Электрический ток в полупроводниках

К полупроводникам относятся материалы, сопротивление которых с ростом температуры понижается, а при понижении температуры – возрастает.

Кремний является одним из наиболее широко применяемых полупроводниковых элементов. На внешней оболочке атома кремния находится четыре валентных электрона, которые образуют с соседними атомами ковалентные связи (рис. 52).

Рис. 52 Рис. 53

Рассмотренные процессы движения электронов и дырок создают собственную проводимость химически чистого кремния.

Введение в полупроводник примесей сильно влияет на его электрические свойства. Рассмотрим решетку кремния, в которой один атом замещен пятивалентным атомом мышьяка As (рис. 53). Четыре электрона примесного атома будут связаны с соседними атомами кремния, а пятый электрон окажется «лишним». Он создает в полупроводнике электронную примесную проводимость (проводимость n – типа).

Рис. 54

Электромагнетизм

Магнитное поле

Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами. Это было показано в опытах А.Ф. Иоффе. Внутри стеклянной трубки создавался высокий вакуум (рис. 55). Катод

Рис. 55

Заменив трубку прямолинейным проводником, по которому шел ток такой же силы, как и в трубке, Иоффе установил, что угол поворота магнитной стрелки остался прежним. Таким образом, было доказано, что свободные электронные лучи по своему магнитному действию эквивалентны токам в проводниках.

Рис. 56

Рис. 57

Рис. 58

Магнитное поле полосового магнита показано на рис. 57. Магнитное поле катушки с большим числом витков, подобно полю полосового магнита (рис. 58). В пространстве линии магнитной индукции направлены от северного полюса магнита N к южному S (рис. 57, 58).

Закон Ампера

В предыдущем параграфе показано, что проводник с током действует на магнитную стрелку. Тогда, в соответствии с третьим законом Ньютона, магнитное поле должно оказывать действие на проводник с током. Это действие было обнаружено А. Ампером. Он установил, что сила F, которая действует на прямолинейный проводник с током, находящийся в однородном магнитном поле, прямо-пропорциональна силе тока I в проводнике, его длине l, магнитной индукции B и синусу угла между направлением тока в проводнике и вектором В.

Рис. 59

Из этого закона следует, что

; ()

то есть магнитная индукция – это силовая характеристика магнитного поля.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если четыре пальца левой руки вытянуть в направлении тока, а линии магнитной индукции будут входить в ладонь, то большой палец, отогнутый на 90^o, укажет направление силы Ампера (рис. 59).

Сила Лоренца

Магнитное поле действует не только на проводник с током. Оно действует и на отдельные электрические заряды, движущиеся в магнитном поле.

Найдем выражение для силы, действующей на электрический заряд, который движется в магнитном поле. Запишем закон Ампера:

(полагаем );

Рассмотрим произведение ; .

; – общее число зарядов в проводнике.

– сила, действующая на N зарядов

– сила, действующая на один заряд – сила Лоренца.

Направление действия силы Лоренца определяется правилом левой руки, как и силы Ампера. В общем случае

.

Магнитный поток

Рис. 60

[Вб] (Вебер)

где n – нормаль к площадке.

Найдем работу, совершаемую магнитным полем при перемещении проводника с током (рис. 61).

Рис. 61

; ().

– площадь, заметаемая проводником при движении в магнитном поле. ; .

.

Работа равна произведению силы постоянного тока на величину магнитного потока, через поверхность, которую проводник заметает при своем движении.