Fyzika - Elektřina IV.
VEDENÍ ELEKTRICKÉHO PROUDU V PLYNECH A VÁKUU
Plyny jsou složeny z elektricky neutrálních molekul a za normálních podmínek jsou prakticky nevodivé, jsou velmi dobrými izolanty. Aby mohl plynem procházet elektrický proud, musí v něm vzniknout dostatečný počet elektricky nabitých částic - iontů. Děj, při kterém se vytvářejí ionty, nazýváme ionizace. K ionizaci může dojít například zahřátím, radioaktivním zářením nebo působením silného elektrického pole. Prostředky, kterými se vyvolá ionizace, se nazývají ionizátory.
Ionty, vytvořené ionizací, nemají neomezenou životnost. Protože mají opačné náboje, opět se vzájemně přitahují a spojují se v neutrální molekuly - dochází k rekombinaci iontů. Ionizace a rekombinace probíhají v plynu současně. Převládá-li v určitém okamžiku ionizace, vodivost plynu roste, převládá-li rekombinace, počet iontů klesá a vodivost plynu se zmenšuje.
Elektrický proud vede pouze ionizovaný plyn. Odstraníme-li ionizátor, ionty rekombinací rychle zanikají a výboj skončí. Proud se udržuje jen po dobu působení ionizátoru a proto mluvíme o nesamostatném výboji. Při překročení určitého napětí získají ionty v elektrickém poli dostatek energie na to, aby mohly samy ionizovat další neutrální molekuly. Výboj pak pokračuje i bez přítomnosti vnějšího ionizátoru, vznikne samostatný výboj.
SAMOSTATNÝ VÝBOJ ZA NORMÁLNÍHO ATMOSFÉRICKÉHO TLAKU
Aby došlo k výboji za normálního tlaku, musí být mezi elektrodami buď velké napětí (doutnavý nebo jiskrový výboj), nebo musí být prostor mezi elektrodami silně ionizovaný (obloukový výboj). Tyto výboje se využívají v technické praxi, setkáme se s nimi také v přírodě. Příkladem mohutného jiskrového výboje je blesk, doutnavý výboj můžeme pozorovat v blízkosti vedení vysokého napětí.
SAMOSTATNÝ VÝBOJ ZA SNÍŽENÉHO TLAKU
Při zřeďování plynu se v elektrickém poli dráha iontů mezi dvěma srážkami (tzv. volná dráha) zvětšuje a na delší dráze získávají ionty větší energii. Proto dochází snadněji k nárazové ionizaci a ve zředěných plynech vzniká výboj už při nižším napětí. Připojíme-li skleněnou trubici s elektrodami ke zdroji vysokého napětí, vznikají průchodem proudu různé světelné jevy. Jejich charakter závisí na tlaku plynu v trubici, barva světla je dána druhem plynu. Nejvyužívanější je tzv. doutnavý výboj, zejména v různých typech světelných zdrojů a v různobarevných reklamních trubicích.
PROUD I VE VÁKUU
V dostatečně zředěném plynu už prakticky nedochází k ionizaci molekul plynu a trubicí prochází k anodě proud elektronů uvolňovaných silným elektrickým polem nebo žhavením katody. Proud elektronů ve vyčerpané trubici nazýváme katodové záření. Kinetická energie letících elektronů se mění na jiné druhy energie, například na světelnou (obrazovka), na jiné záření (rentgenka) apod.
VEDENÍ ELEKTRICKÉHO PROUDU V POLOVODIČÍCH
Málokterý vynález tak ovlivnil současnou dobu jako vynález tranzistoru roku 1947. Tato nepatrná polovodičová součástka umožnila nesmírně rychlý a široký rozvoj elektroniky. Od prvního využití polovodičových součástek v naslouchacích přístrojích a kapesních tranzistorových přijímačích vedla cesta ke vzniku stále dokonalejších integrovaných obvodů. Vyvrcholením dosavadního vývoje se stal programovatelný mikroprocesor. Stále výkonnější integrované obvody a mikroprocesory dnes najdeme doslova na každém kroku - od kalkulaček, mobilních telefonů a osobních počítačů přes automatizované výrobní linky až po kosmické sondy, přistávající na Marsu.
Polovodiče jsou látky, které mají měrný odpor mnohem větší než kovové vodiče, ale menší než izolanty. Vodivost polovodičů silně závisí na teplotě a na osvětlení. Nejvýznamnějším polovodičem je křemík, dále pak germanium, selen, fosfor, arzen a řada dalších. Uplatňují se jako základní materiály pro konstrukci polovodičových součástek (křemík), nebo jako složky a příměsi polovodičových sloučenin.
Polovodiče se svými vlastnostmi výrazně liší od kovových vodičů, hlavní rozdíly jsou uvedeny v následujícím přehledu:
Polovodičové diody
Největší využití v elektronice má přechod PN, kde se stýkají polovodiče s opačným typem vodivosti. Přechod PN má tu vlastnost, že v jednom směru jím proud může procházet, zatímco v opačném směru nikoli. Polovodičová dioda je součástka, která vede proud jenom v jednom směru a proto se používá jako usměrňovač střídavého proudu. Existuje řada jejích variant:
- usměrňovací dioda - slouží k usměrnění střídavého proudu a umožňuje tak napájení stejnosměrných spotřebičů ze střídavé sítě
- Zenerova dioda - slouží ke stabilizaci stejnosměrného napětí v zařízeních, kde je třeba udržovat napětí na konstantní hodnotě
- kapacitní dioda (varikap) - změnou velikosti připojeného napětí se mění šířka hradlové vrstvy a tím i její kapacita. Využití je např. v ladicích obvodech televizních a rozhlasových přijímačů
- svítivá dioda LED - u některých polovodičů vydává přechod PN světlo při průchodu proudu. Barva světla závisí na druhu polovodiče. Diody LED se používají jako indikátory, výstražná světla, v hračkách aj.
- fotodioda - dopadem světla na vhodně upravený přechod PN vzniká na vývodech diody napětí, jehož velikost je úměrná osvětlení. Tohoto jevu se využívá k napájení kalkulaček, v signalizačních a bezpečnostních zařízeních, fotočlánky (solární články) jsou zdrojem napájecího napětí na umělých družicích a kosmických sondách
- tyristor - vícevrstvá dioda (PNPN), používá se např. k bezeztrátové bezkontaktní regulaci otáček motorů (vrtačky, elektrické lokomotivy, tramvaje apod.) nebo k plynulé regulaci osvětlení
- triak - vícevrstvý polovodičový prvek pro regulaci intenzity domácího osvětlení, otáček vrtaček, vysavačů a podobných nízkovýkonových elektrických spotřebičů
Tranzistor je polovodičová součástka, která je tvořena dvěma přechody PN. Má tři vývody - bázi, emitor a kolektor a může být dvojího typu: PNP a NPN. Tranzistor se používá ve třech základních oblastech:- zesilovač - slabý signál přivedený na bázi je po zesílení odebírán z obvodu kolektoru. Pro větší zesílení se zapojují tranzistory jako vícestupňový zesilovač
- generátor - vhodným zapojením je možno tranzistorem řídit periodické dodávání energie do kmitavého obvodu a udržovat v něm netlumené kmity. Využití je především ve vysílačích všeho druhu
- spínač - tato oblast využití tranzistoru je základem obvodů v digitálních přístrojích - kalkulačkách, měřicích přístrojích, signalizačních zařízeních a především v počítačích
V šedesátých letech 20. století se začaly vyrábět polovodičové součástky, které v jediném malém pouzdře obsahovaly mnoho desítek i stovek tranzistorů, diod, rezistorů a kondenzátorů. Vznikly první integrované obvody, které dovolily miniaturizovat většinu elektronických zařízení a současně zvýšit jejich spolehlivost. O dest let později vznikly první mikroprocesory, které jsou srdcem každého počítače. Na křemíkové destičce (čipu) o ploše několik mm2 mohou být složitým technologickým procesem integrovány i desítky milionů tranzistorů! Čím výkonnější je mikroprocesor a čím větší je kapacita polovodičových pamětí, tím rychlejší a výkonnější je počítač.