| Тема 4
| ПОЛУПРОВОДНИКИ
|
| ПОЛУПРОВОДНИКИ
| ➨ вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличия примесей, изменения освещенности;
|
| ● отличие
полупроводников
от металлов
и диэлектриков
| ➨ по значению своего удельного сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками.
Характерной особенностью является уменьшение удельного сопротивления полупроводников при увеличении температуры.
|
| ● виды
полупроводников
| ➨ наибольшее применение получили германий Ge и кремний Si.
Различают полупроводники:
▪ собственные (химически чистые)- т.е.
беспримесные;
▪ примесные - донорные и акцепторные
|
| Собственная
проводимость
полупроводников
(п/пр)
(проводимость
электронно-дырочная)
монокристалл германия
| ➨ германий – 4-х валентный элемент, обладающий атомной пространственной решеткой с ковалентным типом связи между атомами. Каждый атом германия посредством своих четырех валентных электронов образует с каждым из четырех соседних атомов германия парноэлектронные связи.
При температурах, близких к абсолютному нулю, связи между всеми атомами в кристалле заполнены – при таких температурах собственные п/пр являются диэлектриками, т.е. не проводят электрический ток.
При нагревании или облучении кинетическая энергия валентных электронов повышается и некоторые парноэлектронные связи разрушаются, в п/пр появляются свободные электроны и образуются вакантные места –дырки (что равносильно появлению в п/пр (+) зарядов, равных заряду электрона).
У собственных п/пр число появившихся электронов и дырок одинаково и они движутся хаотически в отсутствие внешнего электрического поля.
Под действием внешнего электрического поля электроны движутся упорядоченно против направления внешнего поля, а дырки - по направлению поля.
При повышении температуры увеличивается число разорванных связей, что приводит к увеличению удельной электропроводности (т.е. к уменьшению сопротивления) п/пр.
|
| Примесная
проводимость
полупроводников (п/пр)
❶ n-тип
| ➨ примесные п/пр получают в результате внедрения в собственный п/пр атомов примеси с валентностью большей или меньшей, чем у атомов собственного п/пр.
Внедрим 5-валентный мышьяк в 4-х валентный кристалл германия Ge.
Один валентный электрон мышьяка остается свободным, т.е. в донорном п/пр появляются свободные электроны, которые начинают упорядоченно двигаться под воздействием внешнего электрического поля, образуя электрический ток.
· Электропроводность донорных п/пр – электронная.
· Донорные полупроводники – полупроводники n-типа.
· Основные носители тока - электроны.
|
| ❷ р-тип
| ➨ внедрим 3-х валентный индий In в кристалл германия Ge.
У каждого атома индия не хватает одного электрона для образования парноэлектронной связи с 4-х валентным германием. Незаполненная связь является вакантным местом – дыркой (т.е. равноценна появлению в кристалле положительного заряда).
Под действием внешнего электрического поля дырки движутся упорядоченно по направлению поля, образуя электрический ток.
· Электропроводность акцепторных п/пр – дырочная.
· Акцепторные полупроводники – полупроводники р-типа.
· Основные носители тока - дырки.
|
| Свойства
p-n- перехода
рис.1
| ➨ электронно-дырочный переход (p-n-переход) –область монокристаллического полупроводника, в котором происходит смена проводимости с электронной (n) на дырочную (p) (или наоборот.)
Через границу раздела областей кристалла с разным типом проводимости происходит диффузия электронов.
Электроны из n-полупроводника будут диффундировать в дырочный p –полупроводник. В результате из объема n-полупроводника уйдут электроны и вблизи границы в нем образуется избыточный положительный заряд.
Диффузия дырок изp –полупроводника (по аналогичным причинам) приведет к возникновению вблизи границы вp –полупроводнике избыточного отрицательного заряда.
В результате на границе p-n-перехода образуется запирающий слой толщины , который препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок (рис.1).
Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с остальными объемами полупроводников, на величину которого влияет внешнее электрическое поле.
|
|
рис.2
| ➨ подключим n-полупроводник к (-) полюсу источника, а p –полупроводник к (+) полюсу.
Электроны в n-полупроводнике и дырки в p –полупроводнике будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников. Электроны переходят границу и «заполняют» дырки (рис.2).
