Физика. Использование интернет технологий в курсе общей физики. Ч.2. Учебное пособие

затормозятся и отбросятся назад напряжением, которое создается между сеткой и катодом. И даже если анод их и притянул бы, но влияние сетки, которое находится ближе

- она сильнее. Таким образом, небольшим напряжением можем управлять силой тока между катодом и анодом. Решается та задача, которая ставится перед транзисторами -

управлять одним напряжением или одним током при помощи другого напряжения и другого тока.

г) электрический ток в полупроводниках Дырочный ток

Большим своеобразием отличается физическая природа электрического тока в полупроводниках. Чистый полупроводник при низкой температуре подобен изолятору.

При нагревании, облучении светом электроны получают дополнительную энергию,

достаточную для того, чтобы оторваться от атома и получить возможность передвигаться.

В результате в полупроводнике появляются свободные заряды, создающие проводимость.

Если к полупроводнику приложить напряжение, то в нем начнется движение электронов,

возникнет ток. Это будет электронный ток, но на полупроводниках возможен не только электронный ток. Атом потерявший электрон становиться положительным ионом.

Положительный ион под воздействием электрического поля притягивает к себе не достающий электрон от соседнего, превращая его в положительный ион. Это вновь образованный ион в свою очередь заимствует недостающий электрон у следующего атома и так далее. В физике называет неподвижный положительный ион с недостатком электронов-дыркой. А ток, который создается в результате кажущегося движения – дырочным. В итоге получается нечто подобное движению положительного иона, хотя сами ионы при этом сохраняют неподвижность. Это можно наглядно представить себе на примере иллюминации, который известен под названием бегущего огня. Приведенное здесь толкование процессов, происходящих в полупроводниках несколько отличается от распространенных в настоящее время способов объяснения этих процессов. Подобное упрощенное толкование введено для того, чтобы облегчить понимание весьма сложной природы электрического тока в полупроводниках

Как работают полупроводниковые приборы В полупроводниковых приборах используются особы свойства граничной области,

называемые p-n переходом. Благодаря тепловому движению электроны диффундируют в дырочную область, а дырки в электронную, оставляя не скомпенсированные заряды.

Перейдя в соседнюю область электроны и дырки рекомбинируются между собой. При

- 41 -

этом образуются не скомпенсированные ионы. На границе между областями возникают разноименно заряженные слои и между ними появляется электрическое поле. Оно препятствует дальнейшей диффузии электронов и дырок, между областями кристалла возникает слой неподвижных зарядов, называемый запирающим слоем. Если электрическое поле внешнего источника имеет такое же направление что и внутреннее поле, то происходит расширение запирающего слоя. Если внешнее электрическое поле имеет направление противоположное внутреннему полю РМ перехода, то электроны и дырки под воздействием этого поля преодолевают область РМ перехода. Происходит разрушение запирающего слоя. Такое включение РМ перехода называю прямым. Сила тока при таком включении РМ перехода значительно больше, чем при включении в обратном. При любом включении в электрическую цепь выводов от крайних областей кристалла эмистера и коллектора, один из РМ переходов оказывается включенным в обратном направлении, поэтому ток в коллекторной цепи транзистора практически отсутствует. Но если через эмистерный переход создать небольшой ток, то дырки входят из эмистера в базу и проникают в коллектор. Управляя током эмистерного перехода можно управлять током в цепи коллектора, поэтому изменение силы тока в цепи эмистерного перехода приведет к синхронному изменению силы тока в цепи коллектора и напряжения на резисторе, включенном в эту же цепь. Изменение напряжения показывает вольтметр. В отличии от биполярного транзистора иначе устроено работает полевой транзистор. Он представляет собой тонкую пластину полупроводника с одним РМ переходом в центральной части. Электрод от которого начинают движения основные носители заряда называются истоком, а электрод, в котором они движутся – стоком.

Электрод, управляющий проводимостью канала называется затвором. Если создать напряжение между истоком и стоком полупроводника, то в узком канале возникает электрический ток. Если подключить отрицательный полюс источника к затвору,

запирающий слой расширяется, сужаются токопроводящие каналы. Управление полевым транзистором осуществляется напряжением на затворе, то есть электрическим полем.

