Электрический ток в различных средах

Постоянный электрический ток · Тема 17 / 27

Электрический ток в различных средах

Этот урок пройдём вместе с учеником, который проводит лето в мастерской дедушки: лампа, перегорающая при включении, деталь, покрываемая медью, разряд в газе, вакуумный диод и светодиодная гирлянда, которая не горит при обратном включении. В каждом явлении увидим, какие частицы переносят ток, а затем решим задания ГЭЦ.

≈ 55 минутГлав: 5Заданий ГЭЦ: 4материал 10–11 классов

После урока ты сможешь

• называть носители заряда в разных средах (электроны, ионы, дырки);
• вычислять сопротивление металла по формуле R = R₀(1 + αt);
• находить массу выделившегося вещества по законам электролиза Фарадея;
• вычислять скорость электрона в вакуумном диоде по формуле eU = mυ²/2;
• объяснять полупроводники n- и p-типа, работу p-n перехода, диода и транзистора.

Перед началом вспомни

• Закон Ома I = U/R, последовательное соединение, мощность P = UI.
• Заряд электрона e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл, работа поля A = qU.
• Кинетическая энергия mυ²/2.
• Строение атома, валентность, моль и молярная масса.

Содержание

1. ВведениеСитуация: почему лампа перегорает при включении?история и предположение
2. Глава 1Электрический ток в металлахэлектронный газ, R = R₀(1 + αt), сверхпроводимость
3. Глава 2Ток в электролитах. Законы электролизаионы, электролиз, m = kIt, k = M/(nF)
4. Глава 3Электрический ток в газах и в вакуумеионизация, разряд, плазма, вакуумный диод · ГЭЦ 01.06.2025
5. Глава 4Полупроводники: собственная и примесная проводимостьэлектрон и дырка, донор и акцептор, термистор · ГЭЦ 2026
6. Глава 5p-n переход, диод и транзисторзапирающий слой, диод, светодиод, транзистор · лаборатория · ГЭЦ 13.07.2025
7. ИтогиЗапомникраткий итог и типичные ошибки
8. ИтогиСамостоятельная работазаданий: 6, от простых к сложным

Введение

Ситуация: почему лампа перегорает при включении?

История

Летом ученик 11 класса помогает дедушке в его мастерской. Дедушка — опытный мастер-электрик. Наступает вечер, мастер нажимает выключатель на стене, и под потолком загорается обычная лампа накаливания (220 В, 100 Вт).

Мастер говорит: «Такие лампы почти всегда перегорают в момент включения». Затем он измеряет мультиметром сопротивление нити холодной лампы: всего 44 Ом. Во сколько раз ток в первый миг после включения больше тока горящей лампы?

Выключатель нажат: нить нагревается, ток меняется (анимация замедлена в 50 раз).Сначала предположи

Как ты думаешь, во сколько раз ток в первый миг после включения больше тока в рабочем режиме? Ответ вычислим в 1-й главе.

Глава 1

Электрический ток в металлах

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. В разных средах заряд переносят разные частицы: в металлах — электроны, в электролитах — ионы, в газах — электроны и ионы, в вакууме — электроны, вылетевшие из катода, в полупроводниках — электроны и дырки. В этом уроке рассмотрим каждую среду отдельно.

В узлах кристаллической решётки металла находятся положительные ионы, а между ними хаотически движутся оторвавшиеся от атомов свободные электроны — «электронный газ». Когда в проводнике возникает электрическое поле, к хаотическому движению добавляется медленный дрейф против поля — это и есть ток. То, что заряд в металлах переносят электроны, доказал опыт Толмена и Стюарта (импульс тока в резко остановленной вращающейся катушке); при прохождении тока вещество в металле не переносится.

Определение

Электрический ток в металлах — упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля. Проводимость металлов — электронная.

Анимация · дрейф электронов в металлетемпература металла t20 °CУвеличивай температуру: колебания ионов усиливаются, электроны чаще сталкиваются с ними, дрейф замедляется. Реальная скорость дрейфа очень мала (порядка миллиметров в секунду), здесь она преувеличена.

