Xi bob. ÒUrli muhitlarda elektr toki

bet	1/3
Sana	17.08.2017
Hajmi	200.28 Kb.
	#13644

1 2 3

258

XI BOB. ÒURLI MUHITLARDA

ELEKTR TOKI

Erkin elektronlarining miqdoriga qarab, moddalar o‘tkazgich-

larga, dielektriklarga va yarimo‘tkazgichlarga ajraladi. Butun hajmi

bo‘ylab elektr zaryadini erkin o‘tkazuvchi moddalar o‘tkazgichlar

deyiladi. Ular ikki guruhga bo‘linadi: 1) birinchi tur o‘tkazgichlar

(metallar) — ularda zaryad (erkin elektronlar) ko‘chganda kimyoviy

o‘zgarish ro‘y bermaydi; 2) ikkinchi tur o‘tkazgichlar (eritma-

lar) — ularda zaryadning ko‘chishi kimyoviy o‘zgarishlarga olib

keladi. Erkin elektronlari amalda mavjud bo‘lmagan moddalar (shi-

sha, plastmassalar) dielektriklar deyiladi. Yarimo‘tkazgichlar (ger-

maniy, kremniy va hokazolar) o‘tkazgichlar va dielektriklar orali-

g‘ida bo‘ladi. Biz oldingi bobda elektr toki haqidagi tushuncha va

uning asosiy qonunlari bilan tanishdik. Mulohazalarimizda asosan

birinchi tur o‘tkazgichlar — metallar haqida fikr yuritdik. Ushbu

bobda esa bu mulohazalarimizni yanada chuqurlashtiramiz va shu

bilan birga ikkinchi tur o‘tkazgichlar — eritmalar va gazlarda tok

qonunlari bilan tanishamiz. Ikkinchi tur o‘tkazgichlardagi tok

qonunlarining texnikadagi ahamiyati ularni chuqur o‘rganishni

taqozo etadi. Keyingi paytlarda jadal rivojlanib, kundalik hayo-

timizning ajralmas qismini tashkil etayotgan radiotexnika quril-

malari, elektron hisoblash mashinalarining asosini tashkil etuvchi

yarimo‘tkazgichlardagi elektr tokining tabiatini o‘rganish ayniqsa

muhim ahamiyatga ega.

68- §. Metallarda elektr toki

M a z m u n i : metallarda zaryad tashuvchilar; erkin elektronlar.

Metallarda zaryad tashuvchilar. Metallarda zaryad tashuvchi

zarralarning tabiati haqida turli mulohazalar mavjud bo‘lgan. Bun-

day zarralar kristall panjara ionlariga kuchsiz bog‘langan elektron-

lar, degan mulohazani nemis fizigi P.Drude (1863 — 1906) olg‘a

surgan va metallarda elektr o‘tkazuvchanlikning klassik nazariyasini

yaratgan. Uning bu g‘oyasi gollandiyalik fizik X. Lorens tomonidan

rivojlantirilgan va bir qancha tajribalarda o‘z isbotini topgan. Nemis

fizigi K. Rikke (1845 — 1915) 1901- yilda quyidagicha tajriba o‘tkaz-

gan . U uchta bir xil radiusli juda yaxshi silliqlangan Cu, Al, Cu

259

silindrchalarni ustma-ust qo‘yib, ulardan katta miq-

dordagi zaryadni (» 3,5 · 10

C) o‘tkazgan (120-

rasm).

Agar bordi-yu, zaryad tashuvchi zarralar ionlar

bo‘lganida edi, silindrlarda qo‘shni metallning

namunalari bo‘lishi kerak edi. Juda nozik tekshiruv-

121- rasm.

120- rasm.

lar ham moddalarning, hattoki zarracha ko‘chishini qayd etmagan.

