Plyny, v�kuum a polovodi�e


<<< �vodn� str�nka    *    *    *   2. KAPITOLA  *    *    *     Obsah >>>

VEDEN� ELEKTRICK�HO PROUDU V PLYNECH A V�KUU
 
Plyny jsou slo�eny z elektricky neutr�ln�ch molekul a za norm�ln�ch podm�nek jsou prakticky nevodiv�, jsou velmi dobr�mi izolanty. Aby mohl plynem proch�zet elektrick� proud, mus� v n�m vzniknout dostate�n� po�et elektricky nabit�ch ��stic - iont�. D�j, p�i kter�m se vytv��ej� ionty, naz�v�me ionizace. K ionizaci m��e doj�t nap��klad zah��t�m, radioaktivn�m z��en�m nebo p�soben�m siln�ho elektrick�ho pole. Prost�edky, kter�mi se vyvol� ionizace, se naz�vaj� ioniz�tory.

Ionty, vytvo�en� ionizac�, nemaj� neomezenou �ivotnost. Proto�e maj� opa�n� n�boje, op�t se vz�jemn� p�itahuj� a spojuj� se v neutr�ln� molekuly - doch�z� k rekombinaci iont�. Ionizace a rekombinace prob�haj� v plynu sou�asn�. P�evl�d�-li v ur�it�m okam�iku ionizace, vodivost plynu roste, p�evl�d�-li rekombinace, po�et iont� kles� a vodivost plynu se zmen�uje.

Elektrick� proud v plynech je zp�soben usm�rn�n�m pohybem kladn�ch a z�porn�ch iont� v elektrick�m poli mezi katodou a anodou.
Tento d�j se naz�v� V�BOJ V PLYNU.


Fyzik�ln� z�klady


Elektrick� proud vede pouze ionizovan� plyn. Odstran�me-li ioniz�tor, ionty rekombinac� rychle zanikaj� a v�boj skon��. Proud se udr�uje jen po dobu p�soben� ioniz�toru a proto mluv�me o nesamostatn�m v�boji. P�i p�ekro�en� ur�it�ho nap�t� z�skaj� ionty v elektrick�m poli dostatek energie na to, aby mohly samy ionizovat dal�� neutr�ln� molekuly. V�boj pak pokra�uje i bez p��tomnosti vn�j��ho ioniz�toru, vznikne samostatn� v�boj.

SAMOSTATN� V�BOJ ZA NORM�LN�HO ATMOSF�RICK�HO TLAKU
Blesk
Aby do�lo k v�boji za norm�ln�ho tlaku, mus� b�t mezi elektrodami bu� velk� nap�t� (doutnav� nebo jiskrov� v�boj), nebo mus� b�t prostor mezi elektrodami siln� ionizovan� (obloukov� v�boj). Tyto v�boje se vyu��vaj� v technick� praxi, setk�me se s nimi tak� v p��rod�. P��kladem mohutn�ho jiskrov�ho v�boje je blesk, doutnav� v�boj m��eme pozorovat v bl�zkosti veden� vysok�ho nap�t�.

SAMOSTATN� V�BOJ ZA SN͎EN�HO TLAKU
Z��ivka
P�i z�e�ov�n� plynu se v elektrick�m poli dr�ha iont� mezi dv�ma sr�kami (tzv. voln� dr�ha) zv�t�uje a na del�� dr�ze z�sk�vaj� ionty v�t�� energii. Proto doch�z� snadn�ji k n�razov� ionizaci a ve z�ed�n�ch plynech vznik� v�boj u� p�i ni���m nap�t�. P�ipoj�me-li sklen�nou trubici s elektrodami ke zdroji vysok�ho nap�t�, vznikaj� pr�chodem proudu r�zn� sv�teln� jevy. Jejich charakter z�vis� na tlaku plynu v trubici, barva sv�tla je d�na druhem plynu. Nejvyu��van�j�� je tzv. doutnav� v�boj, zejm�na v r�zn�ch typech sv�teln�ch zdroj� a v r�znobarevn�ch reklamn�ch trubic�ch.