- 42 -

2.5.1.Магнитное поле в вакууме

Фильм «Магнетизм» из серии «Механическая вселенная»

Уильям Гильберт родился в 1544 и умер в 1603 году. Он был врачем, являлся современником Кеплера и Галилея. Гильберт закончил Кэмбриджский университет в 1569

году. И вскоре стал известным Лондонским лекарем. В 1600 году, его назначили личным врачем королевы Елизаветы I. Когда он не был занят, то проводил время за изучением магнетизма. Гильберт открыл, что можно размагнитить намагниченный материал – раскалив его. Гильберту принадлежит и ряд других открытий связанных с магнетизмом:

он обнаружил как можно сделать постоянный магнит еще сильнее – ударив его о другой магнит. Он открыл, что если долго держать железный стержень вытянутым - он

- 43 -

постепенно намагнитится. Пожалуй, самое главное его открытие это то, что Земля ведет себя, как гигантский магнит.

Самый крупный из всех магнитов на Земле это наша планета. С тех пор, ученые открыли то, что большинство планет имеют свои магнитные поля, это же касается звезд, в

частности Солнца. Большая часть Вселенной представляет собой набор магнитов. Все ее члены влияют друг на друга. И на северном и на южном полюсе, как нигде больше на планете, магнетизм ощущался и изучался – особенно интенсивно. Все удовольствия в жизни сущий пустяк, по сравнению с созерцанием полярного сияния, возможно – самого прекрасного зрелища на Земле. Оно происходит благодаря солнечным частицам,

направление которым, задает магнитное поле Земли. Но что же такое магнетизм?

Каждый из нас в свое время играл с магнитом, поэтому, наверное, вы уже достаточно осведомлены об этом явлении. Вы, вероятно, знаете, что с помощью магнита можно поднять бумажную коробочку, наполненную стальными скрепками. Также, полагаю, вы в курсе, что магнит не притягивает алюминий и медь, другими словами некоторые материалы притягиваются, другие – нет. Однако, вы можете не знать, что можно размагнитить материал просто нагрев его. Вот, к примеру, железная проволока; видите – она намагничена и притягивается этим магнитом, я размагничу ее с помощью подогрева,

пропустив через проволоку очень сильный ток. Когда проволока нагреется, то начнет прогибаться, но перед тем как она упадет с магнита, её нужно раскалить до красна.

Прогревшись достаточно, она размагнитилась и упала. После отключения тока проволока остывает; охладившись до определенной степени, она снова притянется к магниту.

Предметы можно размагнитить – нагрев их. Их свойства восстанавливаются после охлаждения. Это касается не только железа, но и других веществ.

Здесь у меня есть нечто похожее на обычное железо, однако нет, это не оно. Это очень редкий металл гадолиний, при комнатной температуре он не обладает свойствами необходимыми для притяжения к магниту. Для гадолиний комнатная температура слишком высока, чтобы у него появились свойства магнита. Если я немного охлажу его,

то он обретет их. Я смогу сделать это, могу охладить металл погрузив его в жидкий азот,

для нормального охлаждения его надо там, немного подержать. А теперь давайте попробуем – он притягивается. На самом деле он намагничен только с одной стороны,

другая сторона холодная. Если попробовать поднести магнит к ней – она не притягивается, притянется только одна сторона. Как видно, магнетизм не выдерживает тепла, восстановить его можно охлаждением в магнитных веществах.

*Какова же природа магнетизма? Уравнение для силы между магнитными полюсами,напоминает уравнение для силы между электрическими зарядами и силой

- 44 -

между гравитационными массами. Как и электрические заряды магнитные полюса подразделяются на два вида: северный и южный. Противоположные полюса притягиваются, одинаковые – отталкиваются. В отличии от электрических зарядов,

магнитные полюса всегда представляют в парах. Компоненты которых уравновешивают друг друга и если попробовать разделить магнит на две части, разъединив полюса, то края образовавшихся магнитов самостоятельно создадут два полюса, то есть у каждого куска появляется северный и южный полюс. Различие между электрическими зарядами и магнитными полями приводит нас к вопросу: «Может ли одно магнитное поле существовать само по себе где-нибудь в космосе?». Согласно некоторым теориям – может, теоретически существуют некоторые одиночные магнитные поля, называющиеся магнитными монополиями. Они существовали всегда, возникнув в результате большого взрыва, но если наличествуют магнитные монополии, то тогда где же их можно встретить в нашем мире? Ученые искали их, но все попытки до сегодня закончились провалом.