Demak, zaryad tashuvchilar har ikkala metallga ham xos zarra-

lar bo‘lishi kerak. Bunday zarralar esa 1887- yilda ingliz fizigi

J. Òomson (1856 — 1940) tomonidan kashf etilgan elektron bo‘lishi

mumkin.

Metallarda zaryad tashuvchi zarralar elektron ekanligini tasdiq-

lovchi yana bir qancha tajribalar rus fiziklari S.Mandelshtam (1879 —

1944) va N. Papaleksi (1886 — 1947) taklif qilgan g‘oyaga asosan

o‘tkazilgan.

G‘oyaning mazmuni quyidagicha: agar metallda kuchsiz bog‘-

langan zaryad tashuvchilar mavjud bo‘lsa, unda tez harakatlanayot-

gan metall keskin to‘xtatilganda bu zarralar o‘z inersiyalari bilan,

keskin tormozlangan avtobusdagi yo‘lovchilar kabi oldinga ko‘chi-

shi va natijada elektr toki paydo bo‘lishi kerak (121- rasm). O‘tka-

zilgan ko‘plab tajribalar bu fikrni to‘la tasdiqladi va metallarda

zaryad tashuvchi zarralar elektronlar ekanligini isbotladi.

Erkin elektronlar. Xo‘sh, metallarga erkin elektronlar qayerdan

keladi? Ularning paydo bo‘lishi quyidagicha tushuntiriladi: metallning

kristall panjarasi hosil bo‘lishida atom yadrosi bilan kuchsiz bog‘-

langan elektronlar atomdan uzilib chiqadi va erkin elektronga ay-

lanib butun hajm bo‘ylab harakatlanishi mumkin bo‘lib qoladi.

Demak, panjara tugunlarida metall ionlari joylashib, ular orasida

go‘yoki ideal gazga o‘xshash elektron gaz hosil qiluvchi, erkin

elektronlar betartib harakatda bo‘ladi. Elektronlar o‘z harakatlari

davomida panjaradagi ionlar bilan to‘qnashib turadi va natijada ular

o‘rtasida termodinamik muvozanat vujudga keladi. Hisoblash-

260

larning ko‘rsatishicha, Ò =300 K da elektronning o‘rtacha issiqlik

harakatining tezligi <u> = 1,1 · 10

m/s ni tashkil qiladi. Elektron-

larning elektr maydon ta’siridagi yo‘naltirilgan harakat o‘rtacha

tezligi esa <v> = 8 · 10

–4

m/s atrofida bo‘ladi (60- § ga qarang).

Ya’ni yuqorida qayd etilganidek, elektronlarning yo‘naltirilgan hara-

kat tezligi ularning o‘rtacha issiqlik harakat tezligidan qariyb 10

marta kichik. Shuning uchun ham bu tezlik elektr tokining tarqalish

tezligi bo‘lolmaydi. Elektr toki juda uzoq masofalarga bir lahzada-

yoq uzatilishiga sabab, elektr zanjiri ulanishidayoq zanjir bo‘ylab

elektr maydonning yorug‘lik tezligiga teng tezlik (c = 3 · 10

m/s)

bilan tarqalishidir. Natijada butun zanjir bo‘ylab o‘zgarmas elektr

maydon vujudga keladi va elektronlarni batartib harakatga keltira-

di. Shuning uchun ham zanjir ulanishidayoq unda elektr toki vu-

judga keladi.

Sinov savollari

1. Ikkinchi tur o‘tkazgichlar deb qanday o‘tkazgichlarga aytiladi?

2. Ikkinchi tur o‘tkazgichlarda elektr o‘tkazuvchanlikni o‘rganishning

ahamiyati. 3. Drude nazariyasi. 4. Rikke tajribasi va uning natijasi. 5. Rikke

tajribasidan chiqarilgan xulosa. 6. Mandelshtam va Papaleksi taklifi aso-

sida o‘tkazilgan tajriba va uning natijasi. 7. Metallarda erkin elektron

qayerdan keladi? 8. Nima uchun elektronning yo‘naltirilgan harakat tez-

ligi elektr tokining tezligi bo‘lolmaydi?