PROUD I VE V�KUU
Rentgen
V dostate�n� z�ed�n�m plynu u� prakticky nedoch�z� k ionizaci molekul plynu a trubic� proch�z� k anod� proud elektron� uvol�ovan�ch siln�m elektrick�m polem nebo �haven�m katody. Proud elektron� ve vy�erpan� trubici naz�v�me katodov� z��en�. Kinetick� energie let�c�ch elektron� se m�n� na jin� druhy energie, nap��klad na sv�telnou (obrazovka), na jin� z��en� (rentgenka) apod.



VEDEN� ELEKTRICK�HO PROUDU V POLOVODI��CH
 
Po��ta�M�lokter� vyn�lez tak ovlivnil sou�asnou dobu jako vyn�lez tranzistoru roku 1947. Tato nepatrn� polovodi�ov� sou��stka umo�nila nesm�rn� rychl� a �irok� rozvoj elektroniky. Od prvn�ho vyu�it� polovodi�ov�ch sou��stek v naslouchac�ch p��stroj�ch a kapesn�ch tranzistorov�ch p�ij�ma��ch vedla cesta ke vzniku st�le dokonalej��ch integrovan�ch obvod�. Vyvrcholen�m dosavadn�ho v�voje se stal programovateln� mikroprocesor. St�le v�konn�j�� integrovan� obvody a mikroprocesory dnes najdeme doslova na ka�d�m kroku - od kalkula�ek, mobiln�ch telefon� a osobn�ch po��ta�� p�es automatizovan� v�robn� linky a� po kosmick� sondy, p�ist�vaj�c� na Marsu.

Polovodi�e jsou l�tky, kter� maj� m�rn� odpor mnohem v�t�� ne� kovov� vodi�e, ale men�� ne� izolanty. Vodivost polovodi�� siln� z�vis� na teplot� a na osv�tlen�. Nejv�znamn�j��m polovodi�em je k�em�k, d�le pak germanium, selen, fosfor, arzen a �ada dal��ch. Uplat�uj� se jako z�kladn� materi�ly pro konstrukci polovodi�ov�ch sou��stek (k�em�k), nebo jako slo�ky a p��m�si polovodi�ov�ch slou�enin.
Fyzik�ln� z�klady


Polovodi�e se sv�mi vlastnostmi v�razn� li�� od kovov�ch vodi��, hlavn� rozd�ly jsou uvedeny v n�sleduj�c�m p�ehledu:

Kovov� vodi�e:
  • maj� mal� m�rn� odpor
  • elektrick� proud vedou pouze voln� elektrony
  • v krystalov� m��ce maj� velk� po�et voln�ch elektron�
  • p�i zah��t� se zv�t�uje jejich odpor
  • osv�tlen� nem� vliv na jejich vodivost
  • p��m�si zv�t�uj� jejich m�rn� odpor
Polovodi�e:
  • maj� v�t�� m�rn� odpor
  • proud vedou uvoln�n� elektrony a kladn� "d�ry"
  • po�et uvoln�n�ch elektron� z�vis� na vn�j��ch podm�nk�ch
  • p�i zah��t� se zmen�uje jejich odpor
  • p�i osv�tlen� se zmen�uje jejich odpor
  • vhodn� p��m�si v�razn� zmen�uj� jejich m�rn� odpor a m�n� typ vodivosti

