1.Электростатика —
раздел учения об электричестве,
изучающий взаимодействие неподвижных электрических
зарядов.
Между
одноимённо заряженными телами возникает
электростатическое (или кулоновское)
отталкивание, а между разноимённо
заряженными — электростатическое
притяжение. Явление отталкивания
одноименных зарядов лежит в основе
создания электроскопа — прибора для
обнаружения электрических зарядов.
В
основе электростатики лежит закон
Кулона. Этот закон описывает
взаимодействие точечных
электрических зарядов.
1.1.Электрическое
поле —
одна из составляющих электромагнитного
поля,
особый вид материи,
существующий вокруг тел или частиц,
обладающих электрическим
зарядом,
а также в свободном виде при изменении
магнитного поля (например, в электромагнитных
волнах).
Электрическое поле непосредственно
невидимо, но может наблюдаться благодаря
его силовому воздействию на заряженные
тела. Электрическое поле материально.
Для
количественного определения электрического
поля вводится силовая характеристика —
напряжённость электрического поля.
Электрическое
поле. Напряжённость поля.Взаимдействие
между покоящимися зарядами осуществляется
через электрич.поле. Всякий заряд создаёт
вокруг себя электрич.поле. Электрическое
поле действует на помещённый в него
электрич.заряд с кулоновской силой:
Итак,для
исследования и обнаружения электрического
поля нужно использовать «пробный»заряд.
Для характеристики поля в данной
точке,заряд должен быть точечтным. Пусть
поле создаёт заряд .
В это поле поместили проный заряд .
Расстояние между зарядами соответсвует
радиусу-вектору n.
Между зарядами действует сила Кулона
Видно
что величина этой силы зависит и от
велечины заряда,помещённого в это поле,
от величины пробного заряда и о
расстояния.
Напряжённость
электрич.поля
– это сила, с которой поле действует на
пробный заряд,помещённый в это поле.
Электрическое
поле можно описать,указав для каждой
точки величину и направление Вектора
Е. Линии напряжённости проводят таким
образом,чтобы касательная к ним в каждой
точке совпадала с направлением вектора
Е.
1.3
Напряжённостью
электрического поля называют
векторную физическую величину, равную
отношению силы, с которой поле действует
на положительный пробный заряд, помещённый
в данную точку пространства, к величине
этого заряда. Направление вектора
совпадает в каждой точке пространства
с направлением силы, действующей на
положительный пробный заряд.
1.2
Закон Кулона.
Зако́н
Куло́на —
это закон о взаимодействии точечных
электрических зарядов.
Был
открыт Шарлем
Кулоном в
1785 г.
Проведя большое количество опытов с
металлическими шариками, Шарль Кулон
дал такую формулировку закона:
Сила
взаимодействия двух точечных неподвижных
заряженных тел в вакууме направлена
вдоль прямой, соединяющей заряды, прямо
пропорциональна произведению модулей
зарядов и обратно пропорциональна
квадрату расстояния между ними.
Важно
отметить, что для того, чтобы закон был
верен, необходимы:
точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров — впрочем, можно доказать, что сила взаимодействия двух объёмно распределённых зарядов со сферически симметричными непересекающимися пространственными распределениями равна силе взаимодействия двух эквивалентных точечных зарядов, размещённых в центрах сферической симметрии;
их неподвижность. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд;
взаимодействие в вакууме.
Однако
с некоторыми корректировками закон
справедлив также для взаимодействий
зарядов в среде и для движущихся
зарядов.[2]
В
векторном виде в формулировке Ш. Кулона
закон записывается следующим образом:
где —
сила, с которой заряд 1 действует на
заряд 2; q1,q2 —
величина зарядов; —
радиус-вектор (вектор, направленный от
заряда 1 к заряду 2, и равный, по модулю,
расстоянию между зарядами — r12); k —
коэффициент пропорциональности. Таким
образом, закон указывает, что одноименные
заряды отталкиваются (а разноименные —
притягиваются).
1.4
Потенциал
Рассмотрим
поле,создаваемое неподвижным зарядом
q.
В
это поле поместили другой заряд q.Это
поле действует на заряд q с силой Кулона:
где
r – расстояние между зарядами.
Раз
поле действует на заряд q то оно перемещает
этот заряд из одной точки в другую. То
есть поле совершает работу по перемещению
заряда. Эта работа не зависит от пути
потенциал
на расстоянии r.
Отсюда
работа сил поля по перемещению единичного
положительного заряда из одной точки
в другую : A=q()
Так
как электрические силы консервативны,т.е.
не выделают тепло,то работа внешних сил
совершается за счёт потенциальной
энергии:
A=-(W)=
W
W
потенциальная энергия
«-
» работа отрицательная,т.к. над телом
совершается работа.Работа совершается
за счёт изменения потенциальной энергии
A= -
W
Упрощая
уравнение,получим
Потенциал-
это скалярная величина,численно равная
работе,которую совершают силы
электрического поля по перемещению
единичного положительного заряда из
точки поля на бесконечность.
Потенциал
электрич. поля – равен отношению
потенциальной энергии заряда в поле к
этому заряду
Един.
Измерения = 1В.
Для
графического представления поля можно
нарисовать эквипотенциальные поверхности.
Они представляют собой сферические
поверхности.Вектор напряжённости
электрического поля всегда направлен
по касательной к этим линиям.При движении
вдоль поверхностей работа равна 0,т.к.
нет перемещения из одной точки в другую
2.Связь
между напряжением и напряжённостью
эл.поля
Если
требуется найти потенциал в данной
точке,то надо его сравнить с другой
точкой.Если потенциал в другой точке
=0,то разность потенциалов это и будет
потенциалом в данной точке. Потенциал
=0 на бесконечности
Напряжение
– это разность потенциалов между двумя
точками. Поэтому напряжение- это работа
сил электрического поля по перемещению
заряда из одной точки в другую. На
бесконечности электрического поля нет.
Оно простирается мах на 10 км.
Вектор
напряжённости всегда направлен в сторону
уменьшения потенциала. Электрическое
поле сущ.,пока сущ-ет разность потенциалов
2.1
Работа электростатического поля при
перемещении зарядов
На
электрические заряды в электростатическом
поле действуют силы. Поэтому, если заряды
перемещаются, то эти силы совершают
работу. Рассчитаем работу сил однородного
электростатического поля при перемещении
положительного заряда q0 из
точки 1 в
точку 2 вначале
по траектории 1
→ 2,
а затем по траектории 1
→ 3 → 2 (рис.
1).Так
как поле однородно, то сила и
работу можно рассчитать по формуле
где
Δr12 —
модуль перемещения заряда между
точками 1 и 2.
