés. 1 Állandó feszültségű teleppel végrehajtott mérések során az U telepfeszültség és az áramerősség között az U ~ összefüggés helyett U U P ~ alakú összefüggést kapunk, ahol U P az elektródoktól és az elektrolttól függő állandó feszültség, az ún. polarzácós feszültség. Ez az ellenfeszültség az elektródokon végbemenő folyamatok következménye (erről a kontaktusjelenségek tárgyalásánál még szó lesz). Ez úgy küszöbölhető k, hogy a mérést ks frekvencájú váltakozó feszültséggel végezzük el. Ekkor az elektródokon nem tud létrejönn az állandó ellenfeszültséget okozó anyagkválás.

9 TÓTH A.: Elektromos áram/2 (kbővített óravázlat) 9 Nem önálló vezetés Töltéshordozót létrehozhat hő, sugárzás vagy bármlyen külső energaforrás, am onzáln képes a gázmolekulákat. Ekkor ugyans poztív töltésű onok és negatív töltésű elektronok keletkeznek, amelyek külső erőtér hatására mozognak: áram jön létre. Elektrométerhez kapcsolt, feltöltött kondenzátor (ábra) töltése eltűnk, ha a lemeze közé lángot (pl. égő gyertyát) tartunk, mert a láng által keltett elektromos töltések semlegesítk a lemezek töltését. A töltéshordozókeltéssel egy dőben a véletlenszerűen összetalálkozó onok és elektronok újraegyesülése az ún. rekombnácó s végbemegy. A töltéshordozók mndenkor koncentrácóját a keltés és rekombnácó ntenztása szabja meg, és kalakul egy egyensúly töltéshordozókoncentrácó (n). Ha egy gázban elhelyezett két elektród közé feszültséget (U) kapcsolunk, akkor a létrehozott elektronok és onok a gázban elektromos áramot () hoznak létre. Ks feszültségeknél kcs az áram, ezért az elektródokon eltűnő töltéshordozók nem módosítják lényegesen a töltéshordozókoncentrácót. lyenkor n állandó, és teljesül az Ohmtörvény (az ábrán a lneárs szakasz). A feszültség tovább növelésével egyre több töltéshordozó jut el rekombnácó nélkül az elektródokra, és a töltéshordozók számát és így az áramot s a töltéshordozókeltés sebessége szabja meg: állandó onzáló hatás esetén az áram nem tud tovább nőn, hanem egy állandósult értéket vesz fel, ez a telítés áram. A telítés áram az onzáló hatás (pl. radoaktív sugárzás) erősségétől függ, ezért az onzáló hatás erősségének mérésére használható (onzácós kamra). g () áramerőssé feszültség (U) erősebb hatás gyengébb hatás A nem önálló vezetés specáls esete, amkor a töltéshordozókat egy fémszál zzításával állítják elő. Az zzó fémből ugyans a hőmozgás hatására elektronok lépnek k (termkus elektronemsszó). Ha az zzószálat légrtka térbe tesszük, akkor az elektronok szabadon elmozdulhatnak (nagyobb nyomáson a gázmolekulákkal történő gyakor ütközések matt a mozgás korlátozott), ezért ha az edényben (ábra) elektromos erőteret (E) hozunk létre, akkor az elektronok a térerősséggel szemben mozogva elektromos áramot hoznak létre. (Fgyeljük meg, hogy az elektronok negatív töltésük matt a térerősséggel szemben mozognak, de az áram ránya a korábban zzószál (katód) légrtka tér tárgyalt defnícó matt a térerősség rányával egyezk meg.) Ezt a töltéshordozókeltés mechanzmust használják k a különféle elektroncsövekben, az oszclloszkópok legfontosabb alkotórészét képező katódsugárcsőben és az elektronmkroszkópban s. U f E U elektron Önálló vezetés Egy gázban különféle külső behatások (pl. a kozmkus sugárzás) matt mndg keletkezk ks számú töltéshordozó (elektronon párok). Ezért, ha rtkított gázban elhelyezett elektródok anód