69- §. Chiqish ishi

M a z m u n i : chiqish ishi; chiqish ishi mavjudligining sabab-

lari; potensial to‘siq; energiyaning elektron-volt birligi.

Chiqish ishi. Oldingi mavzuda bayon etilganidek, metallardagi

erkin elektronlar odatdagi temperaturalarda ham ma’lum issiqlik

harakat tezligi <u> = 1,1 · 10

m/s ga va kinetik energiya

E

k

m

u

×

<

5 5 10

J ga ega bo‘ladi. Lekin ular metallni tark

etolmaydi. Demak, ularni metallda tutib turadigan qandaydir kuch

bo‘lishi kerak. Elektron metallni tark etishi uchun bu kuchning

qarshiligini yengishi, ya’ni unga qarshi ish bajarishi zarur. Elektron-

ni metalldan ajratib, vakuumga chiqarish uchun bajarish kerak

bo‘lgan ish chiqish ishi deyiladi.

Chiqish ishi mavjudligining sabablari. Chiqish ishi mavjudligi-

ning asosiy sabablari quyidagilardir:

261

1) agar elektron biror sababga ko‘ra metallni tark etsa, uning

o‘rnida ortiqcha musbat zaryad vujudga keladi va u Kulon qonuniga

muvofiq elektronni o‘ziga tortadi (122- rasm);

2) ba’zi elektronlar metallni tark etib, undan atom kattalik-

laridek masofaga uzoqlashadi va metall sirtida «elektronlar bulutini»

hosil qiladi. Bu bulut panjaradagi musbat ionlarning tashqi qatlami

bilan birga qo‘sh qavatli elektr qatlamini hosil qiladi. U go‘yoki

zaryadlangan yassi kondensatorga o‘xshab, maydoni qoplamalari

orasida mujassamlashgan bo‘ladi va tashqi fazoda elektr maydoni

hosil qilmaydi. Elektron bu — qo‘sh qavatli qatlamdan o‘tishi uchun

ma’lum ish bajarishi kerak (123- rasm).

Potensial to‘siq. Demak, elektron metalldan chiqishida metall

sirti va elektron buluti orasida vujudga keladigan Dj potensial to‘siq-

dan o‘tishi kerak. Bu to‘siq elektronlarning metalldan uchib chiqish

jarayoniga to‘sqinlik qiladi. Chunki elektron metalldan uzilib chi-

qishida shu to‘siqni yengish uchun ma’lum ish bajarishi zarur.

Chiqish ishi quyidagi formula yordamida aniqlanadi:

A = e · Dj.

(69.1)

Agar elektronning kinetik energiyasi

2

k

m

E

A

v

(69.2)

shartni bajarsa, elektron metallni tark etadi, aks holda tark etol-

maydi.

i

A

e

u

D =

=

j

potensial ionlashtiruvchi potensial deyiladi.

Energiyaning elektron-volt birligi. Odatda chiqish ishi elektron-

voltlarda (eV) hisoblanadi. 1 eV — elektronning 1 V potensial

farqini o‘tishda oladigan energiyasi:

122- rasm.

123- rasm.

262

1 eV 1V 1, 6 10

C 1, 6 10

× =

Xona temperaturasida metallarni tark etish uchun yetarli ener-

giyaga ega bo‘ladigan elektronlarning soni juda kam bo‘lib, ular ham

metallarning tabiatiga bog‘liq. Xona temperaturasida (T » 300 K)

elektronning energiyasi:

1,38 10

300 K 4,15 10

0, 026 eV

.

