Действие электрического тока на биологический организм

Тело человека, как и любой живой организм, является хорошим проводником электрического тока. Однако по проводимости организм очень неоднороден, в нем сложным образом чередуются хорошо проводящие участки (нервные ткани; биологические жидкости, содержащие значительное число ионов) и участки с низкой проводимостью (кожа, костная и связочная ткани, оболочки клеток).

Проводимость отдельных участков тканей или областей организма, находящихся между электродами, наложенными на поверхность тела, зависит главным образом от сопротивления слоя кожи и подкожно-жировой клетчатки. Пройдя через этот слой, ток разветвляется и идет через более глубоко лежащие ткани множеством параллельных ветвей по путям наименьшего сопротивления. Эти пути лежат вдоль кровеносных и лимфатических сосудов, оболочек нервных стволов и т.п. Пути тока в живом организме могут быть очень сложными.

Электропроводимость кожи, через которую ток проходит в основном по каналам потовых и отчасти сальных желез, зависит от толщины и состояния ее поверхностного слоя. Тонкая и особенно влажная кожа, а также кожа с поврежденным наружным слоем эпидермиса хорошо проводит ток. Наоборот, сухая огрубевшая кожа – плохой проводник.

В структуре тканей имеются системы, состоящие из двух хорошо проводящих ток сред (тканевая жидкость), разделенных плохим проводником или диэлектриком. Так в основном структурном элементе тканей – клетке у наружного слоя протоплазмы (клеточной мембраны или оболочки) – низкая проводимость, а у остальной части протоплазмы и омывающей клетку тканевой жидкости достаточно высокая проводимость. Такие системы в электрическом отношении подобны конденсаторам. При прохождении по тканям электрического тока имеют место поляризационные явления, например, происходит скопление зарядов (ионов) у полупроницаемых перегородок. Это придает тканям емкостные свойства.

Таким образом, эквивалентная схема тканей организма состоит из сопротивлений и конденсаторов, включенных последовательно или параллельно.

Электрический ток, проходя через организм человека, раздражает и возбуждает живые ткани. Степень возникающих изменений зависит от величины тока, его частоты. Постоянный ток вызывает непроизвольное сокращение мышц, параличи, расстройство дыхания, кровообращения. Особенно опасно, если ток проходит через жизненно важные органы – сердце, мозг. Если ток протекает между руками через сердце, то при силе тока »0,025А наступает расстройство дыхания (сокращение мышц грудной клетки), при I»0,08А – аритмия сердца, при I»0,1-0,4А – фибрилляция желудочков сердца, а при I»0,4-1,0А – обратимая остановка сердца. Сильные токи приводят к тяжелым ожогам.

Раздражающее действие слабых токов используют при физиологических исследованиях, а также для лечебных целей – восстановления проводимости нервов, сократительной способности мышц (электростимуляция), восстановления костной ткани при переломах. Сильные электрические импульсы применяются для раздражения сердца после его остановки.

Быстропеременные токи легко переносятся организмом. Токи с частотой >10⁴ Гц не вызывают сокращения мышц, они приводят к разогреву тканей и влияют на обмен веществ в клетках.

Первичное действие тока связано с изменением концентрации ионов в клетках и поляризационным процессам, что приводит к нарушению нормального для клетки распределения зарядов, и, следовательно, ее функций. В случае переменного тока ионы совершают возвратно-поступательное движение, и раздражающее действие тока падает. При больших частотах смещения ионов становятся исчезающее малыми.

Глава 6

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

§ 33. Индукция магнитного поля

В 1820 г. французский физик А.Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение при пропускании через них электрического тока в одном направлении и отталкиваются, если токи текут в противоположных направлениях (рис. 50). Эти взаимодействия происходят через посредство магнитного поля. Магнитное поле представляет собой вид материи, посредством которого осуществляется взаимодействие движущихся электрических зарядов. Опыты показали, что магнитное поле сопутствует любому переносу зарядов в рассматриваемой системе координат: току в проводах, жидкостях и газах, движению электронов или ионов в вакууме, перемещению заряженного тела. Вокруг покоящихся в данной системе координат зарядов магнитное поле не обнаруживается.

Обнаружить магнитное поле можно по его силовому действию на токи, движущиеся заряженные частицы, намагниченные тела (магнитную стрелку). Для изучения магнитного поля можно взять малый замкнутый пробный контур с током и помещать его в исследуемые точки поля. Магнитное поле ориентирует такой свободный контур (как и магнитную стрелку) определенным образом. Опыт показывает, что максимальное значение момента сил М_max, поворачивающего пробный контур, пропорционально площади S контура и силе тока I в нем:

.

Величина

является модулем так называемого магнитного момента контура с током. Сам же магнитный момент представляет собой вектор:

,

где – единичный вектор нормали к плоскости контура, связанный с направлением тока I в контуре (рис. 51) правилом правого винта.

Отношение

в данной точке поля остается постоянным и является характеристикой поля, называемой магнитной индукцией. Как показано на рисунке 52, магнитная индукция – вектор, направление которого совпадает с направлением нормали к плоскости пробного контура с током в положении его устойчивого равновесия (или с направлением северного полюса N магнитной стрелки). Вектор магнитной индукции – основная силовая характеристика магнитного поля (аналогичная вектору напряженности для электрического поля). Единицей магнитной индукции является тесла (Тл) в честь выдающегося югославского физика Н.Тесла:

.

Для магнитных полей справедлив принцип суперпозиции: магнитная индукция поля, создаваемого несколькими токами, равна векторной сумме индукций полей каждого из токов в отдельности.

Магнитное поле изображают при помощи линий магнитной индукции, которые строятся по тем же правилам, что и линии электрического поля. Линии магнитной индукции всегда замкнуты, они не имеют начала и конца. Такие поля называются вихревыми. Характер линий индукции магнитного поля прямого тока показан на рисунке 53, а, одиночного витка с током – на рисунке 53, б, постоянного магнита – на рисунке 53, в.

Два полюса магнита – северный N и южный S – всегда сосуществуют вместе. Сколь угодно мелкое дробление магнита не приводит к разделению его полюсов; они существуют только парами. Соленоиду или витку с током, как и постоянному магниту, можно приписать магнитные полюсы и представить их как магнитный диполь, характеризуемый вектором магнитного момента . Любой магнитный диполь является носителем собственного магнитного поля.

§ 34. Действие магнитного поля на ток. Закон Ампера.