При таком прямом (пропускном) направлениитолщина и
сопротивление запирающего слоя уменьшаются и через границу двух полупроводников проходит электрический ток.
|
|
рис.3
| ➨ подключим n-полупроводник к (+) полюсу источника, а p –полупроводник к (-) полюсу.
Электроны в n-полупроводнике и дырки в p –полупроводнике будут двигаться в противоположные стороны (рис.3).
Это приводит к утолщению запирающего слоя и увеличению его сопротивления. Через границу двух полупроводников электрический ток не проходит.
|
| ● полупроводниковый
диод
Обозначение на схеме
| ➨ электрический прибор, изготовленный на основе кристалла полупроводника с одним р-n-переходом, обладающем односторонней электрической проводимостью.
Диод имеет два электрода:
· анод А соединен с областьюр-проводимости;
· катод К –с областью n-проводимости.
Диод применяют для выпрямления переменного тока.
|
| · транзистор
| ➨ полупроводниковое устройство, используемое для усиления и генерации электрических колебаний; выполнен из монокристалла германия или кремния, в котором за счет внедрения примесей создан электронно-дырочный переход;
➨ транзистор представляет собой или -структуру, или соединение противоположно включенных диодов.
Транзисторы и -типа равноценны по своим параметрам, но транзисторы -типа применяются чаще, потому, что они проще в изготовлении.
Дырки в -транзисторе, создающие эмиттерный ток, из области эмиттера попадают в очень узкую (10-50 мкм) -область базы, откуда большая их часть (95-99%) проходит в -область к коллектору, образуя коллекторный ток . Остальные дырки образуют ток базы , текущий через базу Б.
Для суммы всех токов справедливо равенство:
+ + =0
Ток, направленный к транзистору, считается положительным, от транзистора – отрицательным; направление тока определяется направлением движения положительных зарядов.
|
|
|
|
|
Раздел 4 ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
ЛЕКЦИЯ 6
| |
Тема 5
| МАГНЕТИЗМ -раздел физики, изучающий магнитные свойства веществ, взаимодействия между магнитами, электрическим током и магнитами, электрическими токами, а так же взаимодействие между движущимися зарядами
| |
МАГНИТЫ
| ➨ магниты бывают естественные и искусственные;
| |
● естественный
магнит
| ➨ кусок железной руды, обладающий способностью притягивать к себе находящиеся вблизи небольшие железные предметы.
Опытным путем установлено, что Земля – гигантский естественный магнит;
| |
● искусственные
магниты
| ➨ железные предметы, получившие магнитные свойства в результате контакта с естественным магнитом или намагниченные в магнитном поле;
| |
● магнитные полюсы
| ➨ различные части постоянного магнита, притягивающие железные предметы по-разному.
Концы магнита, где притяжение максимальное, назвали полюсами, а среднюю часть, где притяжение практически отсутствует – нейтральной зоной.
Опыт показывает, что разделить северный и южный магнитные полюсы невозможно.
Конец стрелки, указывающий географический север Земли, назвали северным полюсом (N), противоположный полюс, указывающий на юг – южным полюсом (S).
| |
Магнитное
взаимодействие
| ➨ разноименные полюсы (N и S) притягиваются, одноименные (N и N, S и S) - отталкиваются.
У Земли -
на географическом севере расположен южный магнитный полюс;
на географическом юге – северный магнитный полюс.
|
| |
● взаимодействие
постоянных
магнитов
| |
Опыт Эрстеда
(1820г.)
| ➨ магнитную стрелку и проводник расположили вдоль меридиана в направлении «север - юг».
При пропускании по проводнику тока магнитная стрелка отклонялась, причем направление отклонения зависело от направления тока в проводнике.
Магнитная стрелка отклонялась под действием магнитного поля, которое существовало вокруг проводника с током.
| |
● взаимодействие
проводников с током
опыт Ампера (1820г.)
| ➨ если по двум проводникам, расположенным параллельно друг другу, пропускать ток в одном направлении, то между ними возникают силы притяжения;
при пропускании тока в противоположных направлениях между проводниками возникают силы отталкивания.
Явление взаимодействия электрических токов Ампер назвал электродинамическим взаимодействием.
| |
МАГНИТНОЕ
ПОЛЕ
| ➨ особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрическими зарядами.
