Uniwersytet Medyczny w Łodzi

Wydział wojskowo lekarski

zajęcia laboratoryjne z biofizyki

Piotr

Kowalski

grupa iv

zespół nr 7

DATA: 21.12.2005 r.

TEMAT: BADANIEZMIAN OPORU ELEKTRYCZNEGO ELEKTROLITU, PÓŁPRZEWODNIKA I METALU W FUNKCJI TEMPERATURY.

1. Prawo Ohma i prawa Kirchoffa.

Prawo Ohma - mówi, że stosunek różnicy potencjałów między końcami przewodnika do natężenia płynącego prądu jest stały. Tę stałą wartość nazywamy oporem elektrycznym przewodnika:

gdzie:

• R - opór elektryczny w omach

• U - napięcie elektryczne w woltach

• I - natężenie prądu w amperach.

Pierwsze prawo Kirchoffa.

Suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie prądów wypływających z węzła.

Drugie prawo Kirchoffa.

Stosunek prądów płynących przez poszczególne gałęzie sieci elektrycznej jest równa odwrotności oporu w tych gałęziach :

2. Przewodniki prądu elektrycznego i izolatory.

Przewodnik elektryczny- substancja, która przewodzi prąd elektryczny.

Tak naprawdę "płynięcie prądu" to przeskakiwanie elektronu(ów) z ostatniej powłoki jednego atomu, do innego atomu. Tak więc przewodnikiem jest każdy materiał, który posiada wolne elektrony na ostatniej powłoce. Jako przewodniki stosowane są głównie metale. Z innych materiałów stosowanych jako przewodniki można wymienić np. elektrolity. Ponadto są prowadzone prace nad wykorzystaniem związków organicznych, np. domieszkowanych polimerów.

Izolator elektryczny - materiał, który nie przewodzi prądu elektrycznego (np. dielektryk).

3. Charakterystyka elektrolitów, półprzewodników i metali.

Elektrolitem nazywa się też każde medium, zdolne do jonowego przewodzenia prądu - czyli innymi słowami, zdolne do przekazywania jonowo ładunku między elektrodami.

Półprzewodniki to substancje krystaliczne, których konduktywność (zwana też przewodnością właściwą) jest rzędu 10^-8 do 10⁵ S/m (simensa na metr), co plasuje je pomiędzy przewodnikami a izolatorami. Wartość rezystancji półprzewodnika maleje wraz ze wzrostem temperatury.

W przemyśle elektronicznym najczęściej stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są pierwiastki grupy IV, np. krzem, german oraz związki pierwiastków: grup III i V (np. arsenek galu, antymonek indu) lub II i VI. Materiały półprzewodnikowe są wytwarzane w postaci monokryształu, w którym ich powłoki walencyjne zachodzą na siebie.

Półprzewodniki samoistne nie posiadają zbyt wielu elektronów swobodnych (duży opór właściwy, albo mała konduktywność), dlatego też stosuje się domieszkowanie. Materiały uzyskane przez domieszkowanie nazywają się półprzewodnikami niesamoistnymi.

Domieszkowanie polega na wprowadzeniu do struktury kryształu pierwiastków dwu-, trój-, pięcio- lub sześciowartościowych. Ponieważ w wiązaniach kowalencyjnych biorą udział cztery elektrony, więc w przypadku domieszki trójwartościowej pozostaje nie zapełnione miejsce w powłoce walencyjnej czyli tzw. dziura, zaś w przypadku domieszki pięciowartościowej jeden nadmiarowy elektron.

Wprowadzenie domieszki pięciowartościowej do kryształu np. krzemu ("Si" - 4 wartościowy) powoduje powstanie półprzewodnika typu n, zaś domieszka nazywana jest domieszką donorową. W takim półprzewodniku powstaje, w przerwie energii wzbronionej, dodatkowy poziom, poziom donorowy, oddalony od dna pasma przewodnictwa o około 0,01 eV. Z poziomu donorowego mogą "przeskoczyć" elektrony. Swobodnymi ładunkami w takim półprzewodniku są elektrony (ładunki ujemne), dlatego w tym przypadku mówi się o przewodnictwie elektronowym lub przewodnictwie typu n (z ang. negative -- ujemny).

Wprowadzenie domieszki trójwartościowej powoduje powstanie półprzewodnika typu p, zaś domieszka nazywana jest domieszką akceptorową. W tym przypadku brak jest swobodnych elektronów, ale za to dziury (czyli przemieszczające się w krysztale nie zapełnione miejsca w powłoce walencyjnej) zachowują się jak swobodne ładunki dodatnie. W tak domieszkowanym półprzewodniku mówi się o przewodnictwie dziurowym lub typu p (z ang. positive -- dodatni). W takim półprzewodniku powstaje, w przerwie energii wzbronionej, dodatkowy poziom, poziom akceptorowy oddalony od wierzchołka pasma walencyjnego o około 0,01 eV, na który to poziom z pasma walencyjnego mogą "przeskoczyć" elektrony pozostawiając za sobą dziurę, której ładunek co do wartości jest równy ładunkowi elektronu ale ma znak przeciwny. Dziury, ze względu na swoja masę efektywną zwykle większą od masy efektywnej elektronów, mają mniejszą ruchliwość .

Metal jest to substancja składająca się z atomów pierwiastków metalicznych nie związanych chemicznie z innymi atomami.

Pierwiastki metaliczne uważa się z kolei te pierwiastki, które wykazują w formie czystej chemiczne i fizyczne cechy metalu czyli:

• dobre przewodnictwo elektryczne

• dobre przewodnictwo cieplne

• tworzenie połyskliwej, gładkiej powierzchni w fazie krystalicznej,

• dość wysokie temperatury topnienia - większość metali jest stała w temperaturze pokojowej.

• skłonność do tworzenia związków chemicznych o własnościach raczej zasadowych i nukleofilowych niż kwasowych i elektrofilowych.

Metale i ich stopy mają oprócz tego doskonałe własności mechaniczne i dlatego są one powszechnie wykorzystywane do konstrukcji maszyn i urządzeń a także jako materiały konstrukcyjne w budownictwie.

4. Temperaturowy współczynnik zmian oporu elektrycznego.

Opór właściwy przewodników ρ, a więc i opór przewodnika zależy od temperatury. Opór przewodników metalicznych rośnie ze wzrostem temperatury, natomiast opór dielektryków, półprzewodników, elektrolitów i gazów maleje.

W przybliżeniu zmiany oporu mają charakter liniowy, przy czym

gdzie ρ₀ oznacza opór właściwy w temperaturze 273 K, ρ_t -w temperaturze t, α -współczynnik temperaturowy oporu. Dla czystych metali w temperaturach bliskich pokojowej wartość α jest rzędu 4⋅10^-3 K^-1

---