Сила Лоренца

Ампер на основе опытов (1820 г.) установил, что на отрезок проводника длиной l с током I со стороны однородного магнитного поля, индукция которого , действует так называемая сила Ампера. Ее модуль:

,

где α – угол между направлением тока в проводнике и вектором индукции . Данная формула выражает закон Ампера. Направление силы Ампера можно найти по правилу левой руки: если расположить левую руку так, чтобы четыре пальца были направлены по току, а нормальная к проводнику составляющая вектора входила в ладонь, то отогнутый большой палец укажет направление силы F_a (рис. 54). Сила Ампера перпендикулярна плоскости, в которой расположены вектор и ток I, поэтому она всегда перпендикулярна и проводнику с током.

Для проводника сложной формы можно определить силы, действующие на отдельные элементы тока, а потом векторно их просуммировать и найти результирующую силу.

Силы Ампера не являются центральными, у них нет силового центра, как у гравитационных или кулоновских сил.

Действие сил Ампера на проводник с током означает, что на каждую из заряженных частиц, участвующих в переносе заряда, также действует некоторая сила со стороны магнитного поля.

Пусть в проводнике длиной l упорядоченно движутся электрические заряды со средней скоростью υ. Тогда за время

через поперечное сечение проводника пройдет суммарный электрический заряд

.

На этот проводник действует сила Ампера

.

Но

,

следовательно, если мы в выражении для силы Ампера произведем замену, то получим выражение для силы, действующей на суммарный движущийся заряд:

.

Разделив обе части равенства на число движущихся зарядов, определим силу, действующую на заряд:

,

где α – угол между векторами и . Это так называемая сила Лоренца.

Сила Лоренца направлена перпендикулярно плоскости, в которой расположены векторы и . Направление данной силы можно определить по правилу левой руки (при q>0 четыре пальца располагаются вдоль вектора , при q<0 – в противоположном направлении). Направления сил Лоренца, которые действуют на положительный и отрицательный заряды, показаны на рисунке 55. Сила Лоренца действует только на движущийся относительно магнитного поля заряд (в рассматриваемой системе координат).

Характерная особенность силы Лоренца состоит в том, что она, будучи всегда перпендикулярной к вектору скорости, не совершает работы и не изменяет кинетической энергии свободной частицы. При движении заряженной частицы в магнитном поле может изменяться только направление скорости, но не ее модуль.

§ 35. Движение заряженных частиц в магнитном поле

При движении заряженной частицы вдоль линий индукции ( // ) сила Лоренца равна нулю.

Если частица, имеющая массу m и заряд q, движется поперек линий индукции ( ^ ) со скоростью , то сила Лоренца, перпендикулярная скорости, сообщает ей центростремительное ускорение. Частица описывает окружность в плоскости, перпендикулярной линиям индукции (рис. 56). Частицы с зарядами разного знака «закручиваются» полем в противоположных направлениях. Из записанного для этого случая уравнения второго закона Ньютона

можно найти радиус траектории:

.

Отсюда видно, что радиус обратно пропорционален удельному заряду частицы q/m. Период обращения частицы

не зависит от ее скорости, а определяется лишь удельным зарядом q/m и индукцией магнитного поля В.

Если частица влетает в магнитное поле под углом α к линиям индукции, то ее движение происходит по винтовой линии, ось которой совпадает с направлением вектора индукции (рис. 57). Составляющая _^ скорости обеспечивает движение частицы по окружности в плоскости, перпендикулярной линиям индукции, а составляющая _// – ее движение вдоль линий индукции поля.

Радиус винтовой линии:

.

За время Т одного оборота частица смещается на расстояние l (шаг винтовой линии):

.

Магнитные поля, наряду с электрическими, позволяют управлять движением заряженных частиц в электронных микроскопах, телевизорах, ускорителях и т.д.

Магнитное поле для заряженных частиц может явиться своеобразной «магнитной ловушкой»: попав в такое поле, частица не может покинуть его – она как бы «навивается» на линии индукции. За счет этого эффекта с помощью сильных магнитных полей удается удержать от рассеивания и сконцентрировать сильноионизированный высокотемпературный газ (плазму). Своеобразной защитой для всего живого на Земле от потоков заряженных частиц из космоса является магнитное поле Земли·. Упрощенная картина силовых линий магнитного поля Земли показана на рисунке 58. Отметим, что магнитные полюсы не только не совпадают с соответствующими географическими полюсами, но, более того, северный полюс земного магнита находится в Южном, а южный полюс – в Северном полушарии. Быстрые заряженные частицы, электроны и протоны, выбрасываемые Солнцем, образуют так называемый «солнечный ветер». В магнитном поле Земли траектории движения частиц изменяются, и они огибают Землю. На расстояниях примерно от 500 до 60000 км заряженные частицы движутся, навиваясь на линии индукции магнитного поля Земли (рис. 58), совершая колебания от одного полюса к другому за 0,1 – 1 с. Эта область космоса называется радиационным поясом Земли.

Лишь в полярных областях небольшая часть этих частиц вторгается в верхние слои атмосферы из радиационного пояса Земли и вызывает полярные сияния.

§ 36. Магнитное поле в веществе

Опыт показывает, что все вещества, помещенные в магнитное поле, приобретают магнитные свойства, т.е. намагничиваются, и поэтому в некоторой мере изменяют внешнее (первоначальное) поле. Физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в однородной среде отличается по модулю от индукции магнитного поля в вакууме, называется магнитной проницаемостью:

.

В зависимости от значения μ различают сильномагнитные (μ>>1) и слабомагнитные (μ≈1) вещества. Сильномагнитные – это ферромагнетики, слабомагнитные – парамагнетики и диамагнетики.

Вещества, которые значительно усиливают магнитное поле, называются ферромагнетиками. Кроме железа, к ферромагнетикам относятся никель, кобальт и некоторые сплавы – электротехнические стали, пермаллой, пермендюр, альнико, инвар и др. У данного класса веществ значения магнитной проницаемости достигают нескольких десятков, сотен и даже тысяч единиц. Магнитная проницаемость ферромагнетиков не является постоянной величиной, она зависит от индукции намагничивающего поля . Кроме того, процесс намагничивания ферромагнетиков зависит от предыдущей истории намагничивания вещества. Это явление называется гистерезисом.