При
перемещении заряда q0 по
траектории 1
→ 3 → 2 работа
может быть представлена как сумма работ
на участках 1
→ 3 и 3
→ 2: A132 = A13 + A32.
На
участке 1
→ 3 работа ,
где Δr13 —
модуль перемещения заряда между
точками 1 и 3.
Из
рисунка видно, что ,
т.е. .
На
участке 3
→ 2 работа
равна
где
Δr32 —
модуль перемещения заряда между
точками 3 и 2.
Следовательно, .
Сравнивая
полученные выражения, можно заметить,
что работа
по перемещению заряда в электростатическом
поле не зависит от формы траектории,
по которой двигался заряд q0, а
зависит только от начального и конечного
положений заряда.
Это утверждение справедливо и для
неоднородного электростатического
поля.
Найдем
работу на замкнутой траектории 1
→ 3 → 2 → 1:
Поле,
работа сил которого не зависит от формы
траектории и на замкнутой траектории
равна нулю, называется потенциальным.
Законы постоянного тока
Электрический
ток -
упорядоченное движение заряженных
частиц ( свободных электронов или ионов).
При
этом через поперечное сечение проводника
перносится эл. заряд ( при тепловом
движении заряженных частиц суммарный
перенесенный эл. зпряд = 0, т.к. положительные
и отрицательные заряды компенсируются).
Направление
эл. тока -
условно принято считать направление
движения положительно заряженных частиц
( от + к - ).
Действия
эл. тока (в проводнике):
тепловое
действие тока - нагревание проводника
( кроме сверхпроводников);
химическое
действие тока - проявляется только у
электролитов, на электродах выделяются
вещества, входящие в состав электролита;
магнитное
действие тока (основное) - наблюдается
у всех проводников (отклонение магнитной
стрелки вблизи проводника с током и
силовое действие тока на соседние
проводники посредством магнитного
поля).
Количественная
характеристика эл. тока.
,
I-скаляр
Сила
тока -
это отношение заряда q, перенесенного
через поперечное сечение проводника
за интервал времени t к этому интервалу.
Постоянный
ток -
эл. ток, у которого сила тока со временем
не меняется.
Сила
тока зависит от заряда частицы,
концентрации частиц, скорости направленного
движения частиц и площади поперечного
сечения проводника.
T=20*10^3+30*10^3
K
=
I=q*n*S*v
ve-мала(мм/с)
; V=c=300 000км/с
где
S - площадь поперечного сечения проводника,
qo
- эл. заряд частицы, n - концентрация
частиц,
v
- скорость упорядоченного движения
электронов.
Единица
измерения силы тока:
[I]
= Кл / с = А
Условия,
необходимые для существования
электрического тока:
-
наличие свободных электрически заряженных
частиц;
-
наличие внутри проводника эл.поля
действующего с силой на заряженные
частицы для их упорядоченного движения
(свободные электроны по инерции , без
действия силы, перемещаться не могут
из-за тормозящего воздействия на них
кристаллической решетки).
Если
в проводнике существует эл. поле, то
между концами проводника есть разность
потенциалов. Если разность потенциалов
постоянна во времени , в проводнике
течет постоянный ток.
3.2
Закон Ома для участка цепи.
По
другому, сила тока находится интегрированием
плотности тока по всей поверхности
любого сечения проводника. Единица
измерения силы тока - Ампер. Если состояние
проводника (его температура и др.)
стабильно, то между приложенным к его
концам напряжением и возникающим при
этом током существует однозначная
связь. Она называется Закон
Ома и
записывается
где
U - напряжение на концах участка цепи, R
- электрическое
сопротивление проводника,
зависящее от рода вещества и от его
геометрических размеров. Единичным
сопротивлением обладает проводник, в
котором возникает ток 1 А при напряжении
1 В. Эта единица сопротивления называется
Ом.
3.1
Последовательное и параллельное
соединение проводников.
Различают последовательное
и параллельное соединения
проводников.
I
- сила тока в цепи U - напряжение на концах
участка цепи R - полное сопротивление
участка цепи
При
последовательном соединении ток,
протекающий по всем участкам цепи,
одинаков, а напряжение на концах цепи
складывается как алгебраическая сумма
напряжений на всех участках.
-
сила тока в неразветвленном участке
цепи U - напряжение на концах участка
цепи R - полное сопротивление участка
цепи
При
параллельном соединении проводников
постоянным остается напряжение, а ток
складывается из суммы токов, протекающих
по всем ветвям. В этом случае складываются
величины, обратные сопротивлению: (см
выше)
Для
получения постоянного тока на заряды
в электрической цепи должны действовать
силы, отличные от сил электростатического
поля; их называют сторонними
силами.
3.3 Закон Ома для полной цепи.
Если
рассматривать полную
электрическую цепь,
необходимо включить в нее действие этих
сторонних сил и внутренне
сопротивление источника
тока r. В этом случае закон
Ома для полной цепи примет
вид:
I=E/(R+r).
Е
- электродвижущая сила (ЭДС) источника.
Она измеряется в тех же единицах, что и
напряжение.
Величину (R+r) называют
иногда полным
сопротивлением цепи.
КОНДЕНСАТОРЫ
-
электротехническое устройство,
накапливающее заряд
( два проводника,
разделенных слоем диэлектрика ).
где
d много меньше размеров проводника.
Обозначение
на электрических схемах:
Все
электрическое поле сосредоточено внутри
конденсатора.
Заряд конденсатора -
это абсолютное значение заряда одной
из обкладок конденсатора.
Виды
конденсаторов:
1.
по виду диэлектрика: воздушные, слюдяные,
керамические, электролитические
2. по
форме обкладок: плоские, сферические.
3.
по величине емкости: постоянные,
переменные (подстроечные).
Электроемкость
плоского конденсатора
где
S - площадь пластины (обкладки) конденсатора
d
- расстояние между пластинами
eо -
электрическая постоянная
e -
диэлектрическая проницаемость диэлектрика
Включение
конденсаторов в электрическую цепь
параллельное
последовательное
Тогда общая электроемкость
(С):
при
параллельном включении
.C=C1+C2
при
последовательном включении
4.1
ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬ
-
характеризует способность двух
проводников накапливать электрический
заряд.
-
не зависит от q и U.
- зависит от
геометрических размеров проводников,
их формы, взаимного расположения,
электрических свойств среды между
проводниками.
Единицы
измерения в СИ: ( Ф - фарад )
5.
Магнитное поле
Взаимодействие
проводников с током обусловлено
возникновением вокруг них магнитного
поля.
Магнитное поле возникает вокруг
проводника с током всегда, даже если
нет другого проводника и отследить
действие поля таким способом нельзя.
