Početna veličina slova
Osnovni elementi strujnog kruga su izvor energije (baterija), trošilo, spojne žice i prekidač (sklopka). Smjer kretanja struje je od pozitivnog prema negativnom polu - to je dogovoreni smjer.
Trošila u strujni krug spajamo serijski i paralelno, ili kombinirano. Ako se jedno trošilo u serijskom spoju pokvari i ostala prestaju raditi u istom trenutku jer ostaju bez energije.
Na raspolaganju su izvor struje, tri jednake žarulje, vodiči i sklopka.
Spojite žarulje tako da:
Nacrtajte na papiru oba uspješna spoja služeći se oznakama strujnog kruga.
U prirodi postoje tri vrste materijala. Jedna skupina dobro provodi električnu struju - nazivamo ih vodičima. Druga skupina je suprotnost prvoj - tu su tvari koje ne provode električnu struju. Treća skupina tvari zaslužna je za funkcioniranje računala, mobitela, tableta, televizora i radija, općenito sve elektronike. Nju čine poluvodiči - materijali koji se u određenim okolnostima ponašaju kao vodiči, a katkad, u drugim uvjetima djeluju kao izolatori. Zanimljivo, zar ne?
Kao što već znate, elektroni se gibaju oko jezgre atoma, a prema kvantnoj teoriji ta su gibanja uređena, postoje prostori u kojima je to gibanje moguće i zone u kojima je to gibanje zabranjeno. Ako model pokušamo dodatno pojednostavniti, možemo reći da elektron može biti u jednoj od triju zona: popunjenoj, valentnoj i vodljivoj.
Najbliža jezgri atoma je popunjena zona - dio koji ne utječe na vodljivost materijala.
Slijedi valentna zona, u kojoj se nalaze valentni elektroni (o valenciji ste učili na satu Kemije).
Vodljivi pojas predstavlja energijski pojas iznad valentnog. Elektroni koji se nalaze u tom pojasu su slobodni elektroni, više nisu vezani za pojedinačne atome pa se mogu slobodno gibati.
Na slici je iscrtkano naznačena valentna zona, a oblik saća je vodljiva zona. Ružičasti pojas je zabranjena zona.
Kod izolatora, širina zabranjene zone sprječava prijelaz elektrona iz valentne u vodljivu zonu – nema slobodnih elektrona koji bi bili nositelji električne struje. S druge strane, kod vodiča elektroni se slobodno gibaju između valentne i vodljive zone, što rezultira izvrsnim svojstvima vodljivosti.
Kod poluvodiča nije tako jednostavna situacija. Na niskim temperaturama, dok su elektroni vezani u kovalentnim parovima za atome kojima pripadaju, kristal ne vodi električnu struju, ponaša se kao izolator. Na niskim temperaturama nema prijelaza iz valentne u vodljivu zonu. Međutim, na sobnim je temperaturama moguć prijelaz iz valentne u vodljivu zonu. Kad se to dogodi, nastaje praznina u valentnoj zoni - šupljina. Broj slobodnih elektrona jednak je broju šupljina. Ako neki slobodni elektron naleti na šupljinu i zaposjedne ju, dolazi ponovno do uspostave kovalentne veze. Takav proces nazivamo rekombinacija slobodnog elektrona i šupljine. Nadalje elektron iz valentne zone drugog atoma može popuniti nastalu šupljinu istodobno stvarajući novu šupljinu.
Što se događa ako se silicijev kristal priključi na električni izvor?
Kroz kristal poteče struja elektrona i šupljina. Vodljivost zbog gibanja slobodnih elektrona u kristalu naziva se N vodljivost. Elektroni se gibaju u smjeru pozitivnog pola izvora. Vodljivost zbog gibanja šupljina u kristalu naziva se P vodljivost. Šupljine se gibaju u smjeru negativnog pola izvora.
Poluvodiči, dakle, pokazuju dvije vrste vodljivosti. Prva je vodljivost elektrona iz vodljive zone, a druga je vodljivost šupljina iz valentne zone.
Broj šupljina ili broj slobodnih elektrona može se povećati dodavanjem drugih elemenata u kristalnu strukturu poluvodiča.
Ako u silicij ubacimo atome koji su peterovalentni, unutar kristalne strukture silicija dobije se jedan slobodni elektron. Na primjer, fosfor ima pet elektrona u zadnjoj ljusci, a u kristalnoj strukturi silicija atomi dijele po četiri elektrona iz zadnje ljuske pa je jedan elektron višak. Tako nastaje N-poluvodič, a suvišni elektroni fosfora postaju nositelji električne struje. Obrnuta se situacija događa kad u kristalnu strukturu ubacimo atom koji ima tri elektrona u zadnjoj ljusci. Npr. atom bora ima tri elektrona u zadnjoj ljusci, ubacimo li ga u kristalnu strukturu silicija, nedostaje jedan elektron, odnosno stvorili smo šupljinu u kristalnoj rešetci. Dodavanjem bora siliciju nastaje P-poluvodič u kojemu su šupljine nositelji električne struje.
Poluvodiči su osnova razvoja mikroelektroničkih uređaja. Svuda su oko nas, u računalima, mobitelima, televizorima, gdje god ima elektronike – ima i poluvodiča.
Poluvodiče spajamo u različite vrste spojeva (PN, NP, PNP), te koristimo njihova dobra svojstva.