На рисунке 59 показана так называемая петля гистерезиса. Вначале индукция магнитного поля в ферромагнетике растет вместе с увеличением индукции намагничивающего поля В₀. Этот рост изображен кривой OS. Дальнейшее возрастание индукции намагничивающего поля (В₀>B_0s) не приводит к увеличению индукции поля в ферромагнетике, индукция сохраняет постоянное значение В_s, называемое намагниченностью насыщения.

При уменьшении индукции намагничивающего поля В₀ индукция поля в ферромагнетике в процессе его размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничивания. Когда исчезает намагничивающее поле, ферромагнетик сохраняет остаточную намагниченность – остаточную индукцию В_r.

Чтобы полностью размагнитить ферромагнетик, надо создать магнитное поле с противоположно направленной индукцией (-В_с). Значение индукции В_с, при которой сердечник размагничивается, называется коэрцитивной силой.

Если далее увеличивать индукцию намагничивающего поля, то процесс намагничивания ферромагнетика повторится до насыщения. Затем можно повторить процесс размагничивания, и мы получим на графике замкнутую петлю гистерезиса.

Форма гистерезисной петли, и значение коэрцитивной силы определяют область применения тех или иных ферромагнетиков. Материалы с малой коэрцитивной силой называются «магнитно-мягкими». Они используются для изготовления сердечников электромагнитов, трансформаторов, машин постоянного и переменного тока. «Магнитно-твердыми» (или «магнитно-жесткими») называются материалы с большим значением коэрцитивной силы, которые трудно размагнитить. Эти материалы используются для изготовления постоянных магнитов.

Парамагнетиками называются вещества, которые слабо намагничиваются в направлении индукции внешнего поля. Магнитная проницаемость даже наиболее сильных парамагнетиков мало отличается от единицы: 1,00036 у платины и 1,0034 у жидкого кислорода.

Диамагнетиками называются вещества, которые слабо намагничиваются в направлении, противоположном индукции намагничивающего поля, т.е. они ослабляют внешнее магнитное поле. Диамагнитными свойствами обладают, например, серебро, свинец, кварц, большинство газов Магнитная проницаемость диамагнетиков отличается от единицы не более чем на десятитысячные доли. Самый сильный из диамагнетиков – висмут – обладает магнитной проницаемостью, равной 0,999824.

§ 37. Магнитный и механический моменты электрона. Спин. Магнитный момент атома

Движение электронов в атоме можно уподобить элементарным замкнутым токам. Исходя из классических представлений, положим, что движение электрона происходит по круговой орбите радиуса r со скоростью υ. Это движение эквивалентно некоторому круговому току I, с которым связан орбитальный магнитный момент p_ml. Направление вектора указано на рисунке 60. Зная частоту вращения электрона на орбите

,

можно найти соответствующую силу тока

и значение орбитального магнитного момента

,

где е – заряд электрона и S – площадь, ограниченная круговой орбитой.

Наряду с орбитальным магнитным моментом электрон обладает также орбитальным моментом импульса – механическим моментом:

,

где m – масса электрона. Направление вектора связано с направлением движения электрона правилом правого винта.

Таким образом, с орбитальным движением электрона связаны два вектора - и , имеющие противоположные направления (т.к. е<0). Отношение магнитного момента частицы к ее механическому моменту называется гиромагнитным отношением и обозначается Г. Для орбитального движения электрона

,

знак минус указывает на то, что векторы моментов имеют противоположные направления.

При намагничивании тела магнитные моменты содержащихся в нем электронов испытывают ориентирующее действие со стороны внешнего магнитного поля. Поскольку при этом одновременно должны ориентироваться связанные с ними механические моменты, то намагничивание образца должно сопровождаться его вращением (момент импульса системы электроны – образец не должен меняться). А.Эйнштейн и А. де Гааз проделали опыт (1915 г.) по намагничиванию железного стерженька, подвешенного на упругой нити и помещенного в магнитное поле катушки с током. Намагничивание стерженька действительно сопровождалось легким его вращением. Направление вращения изменялось при изменении направления магнитного поля. Это явление называют магнитомеханическим. Был обнаружен и обратный эффект (С.Барнетт, 1915 г.): быстрое вращение образца приводило к его намагничиванию.

Из опытов следовало, что частицы – носители магнитных моментов имеют отрицательный заряд; однако значение их гиромагнитного отношения оказалось равным –е/m, т.е. в два раза большим (по модулю) ожидаемого. Это означало, что намагничивание железного стержня нельзя объяснить орбитальным движением электронов. Снять эти затруднения оказалось возможным, если предположить, что электрон обладает также собственным моментом импульса L_s – спином (С.Гаудсмит и Дж.Улембек, 1925 г.) и жестко связанным с ним собственным (спиновым) постоянным магнитным моментом р_ms. Спиновое гиромагнитное отношение равно:

.

Наличие у электронов спиновых моментов первоначально связывали с вращением электрона вокруг своей собственной оси. Однако эта модель оказалась несостоятельной. В настоящее время считают, что спин и спиновый магнитный момент – такие же неотъемлемые свойства электрона, как его заряд или масса. Классической аналогии этих понятий не существует. Наличие у электрона спинового магнитного момента р_ms говорит о том, что он является носителем собственного магнитного поля и ведет себя как магнитный диполь. Спином обладают, кроме электрона, и многие другие частицы (протон, нейтрон, позитрон, нейтрино и др.).

Общий магнитный момент атома (молекулы) является векторной суммой орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов и магнитного момента ядра:

У спаренных электронов магнитный момент равен нулю (скомпенсирован). Завершенные электронные слои в атомах также не обладают магнитным моментом. Ядерные моменты в тысячи раз меньше электронных (из-за большой массы ядер). У атомов ряда элементов и у молекул многих сложных веществ результирующий магнитный момент электронной оболочки оказывается равным нулю.

§ 38. Природа диа-, пара- и ферромагнетизма

У атомов одних веществ магнитные поля электронов полностью скомпенсированы. У этих веществ при отсутствии внешнего магнитного поля атомы (и молекулы) не имеют собственного магнитного поля. Эти вещества являются диамагнетиками. Под действием внешнего магнитного поля орбитальное движение электронов меняется таким образом, что компенсация орбитальных магнитных полей нарушается. При этом вектор индукции орбитального магнитного поля атома оказывается направленным против индукции внешнего поля (правило Ленца). Поэтому диамагнетик выталкивается из внешнего магнитного поля.