Количественной
характеристикой магнитного поля служит
специальная физическая величина
- напряженность
магнитного поля H.
С напряженностью связана также еще одна
характеристика магнитного поля - индукция
В.
Между ними существует соотношение:
B=0H, -
магнитная проницаемость вещества.
5.1 5.2 Индукция магнитного поля. Сила
Ампера (закон Ампера).
Индукция
и напряженность являются векторами.
Направление
этих векторов подчиняется правилу
правого буравчика: направление
магнитного поля совпадает с направлением
движения конца рукоядуи буравчика с
правой нарезкой, движущегося поступательно
в направлении тока.
Сила,
действующая на проводник с током в
магнитном поле, пропорциональна силе
тока в проводнике I, магнитной индукции
B, длине проводника L и синусу угла между
направлением тока в проводнике и
направлением вектора магнитной индукции
(Закон
Ампера):
F=BLIsin.
Направление
силы Ампера определяется следующим
правилом: если
направить пальцы левой руки вдоль тока
таким образом, чтобы вектор магнитного
тока входил в ладонь, то отставленный
в сторону большой палец укажет направление
силы Ампера.
Замкнутый
контур с током обладает магнитным
моментом pm.
Это векторная величина, численно равная
произведению силы тока в контуре на
площадь, охватываемую данным контуром.
Направление магнитного момента
определяется по правилу буравчика.
5.4
Напряженность магнитного поля необходима
для определения магнитной индукции
поля, создаваемого токами различной
конфигурации в различных средах. Напряженность
магнитного поля характеризует
магнитное поле в вакууме.
Напряженность
магнитного поля (формула) векторная
физическая величина, равная:
Закон
Био — Савара — Лапласа
Закон
Био́—Савара—Лапла́са — физический
закон для определения модуля
вектора магнитной
индукции в
любой точке магнитного
поля,
порождаемого постоянным электрическим
током на
некотором рассматриваемом участке. Был
установлен экспериментально в 1820
году Био и Саваром. Лаплас проанализировал
данное выражение и показал, что с его
помощью путём интегрирования,
в частности, можно вычислить магнитное
поле движущегося точечного заряда, если
считать движение одной заряженной
частицы током.
Закон
Био́—Савара—Лапла́са играет в
магнитостатике ту же роль, что и закон
Кулона в
электростатике, и глубоко аналогичен
ему.
Пусть
постоянный ток течёт
по контуру γ, находящемуся в вакууме, —
точка, в которой ищется поле,
тогда индукция магнитного
поля в этой точке выражается интегралом
(в системе СИ)
Направление перпендикулярно и ,
то есть перпендикулярно плоскости, в
которой они лежат, и совпадает с
касательной к линии магнитной
индукции. Это направление может быть
найдено по правилу нахождения линий
магнитной индукции (правилу
правого винта): направление вращения
головки винта дает направление ,
если поступательное движение буравчика
соответствует направлению тока в
элементе. Модуль вектора определяется
выражением (в системе СИ)
Векторный
потенциал даётся интегралом (в
системе СИ)
Дифференциальная
форма закона Био-Савара может быть
представлена в виде .
Её вывод основан непосредственно на
использование интегральной формы.
3акон
Био–Савара–Лапласа
В
1820 г. французские физики Жан Батист Био
и Феликс Савар, провели исследования
магнитных полей токов различной формы.
А французский математик Пьер Лаплас
обобщил эти исследования. Он проанализировал
экспериментальные данные и сделал
вывод, что магнитное
поле любого тока может быть вычислено
как векторная сумма(суперпозиция) полей,
создаваемых отдельными элементарными
участками тока:
Элемент
тока длины dl (рис.
1.4) создает
поле с магнитной индукцией:
или
в векторной форме:
Это
и есть закон
Био–Савара–Лапласа,
полученный экспериментально.
Рис.
1.4
Здесь I –
ток; –
вектор, совпадающий с элементарным
участком тока и направленный в ту
сторону, куда течет ток; –
радиус-вектор, проведенный от элемента
тока в точку, в которой мы определяем ; r –
модуль радиус-вектора; k –
коэффициент пропорциональности,
зависящий от системы единиц.
Как
видно из рисунка, вектор
магнитной индукции направлен
перпендикулярно плоскости, проходящей
через и
точку, в которой вычисляется поле.
Направление связано
с направлением «правилом
буравчика»: направление
вращения головки винта дает направление ,
поступательное движение винта
соответствует направлению тока в
элементе.
Таким
образом, закон
Био–Савара–Лапласа устанавливает
величину и направление вектора в
произвольной точке магнитного поля,
созданного проводником с
током I.
Модуль
вектора определяется
соотношением:
где
α – угол между и ; k –
коэффициент пропорциональности,
зависящий от системы единиц.
В
международной системе единиц СИ закон
Био–Савара–Лапласа для вакуума можно
записать так:
, где – магнитная постоянная
Магнитное поле прямого проводника с током. Магнитное поле кругового тока. Магнитное поле соленоида
Магнитное
поле прямого проводника с током
Для
получения спектра магнитного поля
прямого проводника с током проводник
пропускают сквозь лист картона. На
картон насыпают тонкий слой железных
опилок, и опилки слегка встряхивают.
Под действием магнитного поля железные
опилки располагаются по концентрическим
окружностям. По касательным к ним
расположатся и магнитные стрелки вокруг
такого проводника с током.
Таким
образом, линии магнитной индукции
магнитного поля прямолинейного
тока представляют
собойконцентрические
окружности,
расположенные в плоскости, перпендикулярной
к проводнику, с центром на оси проводника.
Направление линий индукции
определяется правилом
правого винта: если
поворачивать головку винта так, чтобы
поступательное движение острия винта
происходило вдоль тока в проводнике,
то направление вращения головки указывает
направление линий магнитной индукции поля
прямого проводника с током.
На
рисунке 1, а прямолинейный проводник с
током расположен в плоскости рисунка,
линии индукции — в плоскости,
перпендикулярной рисунку. На рисунке
1, б изображено сечение проводника,
расположенного перпендикулярно плоскости
рисунка, ток в нем направлен от нас (это
обозначается крестиком "х"), линии
индукции располагаются в плоскости
рисунка.
Как
показывают расчеты, модуль магнитной
индукции поля прямолинейного тока
может быть рассчитан по формуле
где μ —
магнитная проницаемость среды, μ0 =
4π·10-7 H/A2 —
магнитная постоянная, I —
сила тока в проводнике, r—
расстояние от проводника до точки, в
которой вычисляется магнитная индукция.