Polovodi�ov� diody
DiodaNejv�t�� vyu�it� v elektronice m� p�echod PN, kde se st�kaj� polovodi�e s opa�n�m typem vodivosti. P�echod PN m� tu vlastnost, �e v jednom sm�ru j�m proud m��e proch�zet, zat�mco v opa�n�m sm�ru nikoli. Polovodi�ov� dioda je sou��stka, kter� vede proud jenom v jednom sm�ru a proto se pou��v� jako usm�r�ova� st��dav�ho proudu. Existuje �ada jej�ch variant:
  • usm�r�ovac� dioda - slou�� k usm�rn�n� st��dav�ho proudu a umo��uje tak nap�jen� stejnosm�rn�ch spot�ebi�� ze st��dav� s�t�
  • Zenerova dioda - slou�� ke stabilizaci stejnosm�rn�ho nap�t� v za��zen�ch, kde je t�eba udr�ovat nap�t� na konstantn� hodnot�
  • kapacitn� dioda (varikap) - zm�nou velikosti p�ipojen�ho nap�t� se m�n� ���ka hradlov� vrstvy a t�m i jej� kapacita. Vyu�it� je nap�. v ladic�ch obvodech televizn�ch a rozhlasov�ch p�ij�ma��
  • sv�tiv� dioda LED - u n�kter�ch polovodi�� vyd�v� p�echod PN sv�tlo p�i pr�chodu proudu. Barva sv�tla z�vis� na druhu polovodi�e. Diody LED se pou��vaj� jako indik�tory, v�stra�n� sv�tla, v hra�k�ch aj.
  • fotodioda - dopadem sv�tla na vhodn� upraven� p�echod PN vznik� na v�vodech diody nap�t�, jeho� velikost je �m�rn� osv�tlen�. Tohoto jevu se vyu��v� k nap�jen� kalkula�ek, v signaliza�n�ch a bezpe�nostn�ch za��zen�ch, foto�l�nky (sol�rn� �l�nky) jsou zdrojem nap�jec�ho nap�t� na um�l�ch dru�ic�ch a kosmick�ch sond�ch
  • tyristor - v�cevrstv� dioda (PNPN), pou��v� se nap�. k bezeztr�tov� bezkontaktn� regulaci ot��ek motor� (vrta�ky, elektrick� lokomotivy, tramvaje apod.) nebo k plynul� regulaci osv�tlen�
  • triak - v�cevrstv� polovodi�ov� prvek pro regulaci intenzity dom�c�ho osv�tlen�, ot��ek vrta�ek, vysava�� a podobn�ch n�zkov�konov�ch elektrick�ch spot�ebi��
zaj�mavost
Tranzistory
TranzistorTranzistor je polovodi�ov� sou��stka, kter� je tvo�ena dv�ma p�echody PN. M� t�i v�vody - b�zi, emitor a kolektor a m��e b�t dvoj�ho typu: PNP a NPN. Tranzistor se pou��v� ve t�ech z�kladn�ch oblastech:
  • zesilova� - slab� sign�l p�iveden� na b�zi je po zes�len� odeb�r�n z obvodu kolektoru. Pro v�t�� zes�len� se zapojuj� tranzistory jako v�cestup�ov� zesilova�
  • gener�tor - vhodn�m zapojen�m je mo�no tranzistorem ��dit periodick� dod�v�n� energie do kmitav�ho obvodu a udr�ovat v n�m netlumen� kmity. Vyu�it� je p�edev��m ve vys�la��ch v�eho druhu
  • sp�na� - tato oblast vyu�it� tranzistoru je z�kladem obvod� v digit�ln�ch p��stroj�ch - kalkula�k�ch, m��ic�ch p��stroj�ch, signaliza�n�ch za��zen�ch a p�edev��m v po��ta��ch
Tranzistory NPN a PNP se naz�vaj� bipol�rn� a pou��vaj� se zejm�na v analogov�ch za��zen�ch, nap�. v zesilova��ch. Dal�� miniaturizaci elektronick�ch za��zen� umo�nily teprve unipol�rn� tranzistory se zanedbatelnou spot�ebou elektrick� energie.
 
MikroprocesorV �edes�t�ch letech 20. stolet� se za�aly vyr�b�t polovodi�ov� sou��stky, kter� v jedin�m mal�m pouzd�e obsahovaly mnoho des�tek i stovek tranzistor�, diod, rezistor� a kondenz�tor�. Vznikly prvn� integrovan� obvody, kter� dovolily miniaturizovat v�t�inu elektronick�ch za��zen� a sou�asn� zv��it jejich spolehlivost. O dest let pozd�ji vznikly prvn� mikroprocesory, kter� jsou srdcem ka�d�ho po��ta�e. Na k�em�kov� desti�ce (�ipu) o plo�e n�kolik mm2 mohou b�t slo�it�m technologick�m procesem integrov�ny i des�tky milion� tranzistor�! ��m v�konn�j�� je mikroprocesor a ��m v�t�� je kapacita polovodi�ov�ch pam�t�, t�m rychlej�� a v�konn�j�� je po��ta�.
zaj�mavost


<<< �vodn� str�nka    *    *    *   2. KAPITOLA  *    *    *     Obsah >>>