Между тем, вокруг нас множество магнитных диполей. Магнитные диполи – это два полюса связанных друг с другом единым магнитом. Их открытием, мы обязаны Уильяму Гильберту. Уильям Гильберт – человек, положивший начало изучению магнетизма, он охарактеризовал Землю, как гигантский магнит и действительно, наша планета обладает собственным магнитным полем. Она напоминает гигантский магнит, линии магнитной силы Земли, перемещаются из одного полушария в другое. Моделью этого процесса может служить стержневой магнит. Поле магнита с двумя полюсами по форме напоминает электрическое поле двух равных противоположных зарядов. Круговая цепь электрического тока тоже создает магнитное поле такой формы, как и каждый протон,

каждый нейтрон и каждый электрон во Вселенной. Земля имеет биполярное поле направленное на юг, вот почему стрелка компаса указывает на север, магнитная стрелка компаса всегда указывает на север. Как же работает компас? Или другими словами, что происходит с магнитом в магнитном поле. На полюсах магнита действуют равные противоположные по заряду силы, поэтому магнит подстраивается под поведение поля,

другими словами, поле создает вращающий момент, пытающийся повернуть северный полюс в направлении поля, так определяется направление поля.

Вне зависимости от пункта назначения магнитная стрелка указывает путь, потому что подстраивается под магнитное поле Земли здесь – на ее поверхности, но что же происходит над поверхностью Земли? Как далеко простирается магнитное поле Земли?

Раньше люди думали, что биполярное поле Земли безгранично простирается в космос, но теперь мы знаем, что это не так. По направлению к солнцу оно ограниченно солнечным

- 45 -

ветром, постоянно сталкивающимся с ним. Оно заканчивается на расстоянии 40 000 км от Солнца. В противоположном хвостовом направлении, оно простирается на миллионы км.

Хвост Земли, не похожий на хвост кометы, образован магнитным потоком.

Магнитный поток это полная аналогия потоку электрическому, потоку поля через любую поверхность. В широком понимании термина - магнитный поток это общее число силовых линий проходящих через поверхность. Но поскольку все магниты неполярны, то общий магнитный поток проходящий через любую поверхность всегда нулевой.

Внешний поток от северного полюса, нейтрализуется потоком к южному полюсу - это закон магнетизма Гаусса. Как и в случае с любым магнитом общий магнитный поток Земли в точности равняется потоку на Землю. Откуда же появляется поток у нашей планеты? Мы знаем, что главное магнитное поле Земли образует поток сильных электрических токов глубоко в недрах планеты. Существуют и другие элементы поля. Но биполярный элемент главного поля ассоциируется с этими токами, мы не знаем точно как образуется магнитное поле, у нас нет приемлемой детальной модели механизма, которая его продуцирует. Нам известно, что это каким-то образом связано с перемещением жидких проводящих веществ с учетом вращения Земли. Главное из этих веществ находящееся в недрах планеты это жидкий никель и железо. Поскольку магнитное поле Земли образуется от вращения планеты, то оно более или менее совпадает с его траекторией. Поля целиком отклоняется примерно на 11,5 градусов и поэтому данное различие известно со времен античности. Путешественникам всегда приходилось устранять эту разницу. Кто-то в этом преуспел больше, кто-то меньше, но даже лучшим морякам магнитное поле Земли доставляло массу хлопот, оно постоянно меняется. В

навигационные карты, которыми мы наряду с компасами пользуемся для определения пути, нужно очень часто вносить изменения, чтобы они помогали при ориентировании на местности. Таким образом, поле постоянно меняется, за миллионы лет оно изменилось невероятно сильно. Полярность меняется в обратную сторону. Однако, происходит это циклично, но не часто по меркам геохронологии. С геологической точки зрения перемещение магнитных полюсов с севера на юг, происходит достаточно часто, примерно каждые полмиллиона лет, сравните этот цикл с тем, как часто солнце изменяет свою полярность. Поле солнца меняет свое направление один раз в 11 лет – это интересный процесс, начинающийся с солнечных пятен, их магнитная полярность меняется каждые 11

лет. Солнечное пятно это темная область, которую мы видим на поверхности звезды. Оно,

как мы полагаем, является результатом деятельности магнитных полей. Солнечные пятна всегда появляются парно. Потому что магнитных монополей не существует, поэтому всегда приходится рассматривать полярности север-юг вместе. Я вижу два больших

- 46 -

солнечных пятна, магнитные силовые линии переходят из одного пятна в другое.