Главная причина, мешающая движению электронов, — тепловые колебания ионов решётки. С ростом температуры колебания усиливаются, электроны рассеиваются сильнее, и сопротивление металла растёт. Опыт показывает, что в широком интервале этот рост линейный:

Зависимость сопротивления металла от температуры

R₀ — сопротивление при 0 °C, t — температура (°C), α — температурный коэффициент сопротивления (К⁻¹). Для всех чистых металлов α > 0, например, для меди α ≈ 4,3·10⁻³ К⁻¹, для вольфрама примерно 5·10⁻³ К⁻¹.

R = R₀(1 + αt),   ρ = ρ₀(1 + αt)

Вернёмся к лампе в мастерской. В анимации ниже первые 200 миллисекунд после включения замедлены в 50 раз. Нить разогревается примерно за 0,1 секунды.

Анимация · после включения лампыВ модели R₀ = 40 Ом, α = 5·10⁻³ К⁻¹: при 20 °C R = 44 Ом, при 2220 °C R = 484 Ом. Так как напряжение постоянно, ток меняется обратно пропорционально сопротивлению.История

Посчитаем. Ток горящей лампы I = P/U = 100/220 ≈ 0,45 А, её сопротивление R = U²/P = 220²/100 = 484 Ом. В первый миг нить холодная: Iнач = U/Rхол = 220/44 = 5 А. Отношение: 5 : 0,45 ≈ 11. Этот короткий «бросок тока» перегревает и расплавляет самое тонкое место нити — именно поэтому лампы перегорают при включении.

Пример 1

Сопротивление вольфрамовой нити при 0 °C равно 40 Ом, температурный коэффициент 5·10⁻³ К⁻¹. В горящей лампе сопротивление нити 484 Ом. Найдите температуру нити.

1. Из формулы R = R₀(1 + αt): 1 + αt = R/R₀ = 484/40 = 12,1.
2. t = (12,1 − 1)/(5·10⁻³) = 2220 °C.Почему так?

   Нить, нагретая выше 2000 °C, светится белым светом; температура плавления вольфрама около 3400 °C.

3. Проверка: при 20 °C R = 40·(1 + 0,005·20) = 44 Ом — значение, измеренное мастером.
4. Ответ: примерно 2220 °C.

При очень низких температурах сопротивление некоторых металлов скачком падает до нуля. Это явление в 1911 году открыл Х. Камерлинг-Оннес на ртути (Tк = 4,2 К) и назвал его сверхпроводимостью. Ток, однажды возбуждённый в сверхпроводящем кольце, течёт годами, не затухая. Сверхпроводники используют в мощных электромагнитах (томографы, ускорители) и в поездах на магнитной подушке.

Сверхпроводимость: при критической температуре сопротивление скачком падает до нуля.Проверь себя

Сопротивление медного провода при 0 °C равно 20 Ом. Найдите его сопротивление (Ом) при 100 °C (α = 4,3·10⁻³ К⁻¹).

R = R₀(1 + αt) = 20·(1 + 0,43).

Глава 2

Ток в электролитах. Законы электролиза

История

На следующий день мастер решает покрыть медью старую железную деталь, чтобы она не ржавела. Он наливает в стеклянную банку раствор медного купороса (CuSO₄), подключает деталь к минусу источника, медную пластину — к плюсу и опускает обе в раствор. Источник даёт ток 1 А.

Ученик засекает время: процесс будет идти 50 мин. Сколько меди осядет на детали? И почему медь собирается именно на детали, подключённой к минусу?

Деталь постепенно покрывается медью; ионы движутся к электродам.

Чистая вода проводит ток очень плохо. Когда в воде растворяют соль, кислоту или щёлочь, молекулы распадаются на положительные и отрицательные ионы — это электролитическая диссоциация: CuSO₄ → Cu²⁺ + SO₄²⁻. Такие растворы (и расплавы) называют электролитами. Как только между электродами возникает поле, положительные ионы (катионы) движутся к отрицательному электроду — катоду, а отрицательные (анионы) — к положительному, аноду. Проводимость электролитов — ионная.

