3.2.2. Электродвижущая сила. Закон Ома для неоднородного участка и полной (замкнутой) цепи. Последовательное и параллельное соединение одинаковых источников тока

Сторонние силы – любые силы неэлектростатического (некулоновского) происхождения, действующие на заряженные частицы.

Особенности сторонних сил: 1) работа при перенесении заряда по любому замкнутому контуру отлична от нуля; 2) работа при перенесении заряда зависит от формы траектории; 3) действие внутри источника тока против кулоновских сил.

Электродвижущая сила (ЭДС) – скалярная физическая величина, равная отношению работы сторонних сил А_ст по переносу заряда q, к величине перенесенного заряда:

Единица электродвижущей силы (ЭДС): 1В.

Неоднородный участок цепи – участок, на котором действуют сторонние силы.

Закон Ома для неоднородного участка цепи: где ЭДС источника, U – напряжение на концах участка, R – сопротивление участка (если источник ЭДС имеет внутреннее сопротивление, то его надо прибавить к сопротивлению R). Величины и U нужно брать с учетом знака.

Закон Ома для полной (замкнутой) цепи: где ЭДС источника тока, R – внешнее сопротивление цепи, r – внутреннее сопротивление источника ЭДС.

Закон Ома для полной (замкнутой) цепи в случае последовательного соединения n одинаковых источников тока: где и r – ЭДС и внутреннее сопротивление одного источника, R – сопротивление внешней части цепи.

Закон Ома для полной (замкнутой) цепи в случае параллельного соединения n одинаковых источников тока: где и r – ЭДС и внутреннее сопротивление одного источника, R – сопротивление внешней части цепи.

3.2.3. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля – Ленца. Коэффициент полезного действия источника тока

Формулы для расчета работы электрического тока: , где U – напряжение на концах проводника, q – заряд, перенесенный через поперечное сечение проводника за время t, I – сила тока в проводнике, R – сопротивление проводника.

Формулы для расчета мощности электрического тока: , где U – напряжение на концах проводника, I – сила тока в проводнике, R – сопротивление проводника.

Закон Джоуля–Ленца: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени протекания тока по проводнику (в случае, если на участке цепи не совершается механическая работа и ток не производит химических действий).

Формула, выражающая закон Джоуля – Ленца: .

Коэффициент полезного действия источника тока можно рассчитать по любой из двух формул: , где и U – ЭДС источника и напряжение на его полюсах соответственно, R – сопротивление внешней части цепи, r – внутреннее сопротивление источника тока.

3.2.4. Электронная проводимость металлов. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Электронно-дырочный переход и его свойства. Полупроводниковый диод. Транзистор

Проводимость металлов обусловлена наличием в них большого числа свободных электронов. Концентрация свободных электронов в металлах достигает значений порядка 10²⁸м^-3.

В отсутствие электрического поля в металле свободные электроны совершают беспорядочное тепловое движение (модель электронного газа).

Под действием электрического поля, созданного в металле, свободные электроны перемещаются упорядоченно (дрейфуют) со средней скоростью 10^-4 м/с.

С ростом температуры сопротивление металлов линейно возрастает.

Полупроводники – вещества, удельное сопротивление которых изменяется в широком интервале от 10^-5 до 10⁸ Ом·м и резко уменьшается с ростом температуры. Типичными представителями полупроводниковых материалов являются германий и кремний.

Ковалентная (парно-электронная) связь – связь между двумя соседними атомами, образованная парой валентных электронов, отщепившихся от атомов (по одному электрону от каждого атома).

Способы создания электрической проводимости полупроводников: 1) нагрев; 2) действие рентгеновского, радиоактивного или светового излучения.

Электронная проводимость – проводимость полупроводников, обусловленная наличием у них свободных электронов.

Дырка – вакантное место в ковалентной связи с недостающим электроном.

Дырочная проводимость – проводимость полупроводника, обусловленная наличием в них дырок.

Собственная проводимость полупроводника – проводимость чистого полупроводника (электронно-дырочная проводимость).

Примесная проводимость – проводимость полупроводника, созданная при введении в него примеси.

Донорная (отдающая) примесь – примесь, создающая в полупроводнике избыточную электронную проводимость (пятивалентный мышьяк в четырехвалентном германии или кремнии).

Акцепторная (принимающая) примесь – примесь, создающая в полупроводнике избыточную дырочную проводимость (трехвалентный индий в четырехвалентном германии или кремнии).

Полупроводник n-типа – полупроводник с избыточной электронной проводимостью.

Полупроводник p-типа – полупроводник с избыточной дырочной проводимостью.

p-n-переход – контакт двух полупроводников p- и n-типа.

Свойства прямого p-n-перехода: 1) большая электрическая проводимость; 2) нелинейная вольт-амперная характеристика.

Свойства обратного p-n-перехода: незначительная проводимость, связанная с наличием в p- и n-полупроводнике неосновных носителей заряда (дырок в полупроводнике n-типа и электронов в полупроводнике p-типа).

Обратный ток – ток, текущий через обратный p-n – переход.

Полупроводниковый диод – прибор, в котором используется односторонняя проводимость p-n – перехода. Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях переменного тока.

Транзистор – полупроводниковый прибор с двумя p-n – переходами, прямые направления которых противоположны.

Названия трех выводов транзистора: 1) эмиттер; 2) база; 3) коллектор.

Два вида структуры транзисторов: 1) p-n-p; 2) n-p-n.

Преимущества транзистора по сравнению с вакуумными приборами: 1) отсутствие цепей накала, потребляющих значительные мощности; 2) компактность и миниатюрность; 3) работа при более низких напряжениях.