Диамагнитный эффект присущ всем веществам, проявиться он может лишь у тех веществ, у которых орбитальные и спиновые магнитные поля атомов скомпенсированы.

У других веществ магнитные поля электронов в атомах скомпенсированы не полностью, и атом в целом оказывается подобным маленькому постоянному магниту. Обычно в веществе все эти маленькие магниты ориентированы произвольно (вследствие теплового движения), и суммарная магнитная индукция всех их полей равна нулю (рис. 61, а). Если же поместить вещество в магнитное поле, то все маленькие магниты-атомы повернутся во внешнем магнитном поле подобно стрелкам компаса. Векторы индукции магнитных полей атомов оказываются преимущественно направленными примерно вдоль направления вектора индукции внешнего поля (полная ориентация возможна только вблизи абсолютного нуля), поэтому магнитное поле в веществе усиливается (рис. 61, б). Этот эффект называется парамагнитным. Вещества, в которых этот эффект проявляется – парамагнетики.

В некоторых кристаллах, например, в кристаллах железа, возникают условия для параллельной ориентации векторов индукции спиновых магнитных полей части электронов и их сложения. В результате этого внутри кристалла ферромагнетика возникают намагниченные области протяженностью 10^-2-10^-4 см. Эти самопроизвольно намагниченные области называются доменами (рис. 62, а). В отдельных доменах магнитные поля имеют различные направления и в большом кристалле взаимно компенсируют друг друга. При внесении ферромагнитного образца во внешнее магнитное поле происходит упорядочение ориентации магнитных полей отдельных доменов. С увеличением магнитной индукции внешнего поля возрастает степень упорядоченности ориентации отдельных доменов – магнитная индукция возрастает. При некотором значении индукции внешнего поля наступает полное упорядочение ориентации доменов (рис. 62, б), возрастание магнитной индукции прекращается. Это явление называется магнитным насыщением.

При вынесении ферромагнитного образца из внешнего магнитного поля значительная часть доменов сохраняет упорядоченную ориентацию – образец становится постоянным магнитом.

Упорядоченность ориентации доменов в ферромагнетике нарушается тепловыми колебаниями атомов в кристалле. Температура, выше которой вещество перестает быть ферромагнетиком, называется температурой Кюри. Температура Кюри у железа 770⁰С, у кобальта 1130⁰С, у никеля 356⁰С.

§ 39. Магнитное поле и живой организм

К настоящему времени накоплено большое количество опытных фактов, свидетельствующих о влиянии магнитных полей (сильных и слабых) на биологические объекты. Это касается, например, способности многих животных и растений ориентироваться в магнитных полях, влияния магнитного поля на свойства крови, интенсивность водного обмена, активность многих ферментов, быстроту прорастания и всхожесть семян, влияния резких изменений напряженности магнитного поля Земли (магнитные бури) на самочувствие людей и поведение животных и т.д. С помощью магнитных полей удается влиять на течение биологических процессов и некоторых химических реакций. Магнитные поля используются в лечебной медицинской практике. Опыты показали, что свойства воды, побывавшей в магнитном поле, сильно меняются.

Живой организм состоит в основном из диамагнитных веществ и лишь в небольшом количестве содержит парамагнитные частицы (свободные радикалы, ферменты, ионы). Предполагают, что универсальность действия магнитного поля на все живое обусловлена его влиянием на свойства воды, содержащейся во всех биологических объектах, в частности его влиянием на степень гидратации ионов.

Глава 7

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

Электрический ток может проходить через различные вещества: металлы, растворы и расплавы электролитов, газы (при определенных условиях), полупроводники.

Для возникновения электрического тока в какой-либо среде необходимо, чтобы в ней имелись заряженные частицы, способные перемещаться под действием электрического поля. Этими частицами могут быть как электроны, так и ионы. Выяснить природу тока – это, значит, установить, какие именно частицы переносят электрический заряд в данной среде.

Основной закономерностью для тока в любом проводнике служит зависимость силы тока от приложенного напряжения. График этой зависимости называется вольт-амперной характеристикой данного проводника.

Рассмотрим природу и закономерности электрического тока в различных средах.

§ 40. Электрический ток в металлах

Электрический ток в металлических проводниках никаких изменений в этих проводниках, кроме их нагревания, не вызывает. Это было подтверждено опытами Э.Рикке (1901 г.). В этих опытах электрический ток пропускали в течение года через три прижатых друг к другу, хорошо отшлифованных цилиндра – медный, алюминиевый и снова медный (рис. 63). После окончания опытов было установлено, что имеются лишь незначительные следы диффузии. Измерения, проведенные с высокой степенью точности, показали, что масса каждого из цилиндров осталась неизменной. Поскольку массы атомов меди и алюминия существенно отличаются друг от друга, то масса цилиндров должна была бы заметно измениться, если бы носителями заряда были ионы.

Следовательно, огромный заряд, который прошел через цилиндры, был перенесен частицами, которые одинаковы и в меди, и в алюминии. Естественно предположить, что это электроны. Предположение об электронной природе электрического тока в металлах подтверждено опытами русских физиков Л.И.Мандельштама и Н.Д.Папалекси и американских физиков Т.Стюарта и Р.Толмена. В этих опытах было обнаружено, что при резкой остановке быстро вращающейся катушки в проводе катушки возникает электрический ток, создаваемый отрицательно заряженными частицами – электронами.

Электроны в металлах находятся в непрерывном движении. Их беспорядочное движение напоминает движение молекул идеального газа. Это дало основание считать, что электроны в металлах образуют своеобразный электронный газ. Но скорость движения электронов в металле значительно больше скорости молекул в газе (~10⁵м/с).

Когда в металле создается электрическое поле, оно действует на электроны с некоторой силой и сообщает им ускорение в направлении, противоположном направлению вектора напряженности поля. Поэтому в электрическом поле беспорядочно движущиеся электроны смещаются в одном направлении, т.е. движутся упорядоченно.

Сталкиваясь с ионами кристаллической решетки, электроны отдают им свою энергию. А увеличение энергии ионов означает повышение температуры проводника. Вот почему при прохождении тока проводники нагреваются. В промежутках между столкновениями с ионами электроны ускоряются электрическим полем и опять приобретают кинетическую энергию благодаря работе, которую совершает электрическое поле.

Скорость упорядоченного переноса электронов в сотни миллионов раз меньше средней скорости теплового движения электронов. Между тем известно, что при замыкании электрической цепи все приборы, на каком бы расстоянии они не находились друг от друга, начинают действовать практически одновременно. Т.о. скорость распространения тока и скорость упорядоченного перемещения носителей тока – это не одно и то же.