Магнитная
проницаемость среды —
это физическая величина, показывающая,
во сколько раз модуль магнитной
индукции В поля
в однородной среде отличается от модуля
магнитной индукции B0 в
той же точке поля в вакууме:
Магнитное
поле прямого проводника с током — поле
неоднородное.
Магнитное
поле кругового тока
Исследования
показали, что линии магнитной индукции
поля кругового тока не являются
правильными окружностями (рис. 2), но они
замыкаются, обходя проводник, по которому
идет ток. Направление линий магнитной
индукции можно определить с помощью правила
правого винта (правило
буравчика): если
головку винта вращать в направлении
тока в проводнике, то поступательное
движение острия винта покажет направление
магнитной индукции в
центре кругового
тока.
В
центре кругового
тока модуль магнитной индукции может
быть вычислен по формуле
где R —
радиус кругового проводника.
Магнитное
поле кругового тока — неоднородное
поле.
Магнитное
поле соленоида
Соленоидом называют
катушку цилиндрической формы из
проволоки, витки которой намотаны
вплотную в одном направлении, а длина
катушки значительно больше радиуса
витка.
Магнитное
поле соленоида можно представить как
результат сложения полей, создаваемых
несколькими круговыми токами, имеющими
общую ось. На рисунке 3 видно, что внутри
соленоида линии магнитной индукции
каждого отдельного витка имеют одинаковое
направление, тогда как между соседними
витками они имеют противоположное
направление.
Поэтому
при достаточно плотной намотке соленоида
противоположно направленные участки
линий магнитной индукции соседних
витков взаимно уничтожаются, а одинаково
направленные участки сольются в общую
линию магнитной индукции, проходящую
внутри соленоида и охватывающую его
снаружи.Изучение этого поля с помощью
опилок показало, что внутри соленоида
поле является однородным, магнитные
линии представляют собой прямые линии,
параллельные оси соленоида, которые
расходятся на его концах и замыкаются
вне соленоида (рис. 4).Нетрудно
заметить сходство между магнитным полем
соленоида (вне его) и магнитным полем
постоянного стержневого магнита (рис.
5). Конец соленоида, из которого магнитные
линии выходят, аналогичен северному
полюсу магнита N,
другой же конец соленоида, в который
магнитные линии входят, аналогичен
южному полюсу магнита S.
Полюсы
соленоида с током на опыте легко
определить с помощью магнитной стрелки.
Зная же направление тока в витке, эти
полюсы можно определить с помощью
правила правого винта: вращаем головку
правого винта по току в витке, тогда
поступательное движение острия винта
укажет направление магнитного поля
соленоида, а следовательно, и его
северного полюса. Модуль магнитной
индукции внутри однослойного соленоида
вычисляется по формулегде Ν —
число витков в соленоиде, I —
длина соленоида, n —
число витков, приходящееся на единицу
длины соленоида.
Сила
Лоренца
Сила
Лоренца — сила,
с которой, в рамках классической
физики, электромагнитное
поле действует
на точечную заряженную частицу.
Силой Лоренца называют иногда силу,
действующую на движущийся со
скоростью заряд лишь
со стороны магнитного
поля,
нередко же полную силу — со стороны
электромагнитного поля вообще[1] иначе
говоря, со стороны электрического и магнитного полей
в системе СИ: Названа
в честь голландского физика Хендрика
Лоренца,
который вывел выражение для этой силы
в 1892 году. За три года до Лоренца правильное
выражение было найдено Хевисайдом[2].
Частным
случаем силы Лоренца является сила
Ампера.
Со
стороны магнитного поля
Сила ,
действующая на заряженную частицу,
движущуюся в магнитном
поле:
СГС
СИ
где:
- — электродинамическая постоянная;
- — заряд частицы;
- — скорость частицы;
- — магнитная индукция поля.
Применение
силы Лоренца
В
электроприборах
Сила
Лоренца широко используется в электронных
приборах для
воздействия на заряженные частицы
(электроны и
иногда ионы),
например, в телевизионных электронно-лучевых
трубках,
а также в масс-спектрометрии и МГД
генераторах.В
ускорителях заряженных частиц
Сила
Лоренца также используется в ускорителях
заряженных частиц,
задавая орбиту, по которой движутся эти
частицы.
9.
Электромагнитная индукция.
Магнитный
поток.
Явление
самоиндукции.
Известно,
что проводник с током создает вокруг
себя магнитное поле. Верно и обратное:
магнитное поле вызывает появление
электрических токов. Это явление получило
название электромагнитной
индукции.
Опыты показывают, что причиной
возникновения индукционного тока
является изменение магнитного поля.
Это происходит в том случае, если
проводник пересекает магнитные силовые
линии. Полное количество линий магнитной
индукции В, проходящих через какую-либо
поверхность, называют потоком магнитной
индукции Ф. В случае потока однородного
магнитного поля через плоский контур
площадью S имеем: Ф=BScosa,
Где a -
угол между вектором В и направлением
нормали к плоскости контура. Если поле
неоднородно, поток Ф выражается
интегралом:
где
Bn -
проекция вектора В на направление
нормали.
Поскольку магнитных
зарядов не существует и
силовые линии магнитного поля токов
всегда замкнуты, то и линии магнитной
индукции всегда замкнуты.
Значит,
для любой замкнутой поверхности
количество количество входящих через
нее линий индукции равно количеству
выходящих, т.е.полный
поток магнитной индукции через замкнутую
поверхность равен нулю:
Фарадеем
был установлен основной количественный
закон электромагнитной индукции: ЭДС
индукции Ei,
возникающая в замкнутом контуре,
пропорциональна скорости изменения
магнитного потока через площадь,
ограниченную контуром:
где
N - число витков контура. Знак "-" в
этой формуле соответствует правилу
Ленца.
Электромагнитная
индукция возникает во всех случаях,
когда изменяется магнитный поток,
пронизывающий контур с током, в том
числе, когда это изменение потока вызвано
изменением тока в самом контуре. При
всяком изменении силы тока в каком-либо
контуре в нем возникает ЭДС индукции,
которая вызывает дополнительный ток в
контуре. Это
явление называется самоиндукцией.
Направление тока самоиндукции подчиняется
правилу Ленца. Напряженность магнитного
поля пропорциональна силе тока в катушке.
Поэтому и магнитный поток, пронизывающий
катушку, будет пропорционален току:
Ф=LI.
Коэффициент
L называют коэффициентом
самоиндукции или индуктивностью контура.
10.Катушка,
индуктивность катушки
Катушка –
небольшой, полый внутрицилиндр, стержень с
кружками на концах для наматывания на
него тесьмы, ниток,проволоки и
др.
