Свойства p–n-перехода, ток в электролитах и электролиз

Слайд 1. Свойства $p$–$n$-перехода, ток в электролитах и электролиз

Слайд 2. Три ключевые идеи

Ток создаётся движением электронов и дырок.

Ток переносится положительными и отрицательными ионами.

Химические реакции на электродах вызываются электрическим током.

Слайд 3. Полупроводники $p$- и $n$-типа

В полупроводнике $p$-типа основными носителями заряда являются дырки, а в полупроводнике $n$-типа — электроны. При соединении областей возникает контакт, свойства которого отличаются от свойств каждой области по отдельности.

Слайд 4. Как возникает $p$–$n$-переход

• Носители заряда начинают диффундировать через границу.

• Электроны уходят из $n$-области, а дырки — из $p$-области.

• Вблизи границы остаются неподвижные ионы примесей.

• Формируется обеднённый слой и внутреннее электрическое поле.

Слайд 5. Обеднённый слой и внутреннее поле

Обеднённый слой почти не содержит подвижных носителей заряда. Его электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии и устанавливает равновесие между диффузионным и направленным движением.

Слайд 6. Прямое и обратное включение

Внешнее поле ослабляет внутренний барьер. Основные носители проходят через переход, ток быстро возрастает.

Внешнее поле усиливает барьер. Основной ток почти отсутствует, сохраняется небольшой ток неосновных носителей.

Слайд 7. Диод пропускает ток преимущественно в одном направлении

Слайд 8. Свойства полупроводникового диода

• Односторонняя проводимость.

• Нелинейная зависимость силы тока от напряжения.

• Малый ток при обратном включении.

• Возможность выпрямления переменного тока.

• Чувствительность к температуре и освещению у специальных приборов.

• Применение в выпрямителях, датчиках, светодиодах и микросхемах.

Слайд 9. «Переход управляет движением носителей заряда»

— ключевая идея работы полупроводникового диода

Слайд 10. Электрический ток в электролитах

Слайд 11. Что такое электролиты

Электролиты — вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток благодаря наличию подвижных ионов. К электролитам относятся многие кислоты, основания и соли.

Слайд 12. Раствор и расплав: что меняется

В водном растворе частицы электролита взаимодействуют с молекулами воды и распадаются на ионы. Такое распадение называют электролитической диссоциацией.

В расплаве ионы освобождаются благодаря нагреванию. В обоих случаях ток переносится ионами, но состав среды и продукты на электродах могут различаться.

Слайд 13. Носители заряда в электролите

• Катионы — положительно заряженные ионы, движущиеся к катоду.

• Анионы — отрицательно заряженные ионы, движущиеся к аноду.

• Внешнее электрическое поле задаёт направленное движение.

• Одновременно ионы участвуют в химических превращениях на электродах.

Слайд 14. Почему раствор проводит ток

При подключении источника напряжения электрическое поле приводит ионы в направленное движение. Электроны движутся по металлическим проводам, а внутри электролита заряд переносят ионы.

Слайд 15. Сравним проводники

Носители — свободные электроны; состав вещества обычно не изменяется.

Носители — катионы и анионы; на электродах идут химические реакции.

Носители — электроны и дырки; проводимость сильно зависит от условий.

Ток возможен при наличии свободных электронов и ионов.

Слайд 16. От чего зависит проводимость электролита

Проводимость зависит от концентрации ионов, их подвижности, температуры и свойств растворителя. При нагревании вязкость жидкости обычно уменьшается, а подвижность ионов возрастает.

Слайд 17. Электролиз: ток вызывает химические превращения

Слайд 18. Определение электролиза

Электролиз — это совокупность химических реакций, происходящих на электродах при прохождении постоянного электрического тока через электролит. Электрическая энергия преобразуется в химическую.

Слайд 19. Электролитическая ванна

Слайд 20. Как проходит электролиз

• Катионы движутся к катоду.

• Анионы движутся к аноду.

• На катоде идут процессы восстановления.

• На аноде идут процессы окисления.

• Продукты реакции выделяются на электродах или остаются в растворе.

Слайд 21. Катод и анод: не путайте названия

В электролизёре катод соединён с отрицательным полюсом источника, а анод — с положительным. Катод является местом восстановления, анод — местом окисления.

Слайд 22. Логика процесса электролиза

1

2

3

4

Источник создаёт электрическое поле в электролите.

Ионы начинают двигаться к противоположно заряженным электродам.

На электродах протекают окислительно-восстановительные реакции.

Образуются продукты электролиза: металл, газ или новое вещество.

Слайд 23. Электролиз раствора и расплава соли

В реакции могут участвовать ионы растворённого вещества и молекулы растворителя. Поэтому состав продуктов зависит от концентрации и условий процесса.

В расплаве участвуют ионы самой соли. Такой способ позволяет получать некоторые активные металлы.

Слайд 24. Первый закон электролиза

Масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через электролит: $m=kq$. Здесь $m$ — масса вещества, $k$ — электрохимический эквивалент, $q$ — заряд.

Слайд 25. Связь заряда, силы тока и времени

Электрический заряд определяется произведением силы тока на время: $q=It$. Поэтому закон электролиза можно записать так: $m=kIt$. При неизменном электролите увеличение силы тока или времени процесса увеличивает массу выделившегося вещества.

Слайд 26. Применение электролиза

• Электроосаждение покрытий: никелирование, хромирование, золочение.

• Очистка металлов от примесей.

• Получение алюминия, меди и других веществ.

• Производство водорода, кислорода и хлора.

• Защита деталей от коррозии.

Слайд 27. Главные выводы

• $p$–$n$-переход создаёт область с внутренним электрическим полем и обеспечивает одностороннюю проводимость диода.

• В электролитах ток переносится катионами и анионами.

• Электролиз сопровождается химическими реакциями на катоде и аноде.

• Масса выделившегося вещества связана с прошедшим зарядом формулой $m=kq$.

• Электролиз используется в производстве, очистке и нанесении покрытий.