kT

Ba’zi metallar uchun elektronlarning chiqish ishlari quyidagi

jadvalda keltirilgan

7-j a d v a l

Metall

А, eV

Мetall

А, eV

Aluminiy

Volfram

Litiy

Mis

3,7

4,5

2,3

4,3

Platina

Rux

Seziy

6,3

4,0

1,8

Sinov savollari

1. Elektronning metalldagi issiqlik harakat kinetik energiyasi qan-

cha? 2. Elektron nima uchun metallni tark etolmaydi? 3. Chiqish ishi

deb qanday ishga aytiladi? 4. Chiqish ishi mavjudligining birinchi sababi

nima? 5. Chiqish ishi mavjudligining ikkinchi sababi nima? 6. Potensial

to‘siq qanday hosil bo‘ladi? 7. Potensial to‘siqning balandligi nimaga

teng? 8. Elektronning metalldan chiqish ishi qanday aniqlanadi? 9. Qan-

day shart bajarilganda elektron metallni tark etishi mumkin? 10. 1 eV

deb qanday energiyaga aytiladi? 11. 1 eV necha joulga teng? 12. Xona

temperaturasida elektronning energiyasi necha eV bo‘ladi?

70- §. Emissiya hodisalari va ularning

qo‘llanilishi

M a z m u n i : elektron emissiyasi; termoelektron emissiya; va-

kuumli diod; diodning volt-amper xarakteristikasi; vakuumli triod;

elektron-nurli trubka.

Elektron emissiyasi. Agar metallardagi elektronlarga chiqish

ishini bajara oladigan energiya berilsa, elektronlarning bir qismi

metallni tark etishi mumkin. Elektronlarni bunday chiqarish hodisasi

elektron emissiyasi deyiladi. Elektronlarga energiya berish usuliga

263

qarab: termoelektron, foto-

elektron, avtoelektron emissiya

hodisalari mavjud.

Òermoelektron emissiya.

Òermoelektron emissiya — bu

qizitilgan metallning elektron-

lar chiqarishidir. Metallardagi

erkin elektronlarning konsen-

tratsiyasi juda katta bo‘lib, hat-

toki o‘rtacha temperaturalarda

ham chiqish ishini bajarib,

metallni tark etadigan elekt-

ronlar mavjud bo‘ladi. Òem-

peratura ko‘tarilishi bilan esa

124- rasm.

kinetik energiyasi chiqish ishidan kattaroq bo‘lgan elektronlarning

soni ortadi va termoelektron emissiya hodisasi sezilarli bo‘lib qoladi.

Òermoelektron emissiya hodisasining qonunlarini ikki elektrodli

lampa — vakuumli diod yordamida o‘rganish mumkin.

Vakuumli diod. Vakuumli diod — katod K va anod A elektrod-

lardan iborat, havosi so‘rib olingan ballondir. Katod elektr toki

yordamida qizitiladigan bo‘lib, qiyin eriydigan metalldan (misol

uchun volframdan) yasalgan metall simdan iborat bo‘ladi. Anod esa

katodni o‘rab turadigan metall silindr shaklida bo‘ladi (124- a rasm).

Agar diod rasmdagidek zanjirga ulanib, katod qizdirilsa va anod

manbaning musbat, katod manfiy qutblariga ulansa, zanjirda tok

vujudga keladi. Agar batareya B ning qutblarini o‘zgartirsak, katodni

qanchalik qizitishimizdan qat’iy nazar, zanjirda tok bo‘lmaydi. De-

mak, katod manfiy zaryadlangan zarralar — elektronlarni chiqaradi.

Diodning volt-amper xarakteristikasi. Endi katodning tem-

peraturasini o‘zgarmas qilib saqlab, anod toki I

va kuchlanishi U

larning bog‘liqlik grafigini, ya’ni diodning volt-amper xarakteris-

tikasini tuzamiz (125- rasm).

a)

b)

Katod

Anod

125- rasm.

to‘y

to‘y

I

2

I

264

Ma’lum bo‘lishicha, u chiziqli emas ekan va demak, vakuumli

diod uchun Om qonuni bajarilmaydi. Dastlab kuchlanish ortishi

bilan tok sekin ortadi. Bu paytda manfiy zaryadli elektron bulut

katoddan uchib chiqqan elektronlarning harakatiga to‘sqinlik qiladi

va itarish kuchi ta’sirida elektronlarning bir qismi katodga qaytsa,

bir qismi anodga yetadi.