Катушка
индуктивности —
катушка из провода с
изолированными витками. Применяется в
качестве одного из основных элементов
электрических фильтров и колебательных
контуров, накопителя электрической
энергии, источника магнитного
поля и
др.
Катушка индуктивности — винтовая,спиральная или
винтоспиральная катушка из свёрнутого
изолированного проводника,
обладающая значительной индуктивностью при
относительно малой ёмкости и
малом активном
сопротивлении.
Такая система способна накапливать
магнитную энергию при
протекании электрического
тока.
11.
Магнитные свойства материалов
Магнитные
свойства имеются у любых материалов.
Они обусловлены реакцией материала на
магнитное поле. Как уже рассматривалось
в третьей лекции, магнитную индукцию в
любом материале можно связать с
напряженностью магнитного поля в нем B
= m0×m×H
Глобально,
по отношению к магнитному полю, материалы
можно разделить на три класса
- диамагнетики,
парамагнетики, ферромагнетики. Последние
можно еще поделить на собственно
ферромагнетики, антиферромагнетики
и ферримагнетики.
Диамагнетики имеют
магнитную проницаемость чуть меньше
1. Отличаются тем, что выталкиваются из
области магнитного поля.
Парамагнетики имеют
магнитную проницаемость чуть более 1.
Подавляющее количество материалов
являются диа- и пара- магнетиками.
Ферромагнетики обладают
исключительно большой магнитной
проницаемостью, доходящей до миллиона.
11.1 Парамагнетики,
ферромагнетик,
Диамагне́тики
Парамагнетики —
вещества, которые намагничиваются во
внешнем магнитном
поле в
направлении внешнего магнитного поля.
Парамагнетики относятся к слабомагнитным
веществам, магнитная
проницаемость незначительно
отличается от единицы .
ферромагнетик —
такое вещество, которое при охлаждении
ниже определённой температуры приобретает
магнитные свойства.
Диамагне́тики —
вещества, намагничивающиеся против
направления внешнего магнитного
поля.
11.2
Гистерезис
Материал
из Википедии — свободной энциклопедии
Петля
гистерезиса. Подобная зависимость
величин характерна для всех видов
гистерезиса
Гистер
́ езис (греч. ὑστέρησις — «отстающий»)
— свойство систем (обычно физических),
которые
не сразу следуют приложенным силам.
Реакция этих систем зависит от сил,
действовавших
ранее, то есть системы зависят от
собственной истории.
11.
Магнитные свойства материалов.
Любое вещество является магнетиком -
способно под действием магнитного поля
намагничиваться - приобретать магнитный
момент. В этом случае магнитное поле
магнетика и обусловленное токами поле складываются. Намагниченность магнетика
- J
- магнитный момент единицы объёма. pm
- магнитный момент отдельной молекулы
материала.
магнитная
восприимчивость - X=J/H,
H
(A/м)
- напряжённость магнитного поля
магнитная
проницаемость - =1+X
- физическая величина, характеризующая
связь между магнитной индукцией B
и напряжённостью магнитного поля H
в веществе.
Ферромагнетики,
парамагнетики, диамагнетики. Все
магнетики подразделяются на три вида
в зависимости от знака и величины
магнитной восприимчивости:
а).
Ферромагнетики - магнитная восприимчивость
положительно и достигает очень больших
значений (103
м3/моль).
Восприимчивость зависит от напряжённости
магнитного поля. Они способны обладать
намагниченностью при отсутствии внешнего
магнитного поля. Железо, никель, кобальт,
гадолиний, их сплавы и соединения,
некоторые сплавы и соединения марганца
и хрома с неферромагнитными элементами.
Вещества могут находиться исключительно
в кристаллическом состоянии.
б).
Парамагнетики - магнитная восприимчивость
положительна и не очень высока (10-7
м3/моль).
Это вещества, которые намагничиваются
во внешнем магнитном поле в направлении
внешнего магнитного поля. Парамагнетики
относятся к слабомагнитным веществам,
магнитная проницаемость незначительно
отличается от единицы.
в).
Диамагнетики - вещества, намагничивающиеся
против направления внешнего магнитного
поля. В отсутствие внешнего магнитного
поля диамагнетики немагнитны. Под
действием внешнего магнитного поля
каждый атом диамагнетика приобретает
магнитный момент I (а каждый моль вещества
— суммарный магнитный момент),
пропорциональный магнитной индукции
B и направленный навстречу полю. Поэтому
магнитная восприимчивость χ = I/B у
диамагнетиков всегда отрицательна. По
абсолютной величине диамагнитная
восприимчивость χ мала и слабо зависит
как от напряжённости магнитного поля,
так и от температуры.
Гистерезис
- Магнитный гистерезис
— явление зависимости вектора
намагничивания и вектора напряженности
магнитного поля в веществе не только
от приложенного внешнего поля, но и от
предыстории данного образца. Магнитный
гистерезис обычно проявляется в
ферромагнетиках — Fe, Co, Ni и сплавах на
их основе. Именно магнитным гистерезисом
объясняется существование постоянных
магнитов.
Явление
магнитного гистерезиса наблюдается не
только при изменении поля H по величине
и знаку, но также и при его вращении
(гистерезис магнитного вращения), что
соответствует отставанию (задержке) в
изменении направления M с изменением
направления H. Гистерезис магнитного
вращения возникает также при вращении
образца относительно фиксированного
направления H.
12.
Колебательный контур
(LC)
- представляет собой электрическую
цепь, содержащую соединённые катушку
индуктивности и конденсатор. В такой
цепи могут возбуждаться колебания тока
(и напряжения).
Колебательный
контур — простейшая система, в которой
могут происходить свободные электромагнитные
колебания
Период
колебаний электрического колебательного
контура
- ,
где
L — индуктивность катушки, C — ёмкость
конденсатора.
Затухающие
и незатухающие колебания - Возьмём
маятник, отведём в сторону. Отпустим -
свободные затухающие колебания.Теперь
будем каждый раз его подталкивать.
Вынужденные незатухающие колебания.
Свободные
колебания не могут быть незатухающими.
Незатухающие
колебания существуют в физической
системе в отсутствие внешнего воздействия.
Амплитуда и период определяются
свойствами системы. Для поддержания
колебаний система должна иметь источник
энергии.
Затухание
колебаний - постепенное ослабевание
собственных колебаний, обусловленное
потерями энергии колебательной системой.
Затухание колебаний приводит к уменьшению
амплитуды колебаний
Энергия
магнитного поля. Энергия
W
магнитного поля, создаваемого током в
замкнутом контуре индуктивностью L,
определяется формулой
где
I
— сила тока в контуре.