Солнечные пятна появляется после того, как будто с поверхности Земли, поднимается большой столб магнитного потока, пересечением этого столба с поверхностью звезды является солидное солнечное пятно. Появление больших пятен влечет за собой серьезные последствия, среди наиболее значительных из них - вспышки на Солнце. В эту группу входит также солнечный ветер, не такой заметный, но все же видимый, особенно когда он в совокупности с магнитным полем Земли – начинает творить разрушения. Солнечный ветер зарождается на Солнце. Он представляет собой высокоскоростной поток, состоящий из всех веществ, которые находятся в атмосфере Солнца. очень горяча. Её мы видим вокруг звезды во время полного затмения. Температура в солнечной короне достигает миллиона градусов. Когда газ нагревается так сильно, ему становится проще покинуть Солнце. Так как он очень сильно нагрет, его проводимость весьма высока. Солнечный ветер очень долго сохраняет высокую температуру даже на Земле. Солнечный ветер движется под контролем магнитного поля. Солнечный ветер растягивает силовые линии, а

они в свою очередь управляют веществом. Солнце нагревает вещество в солнечной короне. Если газ из заряженных частиц пронизывается магнитным полем, то эти частицы свободно перемещаются вдоль силовых линий. Но когда они пытаются пройти сквозь них,

то движутся вокруг линий по спирали, такое вращение происходит под влиянием силы Лоренца.

Fл = q·V·B·sin

Магнитное поле не действует на неподвижные электрические заряды. Если электрический заряд находится в движении, появляется магнитная сила, называющаяся силой Лоренца, она перпендикулярна к полю и направлению движения заряда. Сила удобно выражается с помощью векторного произведения, поскольку магнитная сила,

влияющая на движущийся электрический заряд, всегда перпендикулярна скорости, сила его не ускоряет, но и не замедляет. Вместо этого заряды стремятся к движению по кругу или по спирали. В неоднородных магнитных полях электрические заряды могут попадать в радиационные пояса Ван Аллена. Вблизи полярных районов заряженные частицы иногда приближаются слишком быстро к атмосфере, выделяя при этом свет, как это делают электроны ударяясь в телеэкран. Так происходит полярное сияние на северном и южных полюсах. В целом функция магнитного поля, состоит в препятствовании проникновению заряженных частиц на Землю.

Магнитное поле Земли выполняет функцию щита, защищая нас от энергетических частиц, движущихся с солнца, а также космических лучей. Оно обеспечивает

существование жизни на планете, некоторые другие планеты также имеют магнитные

- 47 -

поля, в их число входит Юпитер, Сатурн и Уран. У Венеры нет магнитного поля, раньше люди называли ее близнецом Земли, потому что планеты сходны по размеру и практически равноудалены от Солнца. Теперь мы знаем, что планеты сильно отличаются друг от друга. Венера не имеет магнитного поля, которое защищало бы ее также, как это делает магнитное поле Земли. Когда Гильберт заявил, что Земля ведет себя как гигантский магнит, он не понимал, что открыл тайну того, почему возможно жизнь есть на нашей планете.

Мы много уже узнали о природе магнетизма. Однако, не стоит забывать, что начало всему этому положено книгой Уильяма Гильберта. Это уникальный труд. В мире насчитывается порядка 60 копий первого издания книги. Сохранился экземпляр книги с надписью на титульном листе, выполненной самим Гильбертом .Это единственный в мире образец почерка ученого. Как бы то ни было, какой бы редкой и ценной не была эта книга,

она не является самым старым трудом по магнетизму. Еще за 300 лет до Гильберта – появился один манускрипт. Он был написан человеком по имени Пьер Марикор. Рукопись называется «Эпистола». Что на латыни означает письмо. Это письмо озаглавлено так

«Письмо о магните от Питера Пиллигринуса солдату Сигирасу Фукокору». В письме описано поведение магнитов, приведены разные факты, касающиеся магнетизма, но ничего о самом Питере. В конце письма в заключении указано «Написано в лагере при осаде Лучеры в 1269, 8 день августа». Это все, что известно о Питере Пиллигринусе.

Основываясь на этой информации, историки утверждают, что он был инженером в армии Шарля Анжу - короля Сицилии. Он происходил из знатного рода, был теологом францисканцем. Откуда историкам это известно? Тонкие наблюдения за поведением магнитов сделали его рукопись невероятно ценной. До нас дошла 31 ее копия и по меркам средневековья, когда еще не умели печатать - это означает, что его письмо было бестселлером. Одна из этих копий попала в руки Гильберту и , именно, благодаря ему и письмо и содержание дошли до нас в лучшем виде.