Когда говорят об огромной скорости распространения тока в проводниках, то имеют в виду, что с такой скоростью распространяется действие электрического поля на заряды в проводнике. Оно вовлекает в упорядоченное движение почти мгновенно все свободные электроны, находящиеся в различных точках проводника, даже очень удаленных друг от друга. Электрическое поле распространяется со скоростью света. Эту скорость и имеют в виду, когда говорят о скорости распространения тока. В то же время электроны в проводнике, в любой его точке, перемещаются под действием поля с очень малой скоростью, измеряемой долями миллиметра в секунду.

Из закона Ома для участка цепи следует, что при постоянном сопротивлении сила тока прямо пропорциональна напряжению. Следовательно, вольт-амперная характеристика для металлического проводника представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат (рис. 64). Проводник с такими свойствами называется резистором.

Угол наклона графика к оси напряжений зависит от сопротивления проводника. Тангенс угла наклона графика равен величине обратной сопротивлению (в заданном масштабе на осях координат).

Сопротивление металлов связано с тем, что электроны, движущиеся в проводнике, взаимодействуют с ионами кристаллической решетки и теряют при этом часть энергии, которую они приобретают в электрическом поле. Сопротивление металлов зависит от температуры. При увеличении температуры усиливаются беспорядочные колебания ионов в узлах кристаллической решетки, электроны все чаще сталкиваются с узлами решетки, сопротивление увеличивается. В 1911 г. голландский ученый Г.Камерлинг-Оннес обнаружил, что при понижении температуры ртути до 4,1 К ее удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля (рис. 65). В дальнейшем ему удалось это же явление наблюдать и у ряда других металлов при их охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю. Оказалось, что при некоторой характерной для каждого из них температуре сопротивление падало до нуля. Явление полной потери металлом электрического сопротивления при определенной температуре получило название сверхпроводимости.

Прохождение тока в сверхпроводнике происходит без потерь энергии, поэтому однажды возбужденный в сверхпроводящем кольце электрический ток может существовать неограниченно долго без изменения.

Сверхпроводящие материалы используются в электромагнитах. Ведутся исследования, направленные на создание сверхпроводящих линий электропередачи.

Применение явления сверхпроводимости в широкой практике может стать реальностью благодаря открытию в 1987 г. сверхпроводимости керамик – соединений лантана, бария, меди и кислорода. Сверхпроводимость таких керамик сохраняется до температур около 100 К. Теоретически предсказана даже возможность получения сверхпроводящих материалов при комнатной температуре.

Перечислим лишь некоторые возможности технического применения сверхпроводников. Сверхпроводящие кабели способны передавать огромную энергию на большие расстояния совершенно без потерь. Отсутствие потерь энергии при передаче в таких линиях позволит отказаться от строительства ряда новых электростанций. Сверхпроводящие материалы могут служить также «накопителями» энергии: создав ток в сверхпроводящем кольце, можно сколь угодно долго сохранять энергию, расходуя ее по мере необходимости. Сверхпроводящие обмотки электромагнитов дают возможность получить сверхмощные магнитные поля, используя при этом небольшие (сравнительно с обычными) установки.

§ 41. Электрический ток в растворах и расплавах электролитов

При протекании электрического тока через растворы солей, кислот и оснований, т.е. растворы электролитов, вместе с зарядом всегда переносится вещество (это явление – электролиз). Отсюда следует, что носителями тока в этих проводниках являются заряженные атомы, или группы атомов, т.е. ионы.

При растворении в воде солей, кислот и щелочей нейтральные молекулы этих веществ расщепляются на положительные и отрицательные ионы. Это явление называется электролитической диссоциацией. Растворы электролитов всегда содержат некоторое число ионов: катионов (положительных ионов) и анионов (отрицательных ионов). Пока электрическое поле отсутствует, ионы совершают только беспорядочное тепловое движение. Но в электрическом поле ионы, подобно электронам в металлах, начинают дрейфовать в направлении действующей на них силы: катионы – к катоду, анионы – к аноду (рис. 66).

Опыт показывает, что сила тока при постоянном сопротивлении электролитов линейно зависит от напряжения, т.е. для растворов электролитов справедлив закон Ома.

Электронная теория позволяет рассчитать массу веществ, выделяющихся на электродах при электролизе. Она равна произведению массы одного иона m₀ на число ионов N, которые осели на электроде. Масса одного иона

,

где М – молярная масса вещества, N_a – постоянная Авогадро.

С другой стороны, число ионов, осевших на электроде, можно выразить через заряд Q, прошедший через электролит, и заряд одного иона q₀:

.

Следовательно,

,

откуда

.

Заряд любого иона равен заряду одновалентного иона, т.е. заряду электрона е, умноженному на валентность Z иона:

.

Таким образом,

.

Величины N_a и е являются универсальными постоянными, а М и Z постоянны для данного вещества. Поэтому выражение – величина, постоянная для данного вещества.

Из полученной формулы следует, что масса вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна заряду, прошедшему через раствор, или, другими словами, пропорциональна силе тока и времени. Эта зависимость впервые была экспериментально установлена М.Фарадеем в 30-х годах XIX века и носит название закона Фарадея.

Если постоянный множитель в формуле обозначить через k:

,

то закон Фарадея можно записать в виде

.

Коэффициент k называется электрохимическим эквивалентом данного вещества. Он выражается в килограммах на кулон (кг/Кл).

Электролиз получил широкое применение в современном промышленном производстве. С помощью электролиза из солей и оксидов получают многие металлы, например медь, никель, алюминий. Электролитический способ дает возможность получать вещества с малым количеством примесей. Поэтому его применяют для получения многих веществ, когда требуется высокая степень химической чистоты.

Путем электролиза можно наносить тонкие слои металлов, например хрома, никеля, серебра, золота, на поверхности изделий из других металлов. Эти слои могут служить защитой изделия от окисления, повышать его прочность или просто украшать изделие. Электролитический способ покрытия изделия тонким слоем металла называется гальваностегией.

При более длительном пропускании тока через электролит можно получить на изделии такой толстый слой металла, который может быть отделен от него с сохранением формы. Электролитическое получение точных копий различных изделий называется гальванопластикой. С помощью гальванопластики получают копии изделий сложной формы, копии скульптур и других произведений искусства.