Магнитное
поле обладает энергией. Подобно тому,
как в заряженном конденсаторе имеется
запас электрической энергии, в катушке,
по виткам которой протекает ток, имеется
запас магнитной энергии. Если включить
электрическую лампу параллельно катушке
с большой индуктивностью в электрическую
цепь постоянного тока, то при размыкании
ключа наблюдается кратковременная
вспышка лампы. Ток в цепи возникает под
действием ЭДС самоиндукции. Источником
энергии, выделяющейся при этом в
электрической цепи, является магнитное
поле катушки.
Энергия
электрического поля.
Электрическое
поле
- носителем
запасенной энергии, так что энергия
распределена в окружающем проводник
пространстве. В случае плоского
конденсатора созданное им электрическое
поле однородно, и сосредоточено в области
между пластинами.
где
Е
— напряженность поля, ε
— диэлектрическая проницаемость среды
внутри конденсатора.
Этой
же формулой можно воспользоваться для
подсчета полной энергии электрического
поля и в общем случае, когда поле
неоднородно.
Формула
Томсона определяет период колебаний в
колебательном контуре. T=2*Pi*корень(LC). T
- период колебаний, Pi - число Пи, L -
индуктивность катушки в колебательном
контуре, C - емкость конденсатора в
контуре.
Резонансная
частота контура также определяется
формулой Томсона:
13.
Фильтр
низких частот
- фильтр эффективно пропускающий
частотный спектр сигнала ниже некоторой
частоты (частоты среза), и уменьшающий
(или подавляющий) частоты сигнала выше
этой частоты. Степень подавления каждой
частоты зависит от вида фильтра.
Электронные
фильтры нижних частот используются для
подавления пульсаций напряжения на
выходе выпрямителей переменного тока,
для разделения частотных полос в
акустических системах, в системах
передачи данных для подавления
высокочастотных помех и ограничения
спектра сигнала, а также имеют большое
число других применений.
14.
Резонанс напряжений
- это явление, при котором частота
источника напряжения, к которому подкючен
последовательный колебательныый контур,
совпадает с собственной частатой
контура. Условия: частоты совпадают,
последовательный колебательный контур.
Признаки
резонанса напряжений:
a.
Ток в цепи совпадает по фазе с приложенным
напряжением
b.
Сопротивление минимально
c.
Ток в цепи максимален
d.
Uc=Ul>U
Резонанс
напряжений активно используется в
удвоителях напряжений, которые работают
на высокоомную нагрузку, в полосовых
фильтрах, которые реагируют на определённую
частоту.
Режим
резонанса напряжений можно получить
путём изменения фазы тока цепи так,
чтобы она совпадала по фазе с приложенным
напряжением, изменением тока и
сопротивления.
15.
Трансформатор
- статическое электромагнитное устройство,
имеющее две или более индуктивно
связанных обмоток и предназначенное
для преобразования посредством
электромагнитной индукции одной или
нескольких систем переменного тока в
одну или несколько других систем
переменного тока.
Трансформатор
может состоять из одной (автотрансформатор)
или нескольких изолированных проволочных,
либо ленточных обмоток (катушек),
охватываемых общим магнитным потоком,
намотанных, как правило, на магнитопровод
(сердечник) из ферромагнитного
магнито-мягкого материала.
Виды:
- Силовой трансформатор
- Автотрансформа́тор
- Трансформа́тор то́ка
- Трансформатор напряжения
- Импульсный трансформатор
- Разделительный трансформатор
- Пик-трансформатор
- Сдвоенный дроссель
Трансформатор
напряжения
— трансформатор, питающийся от источника
напряжения. Типичное применение -
преобразования и гальваническая развязка
высокого напряжения в низкое в
измерительных цепях. Применение
трансформатора напряжения позволяет
изолировать логические цепи защиты и
цепи измерения от цепи высокого
напряжения.
Виды:
- Заземляемый трансформатор напряжения
- Незаземляемый трансформатор напряжения
- Каскадный трансформатор напряжения
- Ёмкостный трансформатор напряжения
- Двухобмоточный трансформатор
- Трёхобмоточный трансформатор напряжения
Генератор
-
устройство, вырабатывающее электрическую
энергию, преобразующее один вид энергии
в другой.
Генератор
переменного тока (альтернатор) является
электромеханическим устройством,
которое преобразует механическую
энергию в электрическую энергию
переменного тока. Большинство генераторов
переменного тока используют вращающееся
магнитное поле.
Генератор
постоянного тока преобразует механическую
энергии в электрическую постоянного
тока или служит для обратного
преобразования.
16.
Электромагнитные
колебания
- периодические изменения напряженности
Е и индукции В.
Электромагнитными
колебаниями являются радиоволны,
микроволны, инфракрасное излучение,
видимый свет, ультрафиолетовое излучение,
рентгеновские лучи, гамма-лучи.
Генерация
электромагнитных волн
Электромагнитная
волна - волна, порожденная колебанием
параметра электромагнитного поля.
В
зависимости от длины волны в вакууме,
источника излучения и способа возбуждения
различают: низкочастотные колебания,
радиоволны, инфракрасное излучение,
видимое излучение, ультрафиолетовое
излучение, рентгеновское излучение,
гамма-лучи.
Магнетрон
- электровакуумный прибор; генератор
электромагнитных волн сантиметрового
диапазона. Принцип действия магнетрона
основан на торможении электронов в
скрещенных электрическом и магнитном
полях. Магнетроны используются в
устройствах радиолокации, а также в
нагревательных установках сверхвысокой
частоты.
Антенна
- устройство для излучения и приема
электромагнитных волн. Различают
передающие и приемные антенны. В
зависимости от назначения и диапазона
волн антенны изготовляются в виде
отрезка провода, металлического зеркал,
рупоров, спиралей, штырей, рамок,
комбинации диполей и т.д. Конструктивно
антенна представляет собой открытый
колебательный контур.
Фотометрия
- общая для всех разделов прикладной
оптики научная дисциплина, на основании
которой производятся количественные
измерения энергетических характеристик
поля излучения. В основе фотометрии как
науки лежит разработанная А. Гершуном
теория светового поля.
Радиометрия
— совокупность методов измерений
активности источников ионизирующего
излучения. Базируется на различных
физических эффектах, возникающих при
воздействии излучения на вещество —
люминесценция, ионизация, образование
видимых следов и т. д. Одним из
основоположников радиометрии является
Ганс Гейгер, который в 1908 году изобрёл
счётчик заряженных частиц и поныне
носящий его имя. Также можно назвать
Чарльза Вильсона, изобретшего камеру
Вильсона, позволяющую наблюдать
траектории заряженных частиц.
17.
