Własności elektryczne ciał!!! Pilne!!!

Współczesne badania naukowe zmieniły nasze poglądy na własności elektryczne materii jeszcze do niedawna wszystkie ciała dzielono na dobre i złe przewodniki. Metale należą do pierwszej grupy, a np. drewno, papier, ebonit, mydło — to tzw. izolatory. Samo zjawisko przewodnictwa elektrycznego tłumaczono uporządkowanym ruchem elektronów po powierzchni przewodnika, od miejsc o wysokim potencjale do miejsc o niskim potencjale. Na skutek zderzeń wędrujących elektronów z jonami czy atomami metalu, powstaje zjawisko oporu, elektrycznego, którego wartość powinna być proporcjonalna do temperatury przewodnika, gdyż w wyższej temperaturze wzrasta ruch drgający atomów i tym samym — prawdopodobieństwo zderzeń z elektronami. Dzisiaj w fizyce i elektronice mówi się bardzo dużo o półprzewodnikach. Jest to grupa ciał o interesujących własnościach elektrycznych, usytuowana w tabeli klasyfikacyjnej pomiędzy tamtymi dwiema (patrz: tabelka). Do półprzewodników zaliczamy kilkadziesiąt związków chemicznych germanu, krzemu, selenu, telluru, boru, ale i wiele tlenków metali wykazuje podobne własności elektryczne, np. ZnO, Cu2O, PbO. Istotną cechą tych materiałów jest olbrzymia zależność ich oporu właściwego od warunków fizycznych, tj. od temperatury, ciśnienia, wilgotności, oświetlenia. Opór właściwy różnych ciał Metale 10-5 Ω*cm Półprzewodniki 102 Ω*cm Izolatory 1015 Ω*cm W półprzewodnikach pod wpływem np. temperatury gwałtownie wzrasta liczba swobodnych, elektronów, które są nośnikami prądu elektrycznego, a tym samym wzrasta natężenie prądu, co można interpretować jako spadek oporu właściwego. W metalach o temperaturze 0°C gęstość elektronów przeciętnie wynosi 1022 w l cm3 i nie zmienia się przy wzroście temperatury, gdy tymczasem w krzemie ta gęstość wynosi 1011 w l cm3, a w temperaturze 100° około 1016, tzn. wzrasta sto tysięcy razy! Na razie zatrzymamy się na takiej zewnętrznej charakterystyce półprzewodników, odkładając wyjaśnienie przyczyn i mechanizmu wewnętrznego tych faktów na później. Wystarczy nam to, bowiem w zupełności do zajęcia się bliżej — t e r m i s t o r e m. Termistor można nabyć w każdym sklepie z materiałami radiotechnicznymi (są już w sprzedaży trzy rodzaje po 10 zł sztuka — niestety, placówki handlowe nie podają ich oznaczeń technicznych oraz ich bliższych charakterystyk, czyli trzeba samemu przeprowadzić badania). Wygląd termistora pokazuje f ot 1. Termistor ma kształt krótkiego walca długości 4 cm, o średnicy przekroju 0,5 cm. Z obydwu stron wystają końcówki lutownicze (doprowadzenia prądu). Najczęściej termistor jest mieszaniną tlenków niklu, kobaltu, manganu, tytanu, żelaza, glinu. Jeżeli do probówki szklanej wstawimy termistor, do którego doprowadzimy prąd z baterii 15 V, a probówkę zanurzymy do zlewki z gorącą wodą (temperaturę odczytamy na termometrze wstawionym do tej samej probówki, jak to widać na f ot. 2 i rys. 1), to miliamperomierz włączony do obwodu (rys. 2) pokaże wzrost natężenia prądu. Jako miliamperomierza można użyć miernika „Lavo" na zakresie 30 mA. Wzrost natężenia prądu świadczy o spadku oporu termistora ze) wzrostem temperatury. Aby zbadać bliżej i dokładniej zależność oporu termistora od temperatury, budujemy układ przedstawiony na rys 3. Przy wzroście temperatury termistora, co 5o odczytujemy jego opór za pomocą obwodu omomierza — miernika „Lavo" (przed pomiarem należy gałką potencjometru „Lavo" wyzerować wskazania omomierza). Kąpiel ogrzewać należy palnikiem spirytusowym, gazowym lub grzałką elektryczną. Wyniki pomiarów nanosimy na wykres (rys. 4) i okaże się, że opór termistora istotnie spada ze wzrostem temperatury. Kiedy już mamy charakterystykę temperaturowo-oporową termistora, możemy go użyć przy budowie ciekawych modeli urządzeń technicznych. Jeżeli dysponujemy miniaturowym przekaźnikiem MI-6, to w oparciu o schemat na rys 5 można wykorzystać własności termistora do opóźniania sygnałów elektrycznych. Jeżeli przyciskiem dzwonkowym K zamkniemy obwód, to przez termistor RT i cewkę przekaźnika P popłynie prąd z baterii 45 V. Prąd elektryczny wydziela w termistorze ciepło, wobec tego spada opór termistora i przy pewnej jego wartości zadziała przekaźnik P, zewrą się jego styki i zapali się np. żarówka w zewnętrznym obwodzie. Tak, więc sygnałem o małej mocy sterujemy z pewnym opóźnieniem (w automatyce często „planuje" się to opóźnienie) obwodem z przebiegami o dużej mocy. Możemy również termistor wykorzystać (wespół z przekaźnikiem) do automatycznej sygnalizacji poziomu cieczy w naczyniu. Montaż takiego modelu pokazuje rys 6. Z chwilą podniesienia się ciepłej cieczy do styku z termistorem, jego opór spadnie i wzrośnie prąd przepływający przez cewkę P. Styki przekaźnika zamkną obwód z zewnętrznym zasilaniem i zadziała urządzenie sygnalizujące (np. dzwonek elektryczny, żarówka). Znając pojęcie sprzężenia zwrotnego można montaż tak zmodyfikować, by obwód zewnętrzny sterował urządzeniem wlewającym ciecz do naczy­nia. Napięcia źródeł we wszystkich przedstawionych modelach zależą od czułości przekaźnika. Dla przekaźników spolaryzowanych mogą być bardzo niskie (4,5 V). Najlepiej jednak posłużyć się samodzielnie wykonanym, wg wskazówek z „M.T." nr 11/1966 r. — dosyć czułym amatorskim przekaźnikiem. Termistory w technice i nauce mają rozliczne zastosowania, o których możecie się dowiedzieć z literatury popularno-naukowej. Dla początkujących polecamy: J. Pułtorak — „Co to jest tranzystor", W-wa, wyd. III, MON, 1966.