Явление электролиза лежит в основе принципа действия кислотных и щелочных аккумуляторов, где используется важное свойство процесса электролиза – его обратимость.

§ 42. Электрический ток в газах

В отличие от растворов электролита газ при нормальных условиях состоит из нейтральных молекул (или атомов) и поэтому является изолятором. Проводником электрического тока газ становится только в том случае, когда хотя бы часть его молекул ионизируется под влиянием внешнего воздействия (ионизатора). При ионизации из молекул газа вырывается обычно один электрон, в результате чего молекула становится положительным ионом. Вырвавшийся электрон либо остается некоторое время свободным, либо сразу же присоединяется к одной из нейтральных молекул газа, превращая ее в отрицательный ион. Таким образом, в ионизированном газе имеются положительные и отрицательные ионы и свободные электроны.

Для того чтобы выбить из молекулы (атома) один электрон, ионизатор должен совершить определенную работу, называемую работой ионизации; для большинства газов она имеет значения, лежащие в пределах от 5 до 25 эВ. Ионизаторами газа могут служить рентгеновские лучи, радиоактивные излучения, космические лучи, нагревание, ультрафиолетовые лучи и некоторые другие факторы.

Наряду с ионизацией в газе идет процесс рекомбинации ионов. В результате устанавливается равновесное состояние, характеризующееся определенной концентрацией ионов, величина которой зависит от мощности ионизатора.

При наличии внешнего электрического поля в ионизированном газе возникает ток, обусловленный движением разноименных ионов во взаимно противоположных направлениях и движением электронов.

При прекращении действия ионизатора концентрация ионов в газе быстро падает до нуля (в связи с рекомбинацией и выносом ионов к электродам источника тока) и ток прекращается. Ток, для существования которого необходим внешний ионизатор, называется несамостоятельным газовым разрядом.

При достаточно сильном электрическом поле в газе начинаются процессы самоионизации, благодаря которым ток может существовать и в отсутствие внешнего ионизатора. Такого рода ток называется самостоятельным газовым разрядом.

Основной механизм ионизации газа при самостоятельном электрическом разряде – ионизация атомов и молекул ударами электронов. Как только в газе появляется свободный электрон, он под действием электрического поля ускоряется, его кинетическая энергия возрастает. Если эта энергия достаточна для совершения работы отрыва электрона от атома, то при соударении электрона с молекулой происходит ионизация последней.

Первичный электрон и вторичный, возникший в результате ударной ионизации, вновь ускоряются под действием электрического поля, и каждый из них при следующих соударениях освобождает еще по одному электрону и т.д. Число свободных электронов нарастает лавинообразно до тех пор, пока они не достигнут анода.

Положительные ионы, возникающие в газе, движутся под действием электрического поля от анода к катоду. При ударах положительных ионов о катод, а также под действием излучения, возникающего при развитии разряда, с катода могут освобождаться новые электроны. Они разгоняются электрическим полем и создают новые электронноионные лавины, и этот процесс может продолжаться непрерывно.

Еще может иметь место термоэлектронная эмиссия – испарение электронов с катода. Катод нагревается под действием ударов положительных ионов. Электроны испаряются при температурах, когда само вещество испаряется еще слабо.

На рисунке 67 представлен экспериментальный график зависимости силы тока I в газе от напряжения U между катодом и анодом источника поля. На участке кривой Оа ток возрастает приблизительно пропорционально напряжению (т.е. по закону Ома). Это объясняется тем, что с увеличением напряжения возрастает скорость упорядоченного движения ионов и электронов, а, следовательно, и сила тока. Очевидно, что возрастание тока прекратится тогда, когда напряжение достигнет величины, при которой все ионы и электроны, создаваемые внешнем ионизатором за 1 с, будут за это же время подходить к электродам. Максимальный ток I_max,, соответствующий этому напряжению U_b, называется током насыщения (участок вс). Величина тока насыщения пропорциональна мощности ионизатора. При достаточно большом напряжении U_с начинается самоионизация газа, а при дальнейшем увеличении напряжения наступает самостоятельный газовый разряд. Т.о., участок кривой Оd соответствует несамостоятельному газовому разряду, а ветвь кривой, лежащей правее точки d, – самостоятельному газовому разряду.

Таковы общие черты газового разряда. Вместе с тем характер (тип) разряда существенно зависит от давления, температуры и химического состава газа, а также от материала, формы, размеров и взаимного расположения электродов.

Искровой разряд наблюдается когда источник тока не способен поддерживать самостоятельный разряд в течение длительного времени (например, искры при расчесывании волос, разрядке конденсатора). Самые большие «искры» – молнии во время грозы. В облаке происходит разделение электрических зарядов. Физических механизмов такого разделения существует более десятка. Рассмотрим один из них – наиболее наглядный. Представим себе крупную водяную каплю, которая начинает падать сквозь облако. При этом она находится в электрическом поле «конденсатора» Земля – ионосфера. Это поле направлено вниз; оно поляризует каплю так, что ее верхняя часть оказывается заряженной отрицательно, а нижняя – положительно. На пути падающей капли встречаются тяжелые, а потому не слишком быстро движущиеся ионы – как положительные, так и отрицательные. Передняя (по движению) часть капли заряжена положительно, поэтому встретившиеся положительные ионы будут отброшены в сторону, тогда как отрицательные ионы, напротив, будут притянуты к капле.

Конечно, оказавшиеся позади падающей капли положительные ионы могут притянуться к ее отрицательной верхней части. Но капля падает быстро, а ионы не очень подвижны, поэтому многие ионы попросту не успевают догнать удаляющуюся от них каплю. В результате в процессе падения капля будет приобретать все больший отрицательный заряд. Поэтому в нижней части облака будет накапливаться отрицательный заряд. В то же время отброшенные в сторону положительные ионы будут снесены к верхушке облака восходящими потоками и увеличат ее положительный заряд.

Отрицательный заряд основания облака наводит положительный заряд на проводящей земной поверхности (рис. 68). Разность потенциалов между основанием облака на высоте 3-4 км и поверхностью Земли достигает 20-100 млн В. Молния переносит из облака 20-30 Кл отрицательного электрического заряда, сила тока в молнии достигает 10-20 кА, длительность импульса тока в канале молнии несколько десятков микросекунд. Самостоятельный электрический разряд между газовым облаком и Землей через некоторое время сам собою прекращается, т.к. большая часть избыточных электрических зарядов в грозовом облаке нейтрализуется электрическим током, протекающим по плазменному каналу молнии.

