🧪 Proud v kapalinách, plynech a polovodičích

Kde teče proud

O čem to je

Proud neteče jen v drátech. Teče roztokem v autobaterii, vzduchem při blesku i malinkým čipem v mobilu. Pokaždé ho ale nese něco jiného a pokaždé se chová trochu jinak.

Díky tomu umíme pozlacovat šperky, vyrábět hliník, svítit zářivkami a stavět počítače z křemíku.

Nové pojmy

Nosič nábojeČástice s nábojem, která se může pohybovat a tím vytvářet proud.V kovech elektrony, v roztocích ionty.
Ion (kationt, aniont)Atom nebo molekula, která má elektronů navíc nebo méně, a je tedy nabitá. Kationt je kladný, aniont záporný.Kuchyňská sůl ve vodě se rozpadne na kationty Na⁺ a anionty Cl⁻.
ElektrolytKapalina, která vede proud, protože obsahuje ionty.Slaná voda, kyselina v autobaterii.
Elektrody: katoda a anodaVodiče ponořené do elektrolytu. Katoda je připojená k zápornému pólu, anoda ke kladnému. Kationty putují ke katodě, anionty k anodě.

Kapaliny: elektrolýza

Když proud prochází elektrolytem, na elektrodách se vylučují látky. Kationty mědi Cu²⁺ přijdou ke katodě, převezmou elektrony a usadí se jako vrstvička kovové mědi. To je elektrolýza.

Čím větší proud a čím déle teče, tím víc látky se vyloučí. Toho se využívá při galvanickém pokovování (pozlacení, pochromování), čištění mědi i výrobě hliníku.

Plyny: výboje

Vzduch je normálně izolant. Při velkém napětí se ale molekuly rozbijí na ionty a elektrony, které se srážkami lavinovitě množí – plynem projde proud. To je výboj. Když se udržuje sám i bez vnějšího ionizátoru, je samostatný.

Druhy: jiskrový (blesk, jiskra), obloukový (svařování – oslnivé světlo a velké teplo), doutnavý (neonová trubice, zářivka – za nízkého tlaku), koróna (slabé světélkování na hrotech vedení vysokého napětí).

Polovodiče

PolovodičLátka, která za nízké teploty skoro nevede, ale při zahřátí nebo osvětlení vede čím dál lépe.Křemík (Si) – základ všech čipů.
DíraPrázdné místo po elektronu, který z vazby utekl. Sousední elektron do něj „skočí“ a díra se posune. Chová se jako kladný nosič náboje.

Roztřiď zařízení podle toho, v jakém prostředí v nich teče proud.

Přidáním nepatrného množství jiné látky (příměsi) vznikne polovodič typu N (víc volných elektronů, např. fosfor v křemíku) nebo typu P (víc děr, např. bor v křemíku). Kde se P a N stýkají, vznikne přechod PN – propustí proud jen jedním směrem. To je dioda. Tranzistor má dva přechody PN a umí proud zesilovat a spínat.

Kolik náboje projde elektrolytem, teče-li proud 5 A po dobu 10 minut?
Q = I · t = 5 A · 600 s = 3 000 C.
Proč fosfor v křemíku vytvoří polovodič typu N?
Křemík má 4 valenční (vnější) elektrony, fosfor 5. Čtyři se zapojí do vazeb, pátý je volný. Přibudou tak volné elektrony = záporné nosiče = typ N.
✗V elektrolytu nesou proud elektrony jako v drátu.
✓V elektrolytu nesou proud ionty – kationty i anionty.

Proto se při elektrolýze přenáší látka a na elektrodách se něco vylučuje. V kovovém drátu se látka nepřenáší.

Elektrolyt: ionty, elektrolýza. Plyn: ionty a elektrony, výboje. Polovodič: elektrony a díry; příměsi dávají typ N a P, přechod PN vede jedním směrem.

Vztahy

O čem to je

Firma pozlacuje hodinky. Kolik zlata se usadí za hodinu při daném proudu? Inženýr navrhuje solární článek – jaký polovodič použít? Tady jsou pravidla, podle kterých se to počítá a vysvětluje.

Nové pojmy

Elektrický proud a nábojProud I (A) je náboj za sekundu, proto náboj Q = I · t (C).
Ionty a elektrolytIonty jsou nabité atomy či molekuly (kationty +, anionty −). Elektrolyt je kapalina s ionty – vede proud. Kationty jdou ke katodě (−), anionty k anodě (+).
ElektrolýzaChemické změny na elektrodách při průchodu proudu elektrolytem – vylučuje se látka.
Elektrochemický ekvivalent AKolik kg látky se vyloučí, když projde 1 C náboje. Jednotka kg/C. Pro měď 3,3 · 10⁻⁷ kg/C.
Faradayova konstanta FNáboj jednoho molu elementárních nábojů: F ≈ 96 500 C/mol (přesněji 96 485).

Faradayovy zákony elektrolýzy

1. zákon: m = A · I · t = A · Q. Hmotnost vyloučené látky je úměrná prošlému náboji.

2. zákon: A = M_m / (F · z), kde M_m je molární hmotnost a z počet elementárních nábojů iontu (u Cu²⁺ je z = 2).

Spočítej náboj Q = I · t (čas v sekundách).
Vynásob elektrochemickým ekvivalentem: m = A · Q.
Výsledek je v kg – převeď na g (× 1 000).
Měď (A = 3,3 · 10⁻⁷ kg/C), proud 2 A po dobu 1 000 s. Kolik mědi se vyloučí?
Q = 2 · 1 000 = 2 000 C. m = 3,3 · 10⁻⁷ · 2 000 = 6,6 · 10⁻⁴ kg = 0,66 g.

Proud v plynech

Plyn vede, jen když v něm jsou ionty a elektrony. Nesamostatný výboj potřebuje vnější ionizátor (plamen, záření). Samostatný výboj si nosiče vyrábí sám nárazy urychlených částic.

VýbojPříklad
jiskrovýblesk
obloukovýsvařování
doutnavýneonová trubice
korónavýboj na hrotech vedení

Polovodiče

Vlastní a příměsová vodivostVlastní: v čistém polovodiči teplo uvolní elektrony a vzniknou stejně početné díry; vodivost s teplotou roste. Příměsová: příměs dodá elektrony (donor → typ N) nebo vytvoří díry (akceptor → typ P).

Spáruj si v hlavě a pak otoč karty.

  • P (fosfor) v Si – donor → typ N, nosiče elektrony
  • B (bor) v Si – akceptor → typ P, nosiče díry
  • přechod PN – propouští proud jen v propustném směru (dioda)
  • tranzistor – dva přechody PN, zesiluje a spíná
Kolik coulombů projde při proudu 5 A za 10 minut?
10 min = 600 s. Q = 5 · 600 = 3 000 C.
✗Polovodič vede stejně jako kov a jeho odpor s teplotou roste.
✓Vodivost polovodiče s teplotou roste (odpor klesá).

V polovodiči teplo uvolňuje další nosiče náboje. V kovu jsou nosiče stále stejné a teplo jim jen víc překáží.

m = A·I·t, A = M_m/(F·z), F ≈ 96 500 C/mol. Výboje v plynech. Polovodič: N = elektrony, P = díry, přechod PN vede jedním směrem.
🔌Elektrický proud v kovech🧲Stacionární magnetické pole