Анимация · электролиз медного купоросаВ анимации 50 минут сжаты в 10 секунд. На катоде ион Cu²⁺ получает два электрона и превращается в атом меди: Cu²⁺ + 2e → Cu. На медном аноде наоборот: атомы меди переходят в раствор в виде ионов — анод истончается.Определение

Выделение вещества на электродах при прохождении тока через электролит называется электролизом. В отличие от металлов, сопротивление электролитов при нагревании уменьшается: диссоциация усиливается, ионы движутся легче.

Каждый ион несёт определённую массу и определённый заряд. Значит, масса выделившегося вещества должна быть пропорциональна заряду, прошедшему через электролит. Это опытным путём установил М. Фарадей в 1833 году.

Законы электролиза Фарадея

I закон: масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через электролит: m = k·q = k·I·t. Здесь k — электрохимический эквивалент вещества (кг/Кл). II закон:k = M/(nF), где M — молярная масса, n — валентность иона, F = e·NA ≈ 96500 Кл/моль — постоянная Фарадея.

m = kIt = MIt/(nF)

История

Вернёмся в мастерскую. Для меди k = M/(nF) = 0,064/(2·96500) ≈ 0,33·10⁻⁶ кг/Кл. За 50 минут проходит заряд q = It = 1 · 3000 = 3000 Кл. Выделившаяся медь: m = kq = 0,33·10⁻⁶ · 3000 ≈ 1·10⁻³ кг = 1 г. Медь собирается именно на детали, подключённой к минусу, потому что положительные ионы Cu²⁺ притягиваются к катоду.

Пример 2

Алюминий получают электролизом расплава боксита (ионы Al³⁺, M = 27 г/моль). Какой заряд нужен для получения 1 кг алюминия и сколько электроэнергии на это расходуется при напряжении 5 В?

1. Из объединённого закона Фарадея: q = m·n·F/M = 1 · 3 · 96500 / 0,027 ≈ 1,07·10⁷ Кл.Почему так?

   Ион Al³⁺ принимает три электрона: на каждый атом нужен заряд 3e, поэтому n = 3.

2. Энергия: W = qU = 1,07·10⁷ · 5 ≈ 5,4·10⁷ Дж ≈ 15 кВт·ч.
3. Это расход электроэнергии квартиры за несколько дней — поэтому алюминиевые заводы строят рядом с крупными электростанциями.
4. Ответ: примерно 1,07·10⁷ Кл и 15 кВт·ч.

Электролиз широко применяют в технике: нанесение металлических покрытий (гальваностегия — никелирование, хромирование, меднение), получение рельефных копий (гальванопластика), очистка металлов (рафинирование), получение алюминия и натрия, зарядка аккумуляторов.

Проверь себя

Ложку серебрят: ток 5 А, время 10 мин, электрохимический эквивалент серебра 1,12 мг/Кл. Сколько граммов серебра осядет на ложке?

q = It = 5 · 600 Кл; m = kq (переведи мг в граммы).

Глава 3

Электрический ток в газах и в вакууме

В обычных условиях газ состоит из нейтральных молекул и является хорошим изолятором. Чтобы газ стал проводником, его нужно ионизовать — оторвать электроны от атомов: нагреть пламенем, облучить ультрафиолетом или рентгеном. Если при прекращении действия ионизатора ток тоже прекращается, разряд называют несамостоятельным.

При достаточно большом напряжении газ ионизует сам себя. На пути между двумя столкновениями (длина свободного пробега λ) электрон получает от поля энергию W = eEλ. Если она больше энергии ионизации атома, электрон при столкновении выбивает из атома новый электрон: один электрон становится двумя, два — четырьмя… Это ударная ионизация и электронная лавина. Положительные ионы бомбардируют катод и выбивают из него новые электроны, и разряд продолжается без ионизатора — самостоятельный разряд.