При нарастании силы тока в канале молнии происходит нагревание плазмы до температуры свыше 10⁴ К. Изменения давления в плазменном канале молнии при нарастании силы тока и прекращении разряда вызывают звуковые явления – гром.

Между отрицательно заряженной Землей и положительно заряженными верхними слоями атмосферы напряжение достигает примерно 40 кВ. В атмосферном воздухе всегда содержится небольшое количество ионов. Электрический ток, создаваемый этими ионами, разряжает Землю, но заряд пополняется с каждым ударом молнии. Если бы грозы прекратились по всей Земле (их ежедневно происходит около 300), то электрический заряд был бы нейтрализован током ионов в атмосферном воздухе примерно за полчаса. Молнии возникают не только в водяных облаках, но и в облаках пыли и газов, образующихся при извержении вулканов.

В сильно неоднородных электрических полях, образующихся, например, между острием и плоскостью или между проводом линии электропередач и поверхностью Земли, возникает особая форма самостоятельного разряда в газах, называемая коронным разрядом. Коронный разряд представляет собой слабое фиолетовое свечение газа, сопровождающееся легким шипением.

С коронным разрядом приходится считаться при передаче электроэнергии на большие расстояния. Наибольшая напряженность поля создается около проводов. Так как электроэнергия передается по сравнительно тонким проводам, то около последних происходит интенсивный коронный разряд. Это ведет к потере части передаваемой энергии. Для снижения потерь на коронный разряд провода делают не одиночными, а каждый из них расщепляют на несколько частей (проводов). Например, для ЛЭП с напряжением 500 кВ каждый провод расщепляют на три части. Эти части располагают так, чтобы сечения проводов вдоль линии находились в вершинах равностороннего треугольника. Расположенные таким образом части представляют собой как бы один пустотелый провод, но значительно большего радиуса кривизны.

Коронный разряд может быть успешно использован в электрофильтрах многих производств, где необходимо очищать газы, выходящие из топок, от твердых и жидких примесей. Электрофильтр помещают внутри заводской трубы. Он состоит из металлического цилиндра, закрепленного на внутренней поверхности трубы (один из электродов), и тонкой проволоки, проходящей вдоль оси цилиндра (второй электрод). К электродам подводят высокое напряжение, которое у проволоки создает коронный разряд. Образовавшиеся при этом ионы, сталкиваясь с частицами дыма, под действием поля устремляются к цилиндру и оседают на нем.

Дуговой разряд возникает при сравнительно небольших напряжениях (около 60 В) между двумя близко расположенными друг от друга электродами (угольными или металлическими). При атмосферном давлении он имеет высокую температуру 5000-6000 К и сопровождается ослепительно ярким свечением. Дуговой разряд обусловлен в основном термоэлектронной эмиссией раскаленного катода. Этот вид разряда используется для сварки металлов (дуговая электросварка), выплавки специальных сталей (дуговая печь), освещения (дуговой фонарь, прожектор) и т.п.

Тлеющий разряд наблюдается в газе при низком давлении (около 13 Па) и большой напряженности электрического поля. Разряд имеет вид спокойно светящегося столба А (рис. 69), заполняющего почти все пространство между электродами газоразрядной трубки (положительный столб); не светящейся остается только небольшая область В около катода (катодное темное пространство). Свечение создают возбужденные молекулы; цвет свечения зависит от природы газа. Так для неона характерно красное свечение; для аргона – сине-зеленое; пары ртути дают дневной свет. Тлеющий разряд используется в рекламных трубках.

Данный вид газового разряда вызван ударной ионизацией, производимой электронами, выбиваемыми из катода положительными ионами. Вблизи катода эти электроны еще только начинают ускоряться полем. Поэтому в области В они практически не производят ни ударной ионизации, ни даже возбуждения молекул газа, чем и объясняется отсутствие свечения в этой области. Достигая положительного столба А, электроны приобретают уже достаточную кинетическую энергию и поэтому ионизируют газ в этом столбе. Образующиеся при ударной ионизации положительные ионы устремляются к катоду и выбивают из него новые электроны, которые в свою очередь опять ионизируют газ в области А, и т.д. Таким образом, непрерывно поддерживается тлеющий разряд.

§ 43. Электрический ток в вакууме

Откачивая газ из сосуда, можно дойти до такой его концентрации, при которой молекулы успевают пролетать от одной стенки сосуда к другой, ни разу не испытав соударений друг с другом. Такое состояние газа – вакуум.

Проводимость межэлектродного промежутка в вакууме можно обеспечить только с помощью введения в трубку источника заряженных частиц. Источником чаще всего является термоэлектронная эмиссия электронов с катода (испарение при высокой температуре). Испаряясь, электроны образуют вокруг горячего электрода электронное облако. Если данный электрод подключить к минусу источника, а холодный – к плюсу, то электроны покидают облако и устремляются к аноду. Цепь при этом замыкается, в ней устанавливается ток.

При противоположном подключении источника тока, электрическое поле отталкивает электроны облака назад к горячему электроду. Цепь оказывается разомкнутой. Такая проводимость называется односторонней.

На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа различных электронных ламп. Простейшей электронной лампой является вакуумный диод. Он представляет собой вакуумированный баллон из стекла или керамики, в котором находятся два электрода – анод и катод. Катод чаще всего покрывают оксидом щелочноземельных металлов. Такой слой при нагревании выделяет больше электронов, чем чистый металл. Условное изображение вакуумного диода в схемах показано на рисунке 70.

При высокой температуре нити накала (обычный режим работы ламп) эмиссия электронов велика и, следовательно, сила тока в цепи значительна. В этом случае сила тока зависит от напряжения так: пока напряжение мало, сила тока растет с увеличением анодного напряжения. Когда же анодное напряжение достигает некоторого значения, вполне определенного для данной температуры нити накала, сила тока перестает расти с увеличением напряжения: наступает явление насыщения тока. Вольт-амперная характеристика вакуумного диода представлена на рисунке 71.

Рассмотрим отдельные участки графика. Почему при малых напряжениях (участок ОА) сила тока имеет значение меньшее, чем при насыщении? Ведь катод при данной температуре ежесекундно испускает одно и то же число электронов, независимо от приложенного напряжения. Почему же при малом напряжении не все они достигают анода? Это объясняется тем, что при большом числе испускаемых катодом электронов вылетевшие ранее электроны отталкивают те, которые следуют за ними. Поэтому часть электронов возвращается назад на катод, и вокруг катода имеется электронное облако.