Теплово́е излуче́ние
— электромагнитное излучение со сплошным
спектром, испускаемое нагретыми телами
за счёт их внутренней энергии. Один из
трёх элементарных видов переноса
тепловой энергии.
В
физике для расчёта теплового излучения
принята модель абсолютно чёрного тела,
тепловое излучение которого описывается
законом Стефана — Больцмана. Излучение
же реальных тел подчиняется закону
излучения Кирхгофа.
Абсолютно
чёрное тело — физическая идеализация,
применяемая в термодинамике, тело,
поглощающее всё падающее на него
электромагнитное излучение во всех
диапазонах и ничего не отражающее.
Несмотря на название, абсолютно чёрное
тело само может испускать электромагнитное
излучение любой частоты и визуально
иметь цвет. Спектр излучения абсолютно
чёрного тела определяется только его
температурой.
Температурный интервал в Кельвинах
Цвет
до 1000
Красный
1000—1500
Оранжевый
1500—2000
Жёлтый
2000—4000
Бледно-жёлтый
4000—5500
Желтовато-белый
5500—7000
Чисто белый
7000—9000
Голубовато-белый
9000—15000
Бело-голубой
15000—∞
Голубой
Тепловые
источники света используют свойство
тел излучать при нагревании лучистую
энергию. При достаточно большой
температуре это излучение переходит в
область видимого — тело начинает
светиться. Световое излучение увеличивается
с увеличением температуры тела.
Действие
ламп накаливания основано на тепловом
излучении. Это наиболее простой и
распространенный вид излучения, при
котором потери атомами энергии на
излучение света компенсируются за счет
энергии теплового движения атомов
излучающего тела. Чем выше температура
тела, тем быстрее движутся атомы, и
световое излучение увеличивается. При
столкновении быстрых атомов друг с
другом часть их кинетической энергии
превращается в энергию возбуждения, и
эти атомы затем также излучают свет.
Лампа
накаливания — малоэкономичный источник,
так как только 12 % всей энергии, выделяемой
в ее нити электрическим током, преобразуется
в световую энергию.
При
повышении температуры излучающего тела
I изменяется и цветовой состав излучения.
Это хорошо видно при нагреве стали:
сначала она становится красной, а затем
раскаляется добела.
Свет
как электромагнитная волна
Из
теории электромагнитного поля,
разработанной Дж. Максвеллом, следовало:
электромагнитные волны распространяются
со скоростью света — 300 000 км/с, что эти
волны поперечны, так же как и световые
волны. Максвелл предположил, что свет
— это электромагнитная волна. В дальнейшем
это предсказание нашло экспериментальное
подтверждение.
Как
и электромагнитные волны, распространение
света подчиняется тем же законам:
Закон
прямолинейного распространения света.
В прозрачной однородной среде свет
распространяется по прямым линиям. Этот
закон позволяет объяснить, как возникают
солнечные и лунные затмения.
При
падении света на границу раздела двух
сред часть света отражается в первую
среду, а часть проходит во вторую среду,
если она прозрачна, изменяя при этом
направление своего распространения,
т. е. преломляется.
Закон
отражения. Угол падения равен углу
отражения (ответы на экзамен 2004). Падающий
луч АО, отраженный луч ОБ и перпендикуляр
ОС, восставленный в точке падения, лежат
в одной плоскости. Закон преломления.
Луч падающий АО и преломленный ОБ лежат
в одной плоскости с перпендикуляром
CD, проведенным в точке падения луча к
плоскости раздела двух сред. Отношение
синусов угла падения а и угла преломления
у постоянно для данных двух сред и
называется показателем преломления
второй среды по отношению к первой:
ответы на экзамен 2004 .
Законы
отражения света учитываются при
построении изображения предмета в
зеркалах (плоском, вогнутом и выпуклом)
и проявляются в зеркальном отражении
в перископах, в прожекторах, автомобильных
фарах и во многих других технических
устройствах.
Законы
преломления света учитываются при
построении изображения во всевозможных
линзах, призмах и их совокупности
(микроскоп, телескоп), а также в оптических
приборах (бинокли, спектральные аппараты,
фотоаппараты и проекционные аппараты).
Свет
как частица
Для
частиц света, для его квантов, как принято
говорить, было придумано специальное
слово - "фотон".
Это
безмассовая частица, способная
существовать только двигаясь со скоростью
света. Электрический заряд фотона также
равен нулю.
Массу
покоя фотона считают равной нулю,
основываясь на эксперименте и теоретических
обоснованиях, описанных выше. Поэтому
скорость фотона равна скорости света.
Спин
фотона равен 1 (частица является бозоном),
но из-за нулевой массы покоя более
подходящей характеристикой является
спиральность, проекция спина частицы
на направление движения. Фотон может
находиться только в двух спиновых
состояниях со спиральностью, равной
+-1.
Если
энергия фотона равна E, то импульс p
связан с энергией соотношением E=cp, где
c — скорость света.
18.
Фотоэффект: внешний, внутренний,
вентильный
Внешним
фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией)
называется испускание электронов
веществом под действием электромагнитных
излучений. Электроны, вылетающие из
вещества при внешнем фотоэффекте,
называются фотоэлектронами, а электрический
ток, образуемый ими при упорядоченном
движении во внешнем электрическом поле,
называется фототоком.
Законы
внешнего фотоэффекта:
- Закон Столетова: при неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения):
- Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.
- Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота ν0 света (зависящая от химической природы вещества и состояния поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.
Внутренним
фотоэффектом называется перераспределение
электронов по энергетическим состояниям
в твердых и жидких полупроводниках и
диэлектриках, происходящее под действием
излучений. Он проявляется в изменении
концентрации носителей зарядов в среде
и приводит к возникновению фотопроводимости
или вентильного фотоэффекта.
Фотопроводимостью
называется увеличение электрической
проводимости вещества под действием
излучения.
Вентильный
фотоэффект или фотоэффект в запирающем
слое — явление, при котором фотоэлектроны
покидают пределы тела, переходя через
поверхность раздела в другое твёрдое
тело (полупроводник) или жидкость
(электролит).
Вольт-амперная
характеристика:
- при отсутствии напряжения между электродами фототок отличен от нуля. Следовательно, фотоэлектроны при вылете с поверхности обладают кинетической энергией.
- при некотором напряжении между анодом и катодом фототок достигает насыщения
- при некотором задерживающем напряжении фототок прекращается
- рабочее значение задерживающего напряжения не зависит от светового потока.
19.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
Теорию
фотоэффекта создал немецкий ученый А.
Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна
лежит понятие работы выхода электронов
из металла и понятие о квантовом излучении
света. По теории Эйнштейна фотоэффект
имеет следующее объяснение: поглощая
квант света, электрон приобретает
энергии h \nu . При вылете из металла
энергия каждого электро на уменьшается
на определенную величину, котору называют
работой выхода (). Работа выхода
это работа, которую необходимо затратить,
чтобы удалить электрон из металла.
Поэтому максимальная кинетическая
энергия электронов после вылета (если
нет других потерь) равна: mv^2/
. Следовательно,
Красная
граница фотоэффекта - минимальная
частота или максимальная длина волны
света, при которой еще возможен внешний
фотоэффект, то есть начальная кинетическая
энергия фотоэлектронов больше нуля.
где
Aout — работа выхода для конкретного
фотокатода, h — постоянная Планка, а с
- скорость света. Aout зависит от материала
фотокатода и состояния его поверхности.
Испускание фотоэлектронов начинается
сразу же, как только на фотокатод падает
свет с частотой
или с длиной
волны .
20.
Фотоэлемент
— электронный прибор, который преобразует
энергию фотонов в электрическую энергию.
Первый фотоэлемент, основанный на
внешнем фотоэффекте, создал Александр
Столетов в конце XIX
века.
Принцип
работы фотоэлемента:
Фотоэлементы,
которые вы видите в калькуляторах и на
спутниках, являются фотоэлектрическими
элементами или модулями (модули – просто
группа элементов, электрически соединенных
и размещенных в одном каркасе).
Фотоэлектричество, как слово, подразумевает
преобразование солнечного света прямо
в электричество. Начиная с почти
исключительного использования в космосе,
фотоэлектрические элементы все больше
и больше используются в менее экзотических
сферах человеческой жизни. Они могли
бы даже снабдить энергией ваш дом. Как
же работают эти устройства?
Фотоэлектрические
(ФЭ) элементы изготовлены из специальных
материалов под названием полупроводники
(semiconductors),
таких как кремний, который в настоящий
момент чаще всего обычно и используется.
По существу, когда свет попадает на
фотоэлемент, определенная его часть
поглощается материалом полупроводника.
Это означает, что энергия поглощенного
света передается полупроводнику. Эта
энергия освобождает электроны, позволяя
им течь свободно. У всех фотоэлементов
также есть одно или несколько электрических
полей, которые заставляют электроны,
освобожденные световым поглощением
(абсорбцией), течь в определенном
направлении. Это течение электронов и
представляет собой ток, и при помощи
установленных сверху и снизу металлических
контактов фотоэлементов мы можем извлечь
этот ток для внешнего использования.
Например, этот ток может питать
калькулятор. Этот ток, вкупе с напряжением
элемента (которое является результатом
его внутреннего поля или полей) определяет
энергию (или мощность), которую фотоэлемент
может выработать.
21.
Твёрдое
тело
- это агрегатное состояние вещества,
характеризующееся стабильностью формы
и характером теплового движения атомов,
которые совершают малые колебания около
положений равновесия. Различают
кристаллические и аморфные твердые
тела.
По
виду зонной структуры твёрдые тела
классифицируют на проводники,
полупроводники и диэлектрики.
- проводники — зона проводимости и валентная зона перекрываются, таким образом электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию. Таким образом, при приложении к твердому телу разности потенциалов, электроны смогут свободно двигаться из точки с меньшим потенциалом в точку с большим, образуя электрический ток. К проводникам относят все металлы.
- полупроводники — зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет менее 4эВ. Для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые (собственные, нелегированные) полупроводники слабо пропускают ток.
- диэлектрики — зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет более 4эВ. Таким образом, для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят.
Примесная
проводимость полупроводников —
электрическая проводимость, обусловленная
наличием в полупроводнике донорных или
акцепторных примесей.
Примесная
проводимость, как правило, намного
превышает собственную, и поэтому
электрические свойства полупроводников
определяются типом и количеством
введенных в него легирующих примесей.
Полупроводники,
в которых свободные электроны и «дырки»
появляются в процессе ионизации атомов,
из которых построен весь кристалл,
называют полупроводниками с собственной
проводимостью. В полупроводниках с
собственной проводимостью концентрация
свободных электронов равняется
концентрации «дырок».
Проводимость
связана с подвижностью частиц следующим
соотношением:
где
ρ удельное сопротивление, μn — подвижность
электронов, μp — подвижность дырок, Nn,p
— их концентрация, q — элементарный
электрический заряд
Широкое
использование полупроводников
обусловлено, в основном, теми физическими
процессами, которые происходят на
контакте примесных полупроводников с
различным типом проводимости. Та-
кой
контакт называют электронно-дырочным
переходом, или p-n переходом.
Под
контактом двух полупроводников понимают
не механическое соприкосновение
полупроводников n-, и p- типов, а создание
внутри кристалла резкой границы этих
областей. Существует несколько методов
формирования p-n – переходов.
Метод
сплавления. На примесный кристалл
германия n- типа накладывается кусочек
кристалла индия, затем производится
прогрев до температуры 500-6000 С.
Расплавившийся индий растворяет в себе
гер-
маний,
в результате чего образуется полупроводник,
который после отвердевания будет
обладать проводимостью p- типа. На границе
двух кристаллов с различной проводимостью
образуется p-n – переход (ко-
нечно,
весь технологический процесс происходит
более сложно, здесь намечена лишь его
основная схема).
Метод
диффузии. В этом методе используется
процесс диффузии одного вещества в
другое через границу их соприкосновения.
При нагреве полупроводника p- типа через
одну из его поверхностей проис-
ходит
диффузия примеси (можно взять кристалл
с n-типом проводимости и диффундировать
в него акцепторную примесь). В зависимости
от температуры процесса и его длительности,
на определенной глу-
бине
кристалла возникает p-n-переход.
Используется также эпитаксиальный
метод, суть которого зак-
лючается
в осаждении на кристалл с помощью
химических реакций из окружающей
газообразной или жидкой среды тонкого
слоя пленки того же полупроводника, но
с другой, примесной проводимостью.
Наконец,
широкое применение нашел метод ионного
легирования, когда необходимая примесь
внедряется с помощью ионного пучка.
Практически все технологические процессы
весьма сложны и доступны не
всем
промышленным странам. От качества
изготовления p-n-переходов во многом
зависит и качество радиоэлектронной
полупроводниковой аппаратуры.
Если
два различных металла привести в
соприкосновение, то между ними возникает
разность потенциалов, называемая
контактной разностью потенциалов.
- Контактная разность потенциалов зависит лишь от химического состава и температуры соприкасающихся металлов.
- Контактная разность потенциалов последовательно соединенных различных проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников.
Kõik kommentaarid