Анимация · электронная лавинаПри каждом столкновении число свободных электронов удваивается: 1 → 2 → 4 → 8 → 16. Тяжёлые положительные ионы очень медленно движутся к катоду.Пример 3

Для ионизации молекулы воздуха нужна энергия примерно 15 эВ, а длину свободного пробега электрона примем равной 5 мкм. Какой должна быть напряжённость поля, чтобы началась ударная ионизация?

1. Условие: eEλ ≥ Wион.Почему так?

   На пути λ поле совершает над электроном работу A = eEλ — эту энергию электрон «приносит» к столкновению.

2. E ≥ W/(eλ) = 15 В / 5·10⁻⁶ м = 3·10⁶ В/м: деление на заряд электрона переводит эВ в вольты.
3. Действительно, сухой воздух «пробивается» в поле около 3 МВ/м — так возникают искра и молния.
4. Ответ: примерно 3·10⁶ В/м.

Виды самостоятельного разряда: тлеющий (при низком давлении; рекламные трубки, лампы дневного света), дуговой (большой ток, очень высокая температура; электросварка), искровой (молния), коронный (у острых частей высоковольтных линий). Сильно ионизованный газ называют плазмой — четвёртым состоянием вещества; Солнце и звёзды состоят из плазмы.

В вакууме носителей заряда нет вообще. Чтобы «внести» их, катод нагревают: из раскалённого металла «испаряются» электроны — это термоэлектронная эмиссия. Двухэлектродная лампа — вакуумный диод — пропускает ток только в одном направлении: когда потенциал анода выше потенциала катода.

Анимация · вакуумный диоданодное напряжение U40 ВМеняй анодное напряжение. При U > 0 электроны, ускоряясь, долетают до анода (зелёная стрелка — скорость), при U ≤ 0 у катода образуется «электронное облако», и ток прекращается.

Поле совершает над электроном работу A = eU, и она переходит в кинетическую энергию электрона. Именно так разгоняют электроны в электронно-лучевых и рентгеновских трубках и в электронных микроскопах.

Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 01.06.2025

Если напряжение между анодом и катодом вакуумного диода равно 40 В, с какой скоростью (Мм/с) электрон достигнет анода (v₀ = 0; e/mₑ = 2·10¹¹ Кл/кг)?

1. Начальная скорость электрона, вылетевшего из катода, равна нулю. Работа поля переходит в кинетическую энергию: eU = mυ²/2.Почему так?

   Теорема о кинетической энергии: работа поля равна изменению кинетической энергии, а начальная энергия равна нулю.

2. Вырази скорость: υ = √(2·(e/m)·U) — здесь дан удельный заряд e/m, знать e и m по отдельности не нужно.
3. υ = √(2 · 2·10¹¹ · 40) = √(1,6·10¹³) = 4·10⁶ м/с = 4 Мм/с.Почему так?

   Мм (мегаметр) = 10⁶ м. Реальное e/m = 1,76·10¹¹ Кл/кг, ГЭЦ для простоты взял 2·10¹¹.

4. Ответ: 4 Мм/с.

Это же задание было и на экзамене 01.06.2025, IV группа специальностей (A86).

Официальное пояснение ГЭЦ (01.06.2025)

Работа, совершаемая для того, чтобы термоэлектроны, вылетевшие из катода вакуумного диода,достигли анода, A = eU = mυ²/2.Отсюда скорость электрона:υ = √(2eU/m) = √(2 · 2 · 10¹¹ · 40) = 4 · 10⁶ м/с = 4 Мм/сИсточник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 01.06.2025, I группа специальностей (PDF)

Проверь себя

В вакуумном диоде электрон должен долететь до анода со скоростью 6 Мм/с (υ₀ = 0, e/m = 2·10¹¹ Кл/кг). Каким должно быть напряжение (В) между анодом и катодом?

U = υ²/(2·e/m) = (6·10⁶)²/(4·10¹¹).