По мере увеличения анодного напряжения все большее число вылетающих электронов может преодолеть силы отталкивания и достигнуть анода. Сила тока увеличивается, и электронное облако постепенно рассасывается. Начиная с некоторого значения напряжения, дальнейшее его увеличение уже не может вызвать роста силы тока: наступает насыщение. С повышением температуры катода ток насыщения возрастает, т.к. испаряется больше электронов.

Через диод ток может протекать только тогда, когда нить накала является катодом. При перемене полюсов источника тока ток в цепи прекращается. Это свойство диода широко используется в технике для выпрямления переменного тока.

Если в аноде 2 вакуумного диода сделать отверстие, то часть электронов, испущенных катодом 1, пролетит сквозь отверстие и образует в пространстве за анодом поток параллельно летящих электронов – электронный луч 5 (рис. 72).

Электронный прибор, в котором используется такой поток электронов, называется электронно-лучевой трубкой.

Внутренняя поверхность стеклянного баллона электронно-лучевой трубки против анода покрыта тонким слоем кристаллов, способных светиться при попадании в них быстрых электронов. Эту часть трубки называют экраном (6).

С помощью электрических и магнитных полей можно управлять движением электронов на пути от анода до экрана и заставить электронный луч «рисовать» любую картину на экране. Эта способность электронного луча используется для создания изображений на экране электронно-лучевой трубки телевизора, называемой кинескопом. Изменение яркости свечения пятна на экране достигается путем управления интенсивностью пучка электронов с помощью дополнительного электрода, расположенного между катодом и анодом.

В трубке электронно-лучевого осциллографа между анодом и катодом расположены две пары параллельных металлических пластин. Эти пластины называются отклоняющими пластинами. Подача напряжения на вертикально расположенные пластины 4 вызывает смещение электронного луча в горизонтальном направлении, подача напряжения на горизонтальные пластины 3 вызывает вертикальное отклонение луча. Смещение луча на экране трубки пропорционально преложенному напряжению, поэтому электронный осциллограф может использоваться в качестве измерительного прибора.

Для исследования быстропеременных электрических процессов в осциллографе осуществляется развертка – равномерное перемещение электронного луча по горизонтали. Для того чтобы луч перемещался вдоль горизонтальной оси с постоянной скоростью, напряжение на горизонтальных отклоняющих пластинах должно изменяться линейно по времени, а для возвращения луча в исходное положение напряжение должно очень быстро падать до нуля. Такая форма напряжения носит название пилообразной (рис. 73).

§ 44. Электрический ток в полупроводниках

К полупроводникам относят твердые вещества, проводимость которых в сильной степени зависит от температуры и других внешних воздействий – облучения, давления и т.д. Полупроводниками являются многие химические элементы (B, Si, Ge, As, Te, I, Se и др.), большое количество соединений (Cu₂O, PbS и др.) и сплавов. Большинство окружающих нас в природе твердых тел – полупроводники.

Проводимость полупроводников обусловлена перемещением электронов; электрический ток не вызывает в них химических изменений и переноса вещества. В то время как у металлов удельное сопротивление с ростом температуры незначительно увеличивается, у полупроводников оно резко уменьшается по экспоненциальному закону. При высоких температурах полупроводники проводят ток почти так же хорошо, как металлы, а при низких они являются диэлектриками. Это объясняется тем, что концентрация свободных носителей заряда, сравнительно небольшая при обычных условиях, может в полупроводниках резко возрастать при внешних воздействиях.

Различают собственную и примесную проводимости полупроводников. Собственная проводимость характерна для чистых веществ, в которых нет примесей. Валентные электроны в структуре кристалла полупроводника связаны непрочно, поэтому электронные связи между атомами легко могут нарушаться. Если такое нарушение происходит, то электрон связи становится электроном проводимости, а на его месте остается вакансия – дырка. Вакансия может быть заполнена электроном, перетянутым из другой связи (рекомбинация электрона и дырки); в этом случае получается эффект перемещения в новое положение. Такие перемещения могут быть хаотическими (в отсутствие электрического поля) или направленными (при наличии поля). Это позволяет рассматривать дырки как положительные носители заряда (+е). Однако истинными носителями заряда в полупроводниках являются электроны (свободные электроны и электроны связи). При наличии внешнего поля дырки перемещаются в направлении поля, а электроны – против поля. При этом создается электронно-дырочный ток, обусловливающий собственную проводимость полупроводника. Повышение температуры способствует разрыву новых связей и, следовательно, рождению новых носителей заряда, появляющихся попарно (электрон – дырка).

Собственная проводимость обусловлена дырками и электронами и сильно увеличивается с ростом температуры.

Появление чужеродных атомов примеси с иной валентностью, чем у атомов полупроводника, существенно увеличивает его проводимость. Дело в том, что атомы примеси сами становятся «поставщиками» свободных носителей заряда определенного знака. Если атом примеси имеет больше валентных электронов, чем требуется для его закрепления в кристаллической решетке полупроводника, то «лишние» электроны, не занятые в химической связи, становятся электронами проводимости, а сам атом примеси превращается в положительный ион. Если же число валентных электронов у атома примеси меньше, чем требуется для его закрепления в решетке, то недостающий для образования химической связи электрон заимствуется у соседних атомов. В итоге появляется подвижная дырка, а атом примеси становится отрицательным ионом. Примеси, «поставляющие» в качестве свободных носителей электроны, называются донорными, а примеси, вызывающие появление дырок, – акцепторными. Соответственно полупроводники с донорной примесью называются электронными или полупроводниками n -типа (negative – отрицательный), а полупроводники с акцепторной примесью – дырочными или полупроводниками р -типа (positive – положительный).

Наличие примеси в полупроводнике приводит к значительному повышению концентрации носителей определенного знака, называемых основными. Абсолютно чистых веществ нет, любой реальный полупроводник в зависимости от рода примеси является либо электронным, либо дырочным. При низких температурах преобладает примесная проводимость, а при более высоких – собственная.

Наиболее любопытные явления происходят при контакте полупроводников n и р типов. Эти явления используются в большинстве полупроводниковых приборов. Тонкий слой полупроводника, разграничивающий соседние его области с электронной и дырочной проводимостью (они создаютс