10 TÓTH A.: Elektromos áram/2 (kbővített óravázlat) 10 között feszültséget hozunk létre, és a feszültséget növeljük, akkor az elektromos erőtér hatására ezek a töltéshordozók annyra felgyorsulnak, hogy képesek a semleges gázmolekulákat a velük való ütközéskor onzáln. Ez a folyamat az ütközés onzácó. Az ütközés onzácóban elsősorban az elektronok vesznek részt, mert tömegük az onzálásnál kütendő elektronéval megegyezk, és lyenkor a leghatékonyabb az energaátadás. Az ütközés onzácó során új töltéshordozók (elektronon párok) jönnek létre, a keletkezett elektronok felgyorsulnak, és tovább onzálnak (ábra). Az áram nagyon gyorsan nőn kezd (mnden elektron két máskat kelt, így a töltéshordozók száma 2 hatványa szernt, lavnaszerűen nő). lyenkor a gáz már maga termel meg a vezetéshez szükséges töltéshordozókat, az lyen vezetést nevezzük önálló vezetésnek. Az ütközés onzácó csak alacsony nyomáson hatékony, mert ekkor a töltött részecskék szabad úthossza nagyobb, és így nagyobb energára gyorsíthatók, am megnövel a töltések onzáló képességét. Az ütközések során nem csak onzácó lehetséges, hanem az elektronok gerjesztése s, am az elektronoknak az alapállapotba való vsszatérésekor fényjelenségeket s létrehozhat. nnen kapta a gázokban létrehozott elektromos áram a gázksülés elnevezést. Nem túl rtka (5 kpa és kpa között nyomású) gázban jön létre a ködfényksülés, amelyben a töltéshordozók ütközés onzácó útján jönnek létre, és benne eléggé bonyolult folyamatok következtében sötét és vlágító tartományok váltják egymást (az ábrán 1 katódfény, 2 sötét katódtér, 3 negatív ködfény, 4 Faradayféle sötét tér, 5 plazma, 6 sötét anódtér, 7 anódfény). Az egyes tartományok hossza a nyomástól lletve a csőre kapcsolt feszültségtől függően változhat, egyesek el s tűnhetnek. A ködfényksülés egyes szakaszaról katód rtkított gáz anód általánosságban azt lehet mondan, hogy a sötét tartományokban a töltéshordozók gyorsulnak, energát gyűjtenek (az energaelnyelő ütközések hányát mutatja az, hogy nncs fénykbocsátás), a vlágító részeken pedg az ütközéseknél bekövetkező onzácó és gerjesztés következtében energát veszítenek (ezt mutatja a fénykbocsátás). Gyakorlat fontossága matt érdemes külön megemlíten a negatív ködfényt (3), amelynek fényét a ködfénylámpákban (más néven glmmlámpa) láthatjuk. Ez a tartomány úgy jön létre, hogy a katódba ütköző onok a katód anyagából elektronokat löknek k, és ezek az elektronok, a sötét katódtérben az anód felé gyorsulva, tt érk el azt az energát, amellyel a gázmolekulákat onzáln lletve gerjeszten képesek (a gerjesztés következménye a fénykbocsátás). Fontos tartomány a plazma (5), am a régebben készült reklámcsövek fényét adja, és amelynek színe függ az alkalmazott gáztól. A negatív ködfényben az elektronok energát

11 TÓTH A.: Elektromos áram/2 (kbővített óravázlat) 11 veszítenek, a plazma előtt sötét térben (4) pedg újra energát gyűjtenek, és a plazma tartományában onzálnak és fénykbocsátást okoznak. A plazma sajátos képződmény: benne azonos mennységű poztív és negatív töltés van, elektronok és onok semleges keveréke, vagys onzált, kfelé semleges gázhalmazállapotú anyag. Tulajdonsága az onok jelenléte matt lényegesen eltérnek a közönséges gázokétól, gyakran az anyagnak egy új (negyedk) halmazállapotaként emlegetk. A plazma állapotú anyagok jelentős szerepet játszanak a csllagok működésében, a termonukleárs reakcó létrehozásában és számos technológa eljárásban. Nagyobb légrtkításnál (0,001 kpa nyomás alatt) fényjelenségek már nncsenek a gázban, vszont a negatív elektródba (katód) becsapódó onok elektronokat ütnek k a katódból, és ezek az elektronok a poztív elektród (anód) felé mozogva egy erős elektonáramot hoznak létre. Ez a katódsugárzás, amelynek észlelése közben fedezték fel az elektront. A katódsugarak tulajdonsága vákuumcsőben tanulmányozhatók: fluoreszkálást okoznak, egyenes vonalban terjednek (árnyékjelenség), mágneses erőtérrel eltéríthetők. A kísérletet váltakozó erőtérrel (szkranduktor) hajtjuk végre, am úgy lehetséges, hogy a cső elektródja közül az egyk nagy felületű, a másk kcs. A nagy felületen sokkal több a kütött elektron, ezért mndg az a negatív elektród (vagys egyenrányítás van). Nagyobb (atmoszférkus) nyomáson az ütközés onzácó csak nagyon nagy feszültség hatására jön létre, de megvalósítható. lyen nagyfeszültségű ksülés a szkraksülés, amelynél a töltéshordozók sokszorozódása egy keskeny csatornában következk be, és a molekulák gerjesztése matt a csatorna mentén fénykbocsátás s történk ( szkra ). lyen szkra fgyelhető meg pl. kapcsolók kkapcsolásánál, de lyen jelenség a légkörben bekövetkező vllámlás s. Hasonló lavnaszerű töltéshordozókeltés előfordul szlárd halmazállapotú szgetelőkben s, ott ezt átütésnek nevezk. Az átütés során a szgetelő az átütés csatornája mentén tönkremegy, szgetelőképességét jórészt elveszít, ezért a szgetelő anyagok fontos jellemzője, hogy mlyen térerősséget bírnak k átütés nélkül ( átütés szlárdság ). Specáls ksülés az ívksülés, amely két összeérntett szén vagy fémrúd között a rudak széthúzásakor jön létre. Két mozgatható szénrúd közé feszültséget kapcsolva ívksülést hozunk létre, és fényét ernyőre kvetítjük. mozgatható szénrudak ívksülés Az ívksülésben a töltéshordozók keltésében jelentős szerepet kapnak az zzó katódból klépő elektronok (termkus elektronemsszó), amelyek onzálják a rudak között gázt. A jelentős áram fenntartja az zzást (Joulehő), és így a ksülést s. Az ívksülésben jelentős hő és fény szabadul fel, amt régebben fényforrásként használtak, ma az ívksülést különböző, nagy hőt génylő technológa folyamatokban (pl. fémek vágása, hegesztése) hasznosítják.