Глава 4

Полупроводники: собственная и примесная проводимость

Удельное сопротивление кремния (Si) и германия (Ge) лежит между металлами и диэлектриками, но главное отличие в другом: сопротивление полупроводника резко уменьшается при нагревании и освещении. Причина — в строении кристалла. Кремний четырёхвалентен: каждый атом образует с четырьмя соседями двухэлектронные ковалентные связи, и все валентные электроны «заняты» в связях. При абсолютном нуле полупроводник — изолятор.

При нагревании часть связей рвётся: электрон становится свободным, а оставленное им пустое место называют дыркой. Электрон соседней связи может перескочить на это место — дырка перемещается и ведёт себя как положительный заряд (+e). В чистом полупроводнике числа электронов и дырок равны (n = p) — это собственная проводимость. С ростом температуры рвётся больше связей, носителей становится больше, и сопротивление уменьшается.

Анимация · электроны и дырки в кристалле кремнияТри случая показаны по очереди: чистый Si, примесь фосфора (донор), примесь бора (акцептор). Электрон движется против поля, дырка — по полю.Примесная проводимость

Если в кристалл ввести примесь пятивалентного элемента (P, As), его пятый электрон не участвует в связях и легко становится свободным. Такую примесь называют донорной, полупроводник с основными носителями-электронами — n-типа. Примесь трёхвалентного элемента (B, In, Ga) оставляет одну связь незавершённой и создаёт дырку; такая примесь — акцепторная, полупроводник с основными носителями-дырками — p-типа.

Пример 4

В 1 м³ кремния примерно 5·10²⁸ атомов, а концентрация собственных свободных электронов при комнатной температуре около 10¹⁶ м⁻³. На каждый миллион атомов кремния вводят один атом фосфора. Во сколько раз возрастёт концентрация свободных электронов?

1. Концентрация атомов фосфора: 5·10²⁸ / 10⁶ = 5·10²² м⁻³.Почему так?

   Каждый атом донора даёт один свободный электрон.

2. Отношение: 5·10²² / 10¹⁶ = 5·10⁶.
3. Ответ: примерно в 5 миллионов раз — один атом примеси на миллион увеличивает проводимость в миллионы раз.

Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 12.07.2026

Определите соответствующие пункты на диаграмме Эйлера–Венна.1. Увеличивает число свободных электронов в полупроводниковом кристалле.2. Обеспечивает превышение числа дырок над числом электронов в полупроводниковом кристалле.3. Приводит к образованию полупроводника p-типа.4. Приводит к образованию полупроводника n-типа.5. Уменьшает электрическое сопротивление полупроводникового кристалла.

Рисунок меняется вместе с шагами.A) I: 1, 4; II: 2, 3; III: 5B) I: 2, 3; II: 1, 4; III: 5C) I: 1, 5; II: 2, 3; III: 4D) I: 1, 4; II: 3, 5; III: 2E) I: 1, 3; II: 2, 4; III: 5

1. Акцепторная примесь (часть I) создаёт дырки: дырок становится больше, чем электронов, — 2, и полупроводник становится p-типа — 3.Почему так?

   «Акцептор» — «принимающий»: атом примеси принимает электрон из соседней связи, там остаётся дырка.

2. Донорная примесь (часть II) увеличивает число свободных электронов — 1 — и создаёт полупроводник n-типа — 4.Почему так?

   «Донор» — «дающий»: атом примеси отдаёт кристаллу лишний электрон.

3. Обе примеси увеличивают число носителей, поэтому обе уменьшают сопротивление — 5 в общей части (III).Почему так?

   Сопротивление зависит не от вида носителей, а от их числа.

4. Подходящий вариант: I — 2, 3; II — 1, 4; III — 5.
5. Ответ: I: 2, 3; II: 1, 4; III: 5 (вариант B).

Это же задание было и на экзамене 12.07.2026, IV группа специальностей (A72).

Официальное пояснение ГЭЦ (12.07.2026)

В чистом (беспримесном) полупроводнике число дырок равно числу электронов. При введении (легировании) в полупроводниковый кристалл акцепторной примеси число дырок возрастает и становится больше числа электронов, и полупроводник приобретает проводимость p-типа. При введении в полупроводниковый кристалл донорной примеси число свободных электронов возрастает и становится больше числа дырок, и полупроводник приобретает проводимость n-типа. В обоих случаях из-за роста концентрации носителей заряда электрическое сопротивление полупроводника уменьшается.Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 12.07.2026, I группа специальностей (PDF)

Сильная зависимость сопротивления от температуры используется в термисторах (терморезисторах), от освещённости — в фоторезисторах: электронные термометры, пожарная сигнализация, автоматическое включение уличного освещения.

Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 07.06.2026

Как изменятся показания вольтметров и амперметра, если нагреть термистор до определённой температуры? Обоснуйте ответ, используя соответствующие формулы.

Рисунок меняется вместе с шагами.

1. Термистор — полупроводник: при нагревании его сопротивление Rtуменьшается.Почему так?

   Растёт число носителей заряда (собственная проводимость).

2. Элементы соединены последовательно: I = U/(R + Rt). Знаменатель уменьшается — показание амперметра растёт.Почему так?

   В последовательной цепи ток определяется общим сопротивлением. Запись «I = U/R» в пояснении ГЭЦ неточна — нужно брать общее сопротивление цепи.

3. Напряжение на резисторе U₁ = I·R: R не меняется, I растёт — V₁ растёт.
4. Напряжение источника постоянно: U₂ = U − U₁ — V₂ уменьшается.Почему так?

   Из U₂ = I·Rt вывод сделать трудно (I растёт, Rt падает), поэтому находим U₂ как U − U₁.

5. Ответ: показание амперметра увеличится; показание вольтметра V₁ увеличится; показание вольтметра V₂ уменьшится.

Официальное пояснение ГЭЦ (07.06.2026)

Так как термистор — полупроводник, при нагревании до определённой температуры его сопротивление уменьшается. Поэтому сила тока через термистор … возрастает.Так как сила тока через резистор сопротивлением R, соединённый последовательно с термистором, возрастает, показание вольтметра, подключённого к его зажимам, тоже (U_R = I·R) возрастает.Так как эти устройства подключены к источнику постоянного напряжения (U = U_R + U_t = const) и напряжение на концах резистора U_R растёт, напряжение на зажимах термистора уменьшается.Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 07.06.2026, I группа специальностей (PDF)

Проверь себя

В той же цепи U = 12 В, R = 4 Ом. При нагревании сопротивление термистора уменьшается от 8 Ом до 2 Ом. На сколько вольт уменьшится показание вольтметра V₂?

Сначала I = 12/12 = 1 А, U₂ = 8 В; затем I = 12/6 = 2 А, U₂ = 4 В.

Глава 5

p-n переход, диод и транзистор

История

Приближается Новый год. Ученик вешает на окно мастерской маленькую гирлянду из трёх цветных светодиодов и подключает её к батарее 9 В. Гирлянда горит. Потом он переворачивает батарею — гирлянда не горит, хотя провода те же.

Мастер говорит: «Светодиоды соединены последовательно, на каждом падает 2 В, а их нормальный ток 20 мА. Поэтому я поставил в цепь резистор». Почему светодиод пропускает ток только в одну сторону и каким должно быть сопротивление резистора?

Батарею подключают то прямо, то обратно.

Сделаем одну часть кристалла p-типа, другую — n-типа. На границе электроны диффундируют из n-области в p-область, дырки — наоборот, и рекомбинируют (электрон «заполняет» дырку). В итоге вблизи границы не остаётся свободных носителей, только неподвижные ионы: отрицательные ионы акцептора со стороны p и положительные ионы донора со стороны n. Этот тонкий слой — запирающий (обеднённый) слой — своим полем останавливает дальнейшую диффузию. Такую границу называют p-n переходом.