Магнитное поле является составной частью электромагнитного поля.
| |
● свойства
магнитного
поля
| ➨ u магнитное поле порождается электрическим током или движущимися зарядами;
vмагнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток или движущиеся заряды;
wмагнитное поле материально, т.е. оно существует независимо от нас и нашего сознания.
| |
● однородное
магнитное
поле
| ➨ поле, в каждой точке которого вектор магнитной индукции имеет одинаковые модуль и направление.
| |
Действие магнитного поля на рамку с током
| ➨ плоская рамка площадью S и силой тока I,помещенная в однородное магнитное поле, поворачивается на некоторый угол, следовательно на рамку действует вращательный момент
Максимальный вращающий момент сил , действующих на контур с током, не зависит от формы этого контура, но пропорционален площади контура S и силе тока Iв нем.
| |
Магнитная индукция
[Тл]
| ➨ поэтому, отношение максимального вращательного момента к силе тока Iи площади контураS не зависит от параметров контура, характеризует магнитное поле в данной точке пространства и может быть принято за модуль магнитной индукции.
Силовая характеристика
магнитного поля
| |
● единица магнитной
индукции – тесла
| ➨ за единицу магнитной индукции принята индукция такого однородного магнитного поля, в котором на рамку площадью 1 м2 с током 1 А действует вращающий момент, равный 1 Н·м
| |
Силовые линии
магнитного поля
| ➨ наглядно изображают магнитное поле;
|
| |
· свойства
силовых линий
| ➨ uвсегда замкнуты;
vнигде не начинаются;
wнигде не заканчиваются;
| |
· направление
силовых линий
| ➨ за направление силовых линий принято направление, на которое указывает северный полюс магнитной стрелки, т.е. силовые линии направлены от северного полюса (N) постоянного магнита к южному полюсу (S).
| |
● линии магнитной
индукции
| ➨ в каждой точке поля касательная к силовой линии совпадает с направление вектора магнитной индукции .
| |
Магнитное поле
прямолинейного
тока
| ➨ линии представляют собой концентрические окружности с центром на проводнике с током, а направление магнитной индукции зависит от направления тока, создающего магнитное поле.
➨определяется правилом буравчика (правого винта).
|
| |
● правило буравчика
| ➨ если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения рукоятки буравчика укажет направление силовых линий магнитного поля.
| |
| ➨ часто на рисунках изображается сечение проводника с током в виде кружка:
➨ если в центре кружка стоит точка, то это означает, что ток направлен к нам (мы как бы видим острие летящей на нас стрелы);
➨ если в центре кружка стоит крестик – это означает, что ток направлен от нас (стрела как бы летит от нас).
| |
● правило
правой руки
| ➨ позволяет определить направление силовых линий магнитного поля, порожденного проводником с током:
➨ если проводник с током взять в правую руку так, что большой палец руки будет указывать направление тока, то остальные пальцы руки, окружающие проводник, будут показывать направление силовых линий магнитного поля;
| |
Магнитное поле
кругового тока
| ➨ линии магнитной индукции кругового тока являются замкнутыми кривыми, а направление магнитной индукции зависит от направления тока в витке;
➨ если вращать рукоятку буравчика по направлению кругового тока, то направление ввинчивания буравчика покажет направление вектора магнитной индукции поля, созданного током;
| |
Магнитное поле
рамки с током
| ➨ рамка с током – это проводник, согнутый в виде прямоугольника или окружности, по которому течет постоянный ток; она создает магнитное поле, аналогичное магнитному полю постоянного полосового магнита и представляет собой простейший электромагнит; применив правило правой руки можно определить северный и южный полюсы магнитного поля рамки с током:
➨ если пальцы правой руки сжаты в направлении, соответствующем направлению тока в рамке, то большой палец укажет направление от южного полюса к северному;
| |
Магнитное поле
соленоида
| ➨ соленоид – свернутый в спираль проводник, по которому течет электрический ток; магнитное поле соленоида подобно магнитному полю полосового магнита; конструктивно соленоид представляет собой круговые рамки с током, соединенные последовательно.
➨ определить северный и южный полюсы магнитного поля соленоида можно, применив правило правой руки для рамки с током.
| |
Магнитная
проницаемость среды
| ➨ значение магнитной индукции зависит от среды, в которой существует магнитное поле.
| |
➨ величина, равная отношению магнитной индукции поля в данной среде к магнитной индукции этого же поля в вакууме ; характеризует магнитные свойства данной среды.
| |
ИНДУКЦИЯ
магнитного поля
| ➨ магнитная индукцию поля, созданного постоянным током , текущим по бесконечному длинному прямолинейному проводнику в точках, отстоящих от проводника на расстоянии , определяется по формулам:
| |
в вакууме
| в среде
| |
● прямолинейного
тока
| ➨
| ➨
| |
● в центре
кругового тока
| ➨
| ➨
| |
● соленоида
с током
| ➨
| ➨
| |
Магнитная постоянная
| ➨
| |
ЛЕКЦИЯ 7
| |
СИЛА АМПЕРА
| ➨ сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле.
| |
➨ равна произведению вектора магнитной индукции на силу тока , длину участка проводника и на синус угла между магнитной индукцией и участком проводника;
| |
● направление силы
Ампера
(правило левой руки)
| ➨ если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входили линии магнитной индукции, а четыре вытянутых пальца расположить по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец покажет направление силы Ампера, действующей на ток.
|
| |
● сила взаимодействия
параллельных токов
| ➨ сила магнитного взаимодействия токов и текущих по участкам одинаковой длины бесконечно длинных параллельных проводников, находящихся в вакууме на расстоянии друг от друга
|
r
| |
Действие магнитного поля на движущиеся электрические заряды
| |
➨ движущаяся с ускорением заряженная частица создает свое собственное магнитное поле. Если ее поместить во внешнее магнитное поле, то взаимодействие полей проявится в возникновении силы, действующей на частицу со стороны внешнего поля – силы Лоренца.
| |
СИЛА ЛОРЕНЦА
| ➨ сила, с которой магнитное поле действует на одну движущуюся заряженную частицу:
| |
➨ равна произведению заряда на вектор магнитной индукции , скорость движения частицы и синус угла между направлением скорости заряда и индукцией магнитного поля.
| |
● направление силы
Лоренца
(правило левой руки)
| ➨ если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор , а четыре вытянутых пальца направить вдоль вектора , то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на положительный заряд.
|
| |
На отрицательный заряд, движущийся в том же направлении в магнитном поле, сила действует в противоположном направлении.
| |
Движение заряженных частиц в магнитном поле
| |
| ❶ частица движется вдоль силовых линий магнитного поля: ;
| |
| v частица движется по окружности радиусом R:
1) - центростремительное ускорение частицы.
2) - радиус окружности
3) ; - период вращения частицы
| |
| w частица движется по винтовой линии радиусом R и шагом винта h:
1) - шаг винта;
2) - радиус окружности;
3) - период вращения;
| |
Электродвигатель
| ➨ машина, преобразующая электрическую энергию в механическую.
В основе лежит закон Ампера - при движении проводника или рамки с током в магнитном поле происходит превращение электрической энергии в механическую.
Различают двигатели постоянного и переменного тока.
В сравнении с тепловыми двигателями электродвигатели имеют меньшие размеры и вес при одинаковой мощности. КПД электродвигателя - 96-98%.
В 1834 г. русским ученым Б.С. Якоби был изобретен один из первых в мире электродвигателей.
| |
● устройство
электродвигателя
| ➨ якорь – система рамок, уложенных в прорезях стального цилиндра. Большое число рамок, плоскости которых расположены под одинаковыми углами друг к другу, создают равномерное вращение якоря и постоянную силу тяги на валу двигателя.
Концы проводников якоря соединены с изолированными друг от друга пластинками коллектора.
Магнитное поле, в котором вращается якорь, создается электромагнитом. И якорь, и электромагнит соединены с одним и тем же источником тока.
| |
Магнитный поток
(поток магнитной индукции)
[Вб]
| ➨ магнитным потоком Ф через какую-либо поверхность S называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции В на площадь S и косинус угла между векторами и ;
|
| |
➨ поток магнитной индукции характеризует распределение магнитного поля по поверхности, ограниченной замкнутым контуром;
| |
● единица магнитного
потока
1 Вебер
| ➨ за единицу магнитного потока – вебер принят магнитный поток, создаваемый однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м2, расположенную перпендикулярно линиям индукции магнитного поля.
| |
| | | | | | | | | | | |