Jedan od najjednostavnijih poluvodičkih elemenata koji upotrebljavamo u elektronici je poluvodička dioda. Dioda je jednostavni PN spoj, spoj poluvodiča P i poluvodiča N-tipa. Nakon samog spajanja poluvodiča P-tipa i N-tipa u kontaktnom dijelu dolazi do rekombiniranja slobodnih elektrona iz N dijela sa šupljinama iz P dijela spoja. Pritom nastaje područje osiromašeno slobodnim nositeljima naboja. Na N dijelu stvara se tanki sloj pozitivnih, a na P strani tanki sloj negativnih naboja.
Širina tog sloja povećava se ako N dio spojimo na pozitivni pol izvora, a P dio na negativni. To zovemo nepropusna polarizacija. Propusnu polarizaciju dobijemo spajanjem N dijela na negativni, a P dijela na pozitivni pol izvora.
Krajnji učinak je propusnost ili nepropusnost diode.
Na tome se temelji primjena diode kao ispravljačkog elementa u strujnom krugu, odnosno želimo li od izmjenične struje dobiti istosmjernu (koju za svoj rad koriste elektronički elementi), upotrijebit ćemo ispravljačka svojstva diode. Ukratko, dioda se ponaša kao ventil, propušta struju u jednom, ali ne u suprotnom smjeru.
Silicijska dolina u Kaliforniji središte je računalne industrije.
Zašto se naziva tako?
Složimo jednostavnu aparaturu i provjerimo vodi li određeni materijal električnu struju ili ne.
Tester treba imati:
Aparatura se slaže na sljedeći način: vodič-baterija-vodič-žarulja-vodič. Dakle postoje dva slobodna kraja vodiča. Koji materijali od navedenih provode električnu struju?
| Materijal |
|---|
| staklo |
| čačkalica |
| novčić od |
| gumica za brisanje olovke |
| komadić bakrene žice |
Aparaturu treba složiti na sljedeći način:
Električnu struju provode novčić od i komadić bakrene žice.
Električnu struju ne provode staklo, čačkalica i gumica za brisanje olovke.
Djelovanje električne struje prepoznajemo po učincima.
Ako je mračno u prostoriji, koristit ćemo svjetlosne učinke - uključit ćemo svjetlo, tj. zatvorit ćemo strujni krug u kojem je trošilo žarulja. Tu će se električna energija izvora pretvoriti u svjetlosnu.
Ako nam je hladno, uključit ćemo električnu grijalicu, na električnom štednjaku kuhamo, a sušilo za kosu je neizostavni dio svakog kućanstva.
Pri prolasku električne struje kroz vodene otopine kiselina, soli i lužina razlažu se na svoje elemente. Vodu je na taj način moguće razložiti na kisik i vodik. Takav proces iskorištavanja kemijskih učinaka električne struje naziva se elektroliza.
Oko svakog vodiča kojim teče električna struja postoji magnetsko polje. Takav magnetski učinak električne struje koristi se na različite korisne i kreativne načine. Primjerice za izradu elektromagneta ili za magnetsku levitaciju.
Od povijesne važnosti su neki pokusi i neki događaji koji su presudno utjecali na razvoj znanosti. Jedan od takvih povijesnih pokusa je poznati Oerstedov pokus iz davne 1819. godine. Urbana legenda govori o aparaturi ispod koje se slučajno, nakon jednog predavanja, našao jedan kompas - magnetna igla. Ostalo je povijest. Pogledaj animaciju i odgovori na pitanje.
Što se događa s magnetnom iglom kad kroz vodič poteče električna struja? Pogledajte simulaciju Oerstedova pokusa.
Magnetna igla se zakrenula.
Što se dogodi kad se strujni krug prekine u simulaciji Oerstedova pokusa?
A što kad promijenimo smjer gibanja električne struje u simulaciji Oerstedova pokusa?
Magnetna igla zakreće se u drugom smjeru.
Pripremiti: komad stiropora, predmet od vune (džemper, stara pletena čarapa - ona koja bocka), aluminijski tanjur ili napraviti oblik od aluminijske folije, selotejp i plastična čaša.
Plastičnu čašu zalijepimo selotejpom za aluminijski predmet tako da aluminijski predmet možemo podizati i spuštati, plastična čaša postaje ručka ili držač.
Stiropor postavimo na drvenu podlogu - stol, vunenom tkaninom trljamo stiropor barem
do
minute. Podignemo aluminijski predmet iznad stiropora držeći za plastičnu čašu i pustimo da slobodno padne na stiropor.
Lagano približimo ruku aluminijskom predmetu. Što se dogodi? Primimo plastični držač, podignemo aluminijski predmet sa stiropora i ponovno lagano približimo ruku.
Pokušaj objasniti pojavu.
Metalni vodiči imaju zanimljivu strukturu. Pozitivni ioni-atomi okruženi su slobodnim elektronima. Slobodni elektroni gibaju se nasumično, bez reda i pravila, dok krajevi vodiča ne budu priključeni na izvor električne struje. U tom se trenutku slobodni elektroni počinju pravilno gibati, postaju nositelji električne struje u metalima. Sličnu ulogu u elektrolitima - vodljivim otopinama kiselina, soli i lužina preuzimaju ioni, a u plinovima su i elektroni i ioni.
Kako je stvarnost prekrasna u svoj svojoj različitosti.
Što čini električnu struju u metalima?
Električnu struju u metalima čini usmjereno gibanje slobodnih elektrona.
Što je elektrolit?
Elektrolit je tekućina koja provodi električnu struju.
Što su čestice nositelji električne struje u elektrolitima?
Nositelji električne struje u elektrolitima su ioni.
Umna mapa
Od sljedećih elemenata napravite umnu mapu.
Elementi razine 1
Elementi razine 2
Elementi razine 3