Лаборатория · подай напряжение на p-n переходАнимация · p-n переход и вольт-амперная характеристиканапряжение U (плюс на p)0.6 ВЕсли плюс батареи подключён к p-стороне (U > 0), внешнее поле направлено против поля запирающего слоя: слой сужается, носители текут к переходу и рекомбинируют (в светодиоде при этом испускается свет). При U < 0 слой расширяется, и ток измеряется микроамперами.Односторонняя проводимость

p-n переход пропускает ток практически только в одном направлении — от p к n (прямое включение: «+» к p-области). При обратном включении ток очень мал. Прибор с p-n переходом называют полупроводниковым диодом; треугольник в его условном обозначении показывает направление, в котором проходит ток.

История

Вот секрет гирлянды: при обратном подключении батареи p-n переход каждого светодиода закрывается, и ток не течёт. При прямом подключении на трёх светодиодах падает 3 · 2 = 6 В, остальное напряжение приходится на резистор: UR = 9 − 6 = 3 В. Тогда R = UR/I = 3/0,02 = 150 Ом.

Без резистора через светодиоды потечёт слишком большой ток, и они сгорят: посмотри на характеристику в лаборатории — при небольшом росте напряжения ток резко растёт.

Важнейшее применение диода — выпрямление переменного тока: в зарядном устройстве телефона диоды превращают переменный ток в ток одного направления.

Анимация · выпрямитель на диодеВ положительный полупериод напряжения диод открыт и лампа горит, в отрицательный — диод закрыт и ток равен нулю.

Кристалл с двумя p-n переходами — транзистор — состоит из трёх областей: эмиттера, базы и коллектора (p-n-p или n-p-n). База очень тонкая; малый ток в цепи базы управляет большим током в цепи коллектора. Поэтому транзистор усиливает сигналы и работает как электронный ключ — в процессоре компьютера миллиарды транзисторов. В условном обозначении эмиттер показан стрелкой; стрелка указывает направление тока.

Так спрашивают на экзаменеГЭЦ · 13.07.2025

Условное обозначение какого устройства изображено?

Рисунок меняется вместе с шагами.A) вакуумного диодаB) электрического звонкаC) транзистораD) полупроводникового диодаE) реостата

1. На рисунке в круге три вывода: справа база, слева две наклонные линии — коллектор и эмиттер.Почему так?

   У диода два вывода (треугольник и черта), у транзистора — три.

2. На одной из наклонных линий стрелка — это эмиттер. Стрелка направлена к базе: транзистор p-n-p.Почему так?

   У транзистора n-p-n стрелка эмиттера направлена от базы.

3. Обозначение вакуумного диода — круг с катодом и анодом внутри, звонок — полукруг, реостат — прямоугольник со стрелкой-ползунком.
4. Ответ: транзистора (вариант C).

Это же задание было и на экзамене 13.07.2025, IV группа специальностей (A61).

Официальное пояснение ГЭЦ (13.07.2025)

Как известно из учебника, это условноеобозначение транзистора.Источник: пояснение ГЭЦ (перевод с азербайджанского) — 13.07.2025, I группа специальностей (PDF)

Проверь себя

Напряжение USB-разъёма 5 В. К нему через последовательный резистор подключают светодиод: на светодиоде должно быть 3 В, ток 10 мА. Каким должно быть сопротивление резистора (Ом)?

UR = 5 − 3 = 2 В; R = UR/I, 10 мА = 0,01 А.

Итоги

Запомни

• В металлах носители — свободные электроны; R = R₀(1 + αt), для металлов α > 0 — при нагревании сопротивление растёт.
• Некоторые металлы ниже критической температуры становятся сверхпроводниками: R = 0.
• В электролитах заряд переносят ионы: катионы идут к катоду, анионы — к аноду.
• Законы электролиза: m = kIt, k = M/(nF), F ≈ 96500 Кл/моль.
• Ток в газе возникает при ионизации; условие ударной ионизации eEλ ≥ Wион; плазма — ионизованный газ.
• В вакууме носители даёт термоэлектронная эмиссия; у анода eU = mυ²/2.
• В полупроводнике — электроны и дырки; донор → n-тип, акцептор → p-тип; при нагревании сопротивление уменьшается.
• p-n переход пропускает ток в одном направлении (от p к n): диод, светодиод, выпрямитель; транзистор — два p-n перехода, усилитель и ключ.