Майкл Фарадей

Электричество – загадочная и немного пугающая сила природы, которая долгое время оставалась непознанной. Только в начале 17 века ученые начали её систематическое изучение, в надежде найти ей какое-то применение. Один из этих исследователей совершил прорыв. Англичанин по имени Майкл Фарадей в 1821 году он создал первый прототип электрического двигателя, а еще через 10 лет первый прототип генератора электрического тока.

Майкл Фарадей – от электричества до электрогенератора. В 1600 году английский врач и физик Уильямс Гилберт опубликовал свою работу “DE MAGNETE”, он

- 48 -

продемонстрировал эффект магнетизма с помощью минерала магнетита и швейной иглы.

Гилберт был первым, кто провел различие между электрическими и магнитными явлениями. В 1767 году другой англичанин Джозеф Пристли построил свою электрическую машин, в этой машине электрические искры создавались с помощью трения. Пристли догадывался о важности этой таинственной силы, он написал (с

электричеством можно связывать огромные надежды новых открытий).

В это же время было сделано и другое открытие. С помощью нового явления – электричества, можно делать деньги. Бродячие артисты демонстрировали диковинные действия электрических токов, загадочное потрескивание, яркие искры и гвоздь программы – острие ножа, воспламеняющее спирт. Ученые того времени оставались в стороне этих представлений, их больше интересовали причины, чем эффектные зрелища.

В 1789 году Луиджи Гальвани профессор анатомии болонского университета( Италия),

провел эксперименты с лапками лягушки. Когда он прикасался к нервным окончаниям лягушки двумя разными металлами, мышцы на лапках сокращались. Гальвани был убежден, что это служило доказательством существования животного электричества. ОН ошибался. Вскоре другой итальянец физик Алессандро Вольта показал, что для возникновения электричества достаточно двух разных металлов, никаких частей животных не нужно. Эффект можно было значительно усилить поместив между двумя пластинами кислоту. На основе этого Вольта разработал первую электрическую батарею.

Вольтов столб стало первым устройством, которое вырабатывало постоянный электрический ток – это был значительный шаг в изучении электричества.

Гемфри Дэви заинтересовался разложением химических соединений с помощью тока.

Процесс, который сейчас носит название электролиза, в королевской ассоциации в Лондоне он продемонстрировал, как с помощью Вольтового столба разложить воду на водород и кислород. Один из членов аудитории с особым вниманием слушал лекцию знаменитого химика, его звали Майкл Фарадей. По профессии переплетчик книг он старательно записывал, услышанное добавляя свои рисунки. Через несколько месяцев Фарадей отправил Дэви собрание своих записей и попросился к нему на работу в качестве лаборанта. Дэви был впечатлен и ответил согласием, это стало началом невероятной карьеры.

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в посёлке Ньюингтон-Баттс близ Лондона в семье кузнеца. Через 5 лет семья переехала в столицу, но когда отец заболел,

для них наступили тяжелые времена. Маленький Майкл научился в школе читать и писать, но ничего более. Он с раннего детства вынужден был работать что бы помочь семье, а в возрасте 13 лет его взяли подмастерьем в местную мастерскую, сдесь он

- 49 -

получил доступ к книгам. Он нашел один из томов энциклопедии Британика, в которой была статья об электричестве, восхищенный фарадей начал мастерить собственный электрический аппарат. В нём зажегся неугасимый интерес. Во время работы с Дэви, они много путешествовали, Фарадей познакомился с передовыми светилами европейской науки. За последние несколько лет фарадей стал научным работником королевской ассоциации и начал сам читать лекции. Как и многие его современники, он был поражен экспериментом, проведенный датским физиком Гансом Кристианом Эрстедом. В 1819

году Эрстед продемонстрировал, что электрический ток отклоняет стрелку компаса. Это был первый эксперимент, доказывающий существование связей между электричеством и магнетизмом. Фарадей повторил эксперименты Эрстеда, после этого он видоизменил их,

подвесив кусочек проволоки над магнитом. Он соединил проволоку с источником тока,

когда по ней пошел ток, проволока начала вращаться вокруг магнита. Фарадею удалось получить механическую магнитную силу с помощью электричества, именно эта сила и заставила проволоку вращаться. Таким образом он сделал эