по какому признаку грунты разделяют на проводники первого или второго рода

Проводники первого и второго рода.

Проводники – вещества, проводящие электрический ток благодаря наличию в них большого количества зарядов, способных свободно перемещаться (в отличие от изоляторов). Они бывают I (первого) и II (второго) рода. Электропроводность проводников I рода не сопровождается химическими процессами, она обусловлена электронами. К проводникам I рода относятся: чистые металлы, т. е. металлы без примесей, сплавы, некоторые соли, оксиды и ряд органических веществ. На электродах, выполненных из проводников I рода, происходит процесс переноса катиона металла в раствор или из раствора на поверхность металла. К проводникам II рода относятся электролиты. В них прохождение тока связано с химическими процессами и обусловлено движением положительных и отрицательных ионов.
После подстановки численных значений Е 0 и b 0 при 25 о С:

Каломельные электроды – это ртуть, покрытая пастой из каломели, и ртуть, находящаяся в контакте с раствором КСl.

Электродная реакция сводится к восстановлению каломели до металлической ртути и аниона хлора:

Потенциал каломельного электрода обратим по отношению к ионам хлора и определяется их активностью:

При 25 о С потенциал каломельного электрода находят по уравнению:

Ртутно-сульфатные электроды SО4 2 – /Нg2SО4, Нg аналогичны каломельным с той лишь разницей, что ртуть здесь покрыта слоем пасты из Нg и закисного сульфата ртути, а в качестве раствора используется Н2SО4. Потенциал ртутно-сульфатного электрода при 25 о С выражается уравнением:

Хлорсеребряный электрод представляет собой систему Сl – /АgСl, Аg, а его потенциалу отвечает уравнение:

ЕСl – /АgСl, Аg = Е 0 Сl – /АgСl, Аg – b lg а Сl–

Источник

Полупроводники в сильном электрическом поле

В образце, по которому течет ток I

, выделяется мощность
\(~P = I^2R = \sigma E^2LS\)
(мы учли, что \(~I = jS = \sigma ES\), \(~R = \frac{\rho L}{S} = \frac{L}{\sigma S}\)). В единице объема выделяется мощность \(~Q = \sigma E^2\). При одном и том же значении Q

электрическое поле \(~E = \sqrt{\frac{Q}{\sigma}}\) в полупроводниках гораздо больше, чем в металлах, так как концентрация электронов в полупроводниках и, значит, проводимость
σ
намного меньше. Следовательно, в них легче нарушить условия \(~u < \upsilon_{zv}\), \(~u \ll \upsilon_0\). Кроме того, на каждый электрон в полупроводнике приходится большая мощность, чем в металле. Электронный газ разогревается сильнее, поэтому и неравенство \(~\Delta T_e \ll T_e\) тоже нарушается легче.

Нарушение какого из условий — (1), (2) или (3) — при увеличении электрического поля приведет к наиболее существенному отклонению от закона Ома, зависит от типа полупроводника. Например, в CdS

сначала нарушается условие \(~u < \upsilon_{zv}\). При этом в поле
E
zv = 1,4·105 В/м на вольт-амперной характеристике
j
(
E
) возникает излом (рис. 2). Если
Е
>
E
zv, этот полупроводник интенсивно испускает звук и может быть использован в качестве генератора звуковых колебаний.

Рис. 2
В других полупроводниках, таких как Ge

,
Si
,
GaAs
,
InP
,
CdTe
, звук возбуждается гораздо слабее, и в поле
E
zv заметного излома не наблюдается. В этих полупроводниках отклонения от закона Ома связаны с нарушением условия \(~\Delta T_e \ll T_e\). При этом время свободного пробега оказывается обратно пропорциональным полю
Е
, т. е. \(~\tau (E) \sim \frac 1E\), и зависимость плотности тока от поля связана только с изменением
m
* и
n
. В
Ge
и
Si
при
Е
> 106 В/м на вольт-амперной характеристике (рис. 3) наблюдается насыщение
j
(
m
*,
n
не зависят от
Е
). В
GaAs
,
InP
,
CdTe
при увеличении энергии электронов с ростом
Е
не только уменьшается время свободного пробега
τ
, но и растет эффективная масса
m
*. Увеличение
m
* вызвано изменением взаимодействия электронов с кристаллической решеткой. В результате в этих полупроводниках, начиная с некоторого значения электрического поля
E
a, плотность тока
j
падает с ростом
Е
(участок
E
a <
E
<
E
b на рисунке 3). В
GaAs
падение
j
начинается с
E
a = 3,2·105 В/м и продолжается до
E
b ≈ 10
E
a. В поле
E
a дрейфовая скорость электронов \(~u = \frac{j}{en}\) = 1,5·105 м/с.

Рис. 3
В еще более сильном поле Е

~ 107 В/м наряду с нарушением условия \(~\Delta T_e \ll T_e\) нарушается и условие \(~u \ll \upsilon_0\). В таком поле электроны получают за время свободного пробега энергию, достаточную для ионизации атомов. Быстрые электроны при столкновениях с атомами выбивают дополнительные электроны, которые в свою очередь тоже ускоряются полем и генерируют новые носители заряда. Этот процесс называется ударной ионизацией. Общая концентрация
n
электронов возрастает, и, следовательно, растет проводимость. При еще большем увеличении электрического поля (
E
> 107 В/м) концентрация и проводимость возрастают лавинообразно, наступает пробой полупроводника.

Таким образом, в полупроводниках в очень сильных полях Е

плотность тока \(~j = \sigma E\) увеличивается быстрее, чем по линейному закону. В частности, в
Ge
и
Si
насыщение тока сменяется его нелинейным ростом, а в
GaAs
,
InP
,
CdTe
вольт-амперная характеристика приобретает
N
-образный вид (рис. 3); при 0 <
E
<
E
a выполняется закон Ома, в интервале
E
a <
E
<
E
b имеется падающий участок, вызванный уменьшением
τ
и возрастанием
m
* в сильном электрическом поле, и, наконец, в области
E
>
E
b происходит быстрый рост
j
из-за увеличения
n
.

Шпаргалки к экзаменам и зачётам

студентам и школьникам

Электрохимическая система, ее составные части. Проводники первого и второго рода. Законы электролиза.

Взаимное превращение химической и электрической форм энергии совершается только в электрохимических системах, поэтому их изучение составляет предмет электрохимии. Электрохимическая система содержит следующие составные части :

1. Реагенты, а также ионизированные или способствующие ионизации реагентов вещества, обеспечивающие прохождение электрического тока; эта часть системы является ионным проводником электричества (проводник второго рода) и называется электролитом.

3. Металлический проводник (проводник первого рода), соединяющий электроды и обеспечивающий прохождение тока между ними; он называется внешней цепью.

Электрохимическая система, в которой за счёт внешней электрической энергии совершаются химические превращения, называется электролизёром или электролитической ванной. Электрод, принимающий электроны от участников реакции, называется анодом. Электрод, отдающий электроны участникам реакции, – катодом. Часть электролита, примыкающая к аноду, называется анолитом; примыкающая к катоду – католитом.

Поскольку потеря электронов отвечает реакции окисления, а их приобретение – реакции восстановления, то можно сказать, что анод – это электрод, на котором происходит окисление, а катод – электрод, на котором происходит восстановление. Поэтому анод одновременно является отрицательным, а катод – положительным полюсом химического источника тока.

Проводники первого и второго рода

Ранее, при рассмотрении составных частей электрохимических систем, были использованы такие понятия, как проводники первого и второго рода. Разберем эти понятия поподробнее.

Твердые и жидкие проводники, прохождение через которые электрического тока не вызывает переноса вещества в виде ионов, называются проводниками первого рода. Электрический ток в проводниках первого рода осуществляется потоком электронов ( электронная проводимость). К таким проводникам относятся твёрдые и жидкие металлы и некоторые неметаллы (графит, сульфиды цинка и свинца). Их удельное сопротивление r лежит в пределах 10 –8 – 10 –5 Ом × м. Температурный коэффициент проводимости отрицателен, то есть с ростом температуры электропроводность уменьшается.

Проводники второго рода называются электролитами. Это могут быть чистые вещества или растворы. Часто электролитами называют вещества, растворы которых проводят электрический ток. Эти растворы называют растворами электролитов.

На аноде могут протекать реакции типа :

2 Cl – ® Cl 2(г) + 2 e (6)

Cu 2+ + 2Cl – ® Cu( т ) + Cl2 (1) + (6)

Источник

Применение на практике

Если принять во внимание вышесказанное, то стоит отметить, что ток по кабелю протекает и распределяется, словно по внешнему диаметру трубы. Это вызвано особенностями распределения электронов в проводящем теле

Любопытно, что при протекании токов в системах с током высокой частоты наблюдается скин-эффект. Это и есть распределение зарядов по поверхности проводников. Но в этом случае наблюдается ещё более тонкий «проводящий» слой.

Что это значит? Это говорит о том, что для протекания тока аналогичной величины с сетевой частотой в 50 Гц и с частотой 50 кГц в высокочастотной цепи потребуется большее сечение токопроводящей жилы. На практике это наблюдают в импульсных блоках питания. В их трансформаторах как раз такие токи и протекают. Для увеличения площади сечения либо выбирают толстый провод, либо мотают обмотки несколькими жилками сразу.

Описанная в предыдущем разделе зависимость распределения плотности от формы поверхности на практике используется в системах молниезащиты. Известно, что для защиты от поражения молнией устанавливают один из видов молниезащиты, например громоотвод. На его поверхности скапливаются заряженные частицы, благодаря чему разряд происходит именно в него, что опять же подтверждает сказанное об их распределении.

Напоследок рекомендуем просмотреть видео, на котором простыми словами объясняется и наглядно показывается, как распределяются заряды в проводнике:

Это все, что мы хотели рассказать вам по поводу того, как происходит распределение зарядов в проводнике при протекании тока. Надеемся, предоставленная информация была для вас понятной и полезной!

Проводники первого и второго рода

8. Проводники первого и второго рода

После подстановки численных значений Е 0 и b 0 при 25 o С:

Каломельные электроды – это ртуть, покрытая пастой из каломели, и ртуть, находящаяся в контакте с раствором KCl.

Электродная реакция сводится к восстановлению каломели до металлической ртути и аниона хлора:

Потенциал каломельного электрода обратим по отношению к ионам хлора и определяется их активностью:

При 25 о С потенциал каломельного электрода находят по уравнению:

Ртутно-сульфатные электроды SO 4 2 – /Hg 2SO 4, Hg аналогичны каломельным с той лишь разницей, что ртуть здесь покрыта слоем пасты из Hg и закисного сульфата ртути, а в качестве раствора используется H 2SO 4. Потенциал ртутно-сульфатного электрода при 25 o С выражается уравнением:

Хлорсеребряный электрод представляет собой систему Cl – /AgCl, Ag, а его потенциалу отвечает уравнение:

ECl – /AgCl, Ag = E 0 Cl – /AgCl, Ag – b lg a Cl–

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Эффект Ганна

Наличие падающего участка на вольт-амперной характеристике приводит к интересному явлению, обнаруженному американским инженером Джоном Ганном.

Приложим к образцу GaAs

длиной
L
напряжение
U
такое, чтобы оказаться на падающем участке зависимости
j
(
Е
). Предположим, что сначала электрическое поле в образце однородно и равно \(~\frac{U_0}{L}\). Пусть по какой-либо причине в тонком слое
АВ
образца поле
Е
оказалось чуть больше, чем в остальном объеме образца (рис. 4). Тогда скорость дрейфа электронов \(~u = \frac{j}{en}\) внутри слоя
АВ
окажется меньше, чем снаружи. Поэтому к границе
А
будет подлетать больше электронов, чем улетать от нее, а у границы
В
— наоборот. Вблизи
А
возникнет избыток отрицательного заряда, а вблизи
В
— положительного. Следовательно, в слое
АВ
появится дополнительное электрическое поле, направленное в ту же сторону, что и исходное. Увеличение поля приведет к тому, что дрейфовая скорость электронов внутри слоя еще уменьшится, и поле там еще больше возрастет.

Рис. 4
Таким образом, однородное распределение электрического поля на падающем участке j

(
Е
) невозможно: любая сколь угодно слабая неоднородность
Е
, случайно возникшая в образце, не рассасывается, а нарастает. В результате образуется узкая область (размером
δ
) сильного поля, которая называется электрическим доменом. При этом, так как напряжение
U
на образце задано, т. е.
\(~E_2 \delta + E_1 (L — \delta) = U_0 = \operatorname{const},\)
рост поля E

2 в домене сопровождается уменьшением поля
E
1 вне его. Наступит момент, когда
E
1 <
E
a и
E
2 >
E
b (см. рис. 3). Скорость дрейфа электронов вне домена начнет уменьшаться, а внутри — увеличиваться. Рост поля
E
2 в домене прекратится, когда эти скорости сравняются, и плотности токов в домене и в образце станут одинаковыми:
\(~j(E_1) = j(E_2) = j_0.\)
Из двух последних равенств следует, что установившаяся в образце плотность тока j

зависит от толщины домена
δ
.

Обычно домен возникает вблизи катода (за счет вплавления контактов здесь больше неоднородностей) и, увлекаемый потоком электронов, начинает двигаться к аноду со скоростью \(~u_0 = \frac{j_0}{en}\). Пока он движется вдоль образца, его размер не меняется, а значит, не меняется и ток j

. Вблизи анода домен начинает исчезать, его толщина уменьшается, и ток в образце возрастает. Одновременно увеличивается поле
E
1 вне домена. Как только
E
1 достигнет значения
E
a, у катода зарождается новый домен, ток начинает уменьшаться, и этот процесс периодически повторяется (рис. 5). Период колебаний тока в образце — \(~T_0 = \frac{L}{u_0}\).

Рис. 5
Итак, прикладывая к полупроводнику постоянное напряжение U

, мы получаем переменный ток частоты \(~f = \frac{1}{T_0} = \frac{u_0}{L}\). Это совсем уж непохоже на закон Ома. В арсениде галлия (
GaAs
)
u
≈ 105 м/с. Используя небольшие образцы длиной от одного до ста микрон, можно менять частоту переменного тока в диапазоне
f
~ 109 — 1011 Гц. На основе эффекта Ганна работает большинство современных генераторов сверхвысоких частот (СВЧ). Эти приборы используются, например, для определения постами ГАИ скорости движения автомобилей и в телевизионном вещании через искусственные спутники Земли.

2.4. Грунт как проводник

Основным электрическим параметром верхних слоев земли является удельное электрическое сопротивление грунта

измеряется в омметрах (Ом»м). Иногда для удобства пользуются величиной, обратной удельному электрическому сопротивлению. Такую величину называют удельной электрической проводимостью фунта. Удельная проводимость и удельное сопротивление связаны между собой известной зависимостью:

У различных грунтов меняется в очень широких пределах – от тысячных долей Ом м у самородных металлов до многих миллиардов Ом м у таких изоляторов как кварц, слюда, полевые шпаты и др. Грунты разделяют на электронные проводники – т.е. проводники 1-го рода, в которых заряды переносятся свободными электронами, и на ионные проводники – т.е. проводники 2-го рода, в которых электрический заряд переносится ионами, которые находятся в растворах, заполнивших поры и трещины грунта. К первой группе грунтов относят наибольшее количество пород – таких как самородные металлы, сульфит, графит, антрацит. Ко второй – все остальные грунты, с которыми приходится иметь дело при инженерно-геологических изысканиях.

Однако, следует заметить, что в реальных породах всегда присутствуют оба рода проводимости, но в зависимости от того, какой род доминирует, их и относят к 1-й или 2-й группе.

Когда же справедлив закон Ома

Прежде всего рассмотрим, при каких условиях величина τ

не меняется под действием поля
Е
.

Время τ

зависит от скоростей электронов. Дрейфовая скорость \(~u = \frac{eE \tau}{m^*}\), появляющаяся при включении электрического поля, возрастает при увеличении
Е
. Пока электрическое поле мало, так что дрейфовая скорость и гораздо меньше средней скорости хаотического движения
υ
, величиной
u
можно пренебречь и считать время
τ
не зависящим от поля
Е
. Если же
Е
велико настолько, что значение
u
сравнимо с
υ
, to дрейфовую скорость нужно учитывать. В этом случае скорости электронов и, следовательно, время свободного пробега
τ
оказываются зависящими от электрического поля.

Таким образом, для выполнения закона Ома необходимо, чтобы выполнялось условие

\(~u \ll \upsilon_0, \qquad (1)\)

т. е. напряженность электрического поля в проводнике должна быть много меньше \(~E = \frac{m^* \upsilon_0}{e \tau}\).

В полупроводниках, как мы уже говорили, υ

~ 106 м/с. Чтобы достичь значения
u
, сравнимого с
υ
, к полупроводнику необходимо приложить поле
E
~ 106 В/м. Это — огромная величина, сравнимая с напряженностью поля в молнии. Тем не менее такое поле удается создать в полупроводниках.

Есть еще одно, более сильное ограничение на скорость u

. Она должна быть меньше скорости звука в проводнике (а
υ
zv ~ 103 м/с):
\(~u < \upsilon_{zv}. \qquad (2)\)
Как только скорость u

достигает значения
υ
zv, в кристалле возбуждаются звуковые колебания. При этом время свободного пробега
τ
и проводимость
σ
, пропорциональная
τ
, могут уменьшиться. Эта ситуация аналогична резкому увеличению аэродинамического сопротивления после преодоления самолетом звукового барьера.

Итак, в поле \(~E \ge \frac{m^* \upsilon_{zv}}{e \tau}\) проводимость начинает зависеть от величины Е

, и закон Ома нарушается.

Действие электрического поля не сводится только к появлению дрейфового движения. Известно, что при протекании тока в проводнике выделяется джоулево тепло, и он нагревается. Рассмотрим этот процесс подробнее.

Любой проводник можно считать состоящим из двух подсистем: кристаллической решетки, образованной атомами вещества, и газа электронов проводимости, заполняющего решетку. Электроны и решетку можно характеризовать своими температурами T

e и
T
p. В отсутствие электрического поля электронный газ находится в тепловом равновесии с решеткой и окружающей средой:
T
e =
T
p =
T
c. Поле
Е
действует на электроны проводимости и разогревает прежде всего их. Лишь затем от электронов тепло передается решетке, а потом окружающей среде. Поэтому при наличии поля тепловое равновесие нарушается так, что
T
e >
T
p >
T
c.

Если теплопередача от проводника окружающей среде хуже теплопередачи от электронов атомам и, следовательно, \(~T_e — T_p \ll T_p — T_c\), то решетка вместе с электронами разогревается как целое. (Такая ситуация характерна для спирали лампы накаливания.) Возможен и обратный случай, когда температура электронов намного выше температуры решетки и \(~T_e — T_p \gg T_p — T_c\).

В металлах, как мы уже говорили, средняя скорость хаотического теплового движения электронов практически не зависит от температуры. А вот в полупроводниках увеличение T

e под действием электрического поля означает рост скорости
υ
теплового движения электронов, а значит — уменьшение времени свободного пробега. Если изменение Δ
υ
скорости
υ
мало, т. е. \(~\Delta \upsilon_0 \ll \upsilon_0\), то зависимостью
υ
от
Е
и, значит, т от
Е
можно пренебречь. Условие \(~\Delta \upsilon_0 \ll \upsilon_0\) эквивалентно условию малости перегрева Δ
T
e электронов относительно равновесного состояния:
\(~\Delta T_e \ll T_e . \qquad (3)\)
Таким образом, условие независимости времени свободного пробега от величины электрического поля, необходимое для выполнения закона Ома, задает следующие ограничения на области применимости этого закона:

\(~u \ll \upsilon_0, \qquad (1)\) \(~u < \upsilon_{zv}, \qquad (2)\) \(~\Delta T_e \ll T_e = T_c . \qquad (3)\)

Нарушение любого из этих неравенств может привести к отклонению от закона Ома. Ниже мы увидим, что при нарушении неравенств \(~u \ll \upsilon_0\) и \(~\Delta T_e \ll T_e\) электрическое поле Е

может влиять и на другие величины, входящие в формулу Друде,— эффективную массу
m
* и концентрацию электронов
n
. Зависимости
m
* и
n
от
Е
могут существенно изменить вид вольт-амперных характеристик полупроводников.

Методика, техника и объёмы работ.

Во время прохождения практики применяют наиболее распространенные в инженерно-гидрогеологической геофизике методы электроразведки.

Методом сопротивления изучают геологический разрез по горизонтали (электропрофилирование) и на глубину (вертикальное электрическое зондирование). Метод обладает высокой информативностью, позволяет определять как геометрию геоэлектрического разреза (положение в изучаемом: объеме границ геологических образований, различающихся по величине удельного электрического сопротивления, и их конфигурацию), так и величину изучаемого параметра (удельного электрического сопротивления).

Электропрофилирование осуществлено с помощью симметричной установки А2М2N9B и было выполнено по 7 профилям, длиной 100м, с шагом точек наблюдений через 10м. 6 опорных точек были отмечены колышками по периметру планшета с соответствующими надписями на них. В аномальных зонах ЭП выполнены детализационные измерения с шагом 5м.

Электропрофилирование выполнено при помощи электроразведочной аппаратуры ЭРП-1 совместного российско-украинского производства (г.Севастополь). В неё входят 2 электроприбора (генератор и измеритель), 4 электрода – 2 токовых и 2 приёмных.

Интерпретация данных по СЭП выполнена на основании полевых измерений в камеральных условиях при помощи программы Microsoft Office Excel. Согласно данным по продольным профилям, были построены графики по этим профилям для выявления максимальных и минимальных значений Рк, а так же был построен план изолиний Рк, при помощи которого были определены аномальный зоны для ВЭЗ.

Полевые наблюдения методом ВЭЗ на практике осуществляют после обработки и интерпретации данных по электропрофилированию. Согласно плана изолиний Рк были выявлены аномальные зоны для минимального и максимального значений кажущегося сопротивления.

Вертикальные измерения методом ВЭЗ существлены в аномалных зонах для определения физической породы в аномальном и нормальном полях. Вертикальное электрическое зондирование было произведено при помощи установки А2М2N9B.

Источник