Типичные ошибки

При нагревании сопротивление всех проводников растёт

Это верно только для металлов. Сопротивление полупроводников и электролитов при нагревании уменьшается — растёт число носителей.

Масса при электролизе зависит от напряжения

Масса зависит только от прошедшего заряда: m = kq = kIt. Напряжение определяет лишь затраченную энергию: W = qU.

Дырка — движущаяся в кристалле положительная частица (например, протон)

Дырка — вакантное место электрона в связи. Когда соседние электроны перескакивают на него, место перемещается и ведёт себя как заряд +e.

Диод одинаково проводит ток в обе стороны, просто у него большое сопротивление

Проводимость диода односторонняя: при прямом включении запирающий слой сужается и ток большой, при обратном — слой расширяется и ток практически равен нулю.

Итоги

Самостоятельная работа

Задания расположены от простых к сложным. Сначала реши сам, потом выбери вариант; пояснение откроется после ответа.

1 · Уровень 1

Какие частицы создают электрический ток в металлах?

Ионы решётки колеблются на месте, заряд переносят свободные электроны.

2 · Уровень 1

При нагревании чистого полупроводника его сопротивление:

Рвётся больше связей, число электронов и дырок растёт.

3 · Уровень 2

Через раствор медного купороса 10 мин течёт ток 2 А (k = 0,33 мг/Кл). Сколько меди выделится на катоде?

q = It = 2 · 600 = 1200 Кл; m = 0,33 · 1200 = 396 мг.

4 · Уровень 2

В кремний введена примесь индия (элемент III группы). Основные носители в полученном полупроводнике:

Трёхвалентная примесь — акцептор: одна связь неполна, появляется дырка.

5 · Уровень ГЭЦ

В вакуумном диоде электрон достигает анода со скоростью 8 Мм/с (υ₀ = 0, e/m = 2·10¹¹ Кл/кг). Анодное напряжение:

U = υ²/(2·e/m) = 6,4·10¹³ / 4·10¹¹ = 160 В.

6 · Уровень ГЭЦ

Один и тот же ток проходит через две последовательно соединённые ванны: CuSO₄ (M = 64 г/моль, n = 2) и AgNO₃ (M = 108 г/моль, n = 1). В первой выделилось 6,4 г меди. Сколько серебра выделится во второй?

q одинаков, m ~ M/n: mAg = 6,4 · (108/1)/(64/2) = 21,6 г.

Экзаменационные задания и официальные пояснения — ГЭЦ (PDF на азербайджанском языке, в уроке — в переводе):

1. 01.06.2025, I группа специальностей (PDF) — вариант A, 55; B-55, C-53, D-56
2. 01.06.2025, IV группа специальностей (PDF) — вариант A, 86; B-85, C-83, D-86
3. 13.07.2025, I группа специальностей (PDF) — вариант A, 43; B-46, C-34, D-48
4. 13.07.2025, IV группа специальностей (PDF) — вариант A, 61; B-71, C-79, D-63
5. 07.06.2026, I группа специальностей (PDF) — вариант A, 58; B-58, C-58, D-58
6. 12.07.2026, I группа специальностей (PDF) — вариант A, 31; B-37, C-52, D-34
7. 12.07.2026, IV группа специальностей (PDF) — вариант A, 72; B-77, C-82, D-74

История, сцены, примеры, задания «Проверь себя» и «Самостоятельная работа» — наши, не из материалов ГЭЦ. Задания и пояснения ГЭЦ даны в переводе с азербайджанского; знак «…» обозначает пропущенную часть.