Anod kuchlanishi ortishi bilan elektron bulutining zichligi

kamayadi va tok kuchi ortadi. Kuchlanishning ma’lum U

= U

to‘y

qiymatida katoddan uchib chiqadigan elektronlarning barchasi anodga

yetib boradi va tok kuchi o‘zining maksimal qiymatiga erishib,

kuchlanishning yanada ortishi tok kuchini o‘zgartira olmaydi. Òok

kuchining bu qiymatiga to‘yinish toki I

to‘y

deyiladi. Agar katodning

temperaturasi o‘zgarsa, to‘yinish tokining qiymati ham o‘zgaradi.

Agar batareyaning qutblari almashtirib ulansa, zanjirda tok

bo‘lmaydi. Demak, diodlar bir tomonlama tok o‘tkazish xususiyatiga

ega. Shuning uchun ham ular to‘g‘rilagich sifatida ishlatiladi.

Vakuumli triod. Lampadagi tokni boshqarish uchun unga bitta,

ikkita yoki bir nechta to‘r deb ataluvchi qo‘shimcha elektrodlar

kiritiladi (126- rasm). Odatda, to‘r-sim spiral ko‘rinishida bo‘lib,

anod va katod o‘rtasida o‘rnatiladi (126- a rasm). Òo‘r katod yaqinida

shunday joylashtiriladiki, undagi potensialning kichkina o‘zgarishi

ham anod tokining o‘zgarishiga olib keladi.

Agar to‘rning potensiali katodga nisbatan nolga teng bo‘lsa,

triod xuddi dioddek ishlaydi. Òo‘rning potensiali musbat bo‘lganda

elektron bulutning zichligi kichik va demak, tok katta bo‘ladi. Òo‘r-

ning manfiy potensialida esa katoddagi elektron bulutning zichligi

ortadi, tok esa kamayadi. Òo‘r potensialining manfiyligi ortishi bilan

tok kamaya boradi va manfiy potensialning ma’lum qiymatida nolga

teng bo‘ladi. Òo‘rning anod toki nolga teng bo‘ladigan manfiy

qiymati yopish kuchlanishi deyiladi. Yopish kuchlanishi anod kuch-

126- rasm.

To‘r

Anod

Katod

a)

b)

265

lanishiga bog‘liq. U

qancha katta bo‘lsa, yopish kuchlanishi ham

shuncha katta bo‘ladi. Demak, to‘r kuchlanishini o‘zgartirish bilan

zanjirdagi anod tokini boshqarish mumkin, shuning uchun ham

to‘rni boshqaruvchi deyiladi.

Elektron lampalar turli radiotexnik qurilmalarda, jumladan,

kuchaytirgichlarda, generatorlarda keng qo‘llaniladi.

Elektron-nurli trubka. Elektron- nurli trubkaning tuzilishi 127-

rasmda ko‘rsatilgan. U vakuumli shisha ballon L dan iborat bo‘lib,

ichida elektronlarni chiqaruvchi qizigan katod K dan iborat «elek-

tron to‘r» va D

, D

diafragmali anodlar joylashtirilgan. Katod va

anod o‘rtasidagi U potensiallar farqi elektronlarni katta tezlikkacha

tezlashtirish va ingichka dasta hosil qilish imkonini beradi. Elektron

dasta fluoressensiyalangan E ekranga tushganda yorug‘, nurlanuvchi

nuqta vujudga keladi. Elektron nurlar dastasi bir-biriga perpen-

dikular joylashgan ikkita C

va C

plastinalar juftligi yordamida

boshqariladi. C

plastinalar maydoni nurni gorizontal, C

plastinalar

maydoni esa vertikal yo‘nalishda boshqaradi. C

va C

plastinalarga

beriladigan kuchlanishga qarab, ekrandagi nurli dog‘ o‘z joyida

turishi, to‘g‘ri chiziq yoki sinusoida hosil qilib harakatlanishi mumkin.

Elektron-nurli trubka ossillograf deyiluvchi qurilmaning va televizor-

ning asosini tashkil qiladi.

Sinov savollari

1. Elektron emissiyasi deb qanday hodisaga aytiladi? 2. Òermo-

elektron emissiya deb-chi? 3. Temperaturaning ortishi termoelektron

hodisaga qanday ta’sir qiladi? 4. Vakuumli diod qanday tuzilgan? 5. Anod

va katod manbaning qanday qutblariga ulanadi va nima uchun? 6. Ka-

tod nima uchun qizdiriladi? 7. Elektronlar qaysi elektroddan chiqadi?

8. Diodning volt-amper xarakteristikasi nima? 9. Volt-amper xarakte-

ristikasining chiziqli emasligini tushuntiring. 10. Òo‘yinish toki deb qan-

day tokka aytiladi? 11. Agar manbaning qutblari almashtirib ulansa,

127- rasm.

266

diodli zanjirda tok bo‘ladimi? 12. Diodlar qayerda ishlatiladi? 13. Va-

kuumli triod deb qanday qurilmaga aytiladi? 14. Òriodda to‘rning vazifasi

nimadan iborat? 15. Yopish kuchlanishi deb qanday kuchlanishga ayti-

ladi? 16. Òriodlar qayerda ishlatiladi? 17. Elektron-nurli trubka qanday

tuzilgan? 18. Elektron-nurli trubka qayerda ishlatiladi? 19. Elektron nurlar

dastasi qanday hosil qilinadi? 20. Elektron nurlar dastasi qanday bosh-

qariladi?

71- §. Elektrolitlarda elektr toki. Elektrolitik

dissotsiatsiya. Elektroliz

M a z m u n i : elektrolitlarda elektr toki; elektrolitik dissotsiat-

siya; dissotsiatsiyalanish darajasi; elektroliz.

Elektrolitlarda elektr toki. Distillangan suv elektr tokini o‘t-

kazmaydi. Agar unga ozroq tuz qo‘shilsa, elektr tokini o‘tkazuv-

chiga aylanadi. Demak, ba’zi moddalarning suvdagi eritmasi elektr

tokini o‘tkazish xususiyatiga, ya’ni zaryad tashuvchi zarralarga ega

bo‘lib qolar ekan. Erituvchida eriganda ionlarga ajraladigan mod-

dalar elektrolitlar deyiladi. Elektrolitlarda zaryad tashuvchi zarralar

ionlar bo‘ladi. Shuning uchun ham bunday o‘tkazuvchanlikka ionli

o‘tkazuvchanlik deyiladi. Ionlarning vujudga kelishiga sabab, elekt-

rolit eriganda uning molekulalari erituvchi molekulalarining elektr

maydoni ta’sirida musbat va manfiy zaryadlangan ionlarga ajralishi-

dir. Elektrolitdagi ionlarning tashqi maydon ta’siridagi batartib

harakati elektrolitlarda elektr toki deyiladi.

Elektrolitik dissotsiatsiya. Elektrolit eriganda molekulalarining

musbat va manfiy zaryadlangan ionlarga ajralishi elektrolitik

dissotsiatsiya deyiladi. Natijada eritmada musbat ionlar (kationlar)

va manfiy ionlar (anionlar) hosil bo‘ladi. Odatda kationlar metallar

va vodorodning ionlari, anionlar esa kislota qoldiqlari va gidroksil

gruppalar bo‘ladi.

Dissotsiatsiya jarayoni quyidagicha yoziladi:

HCl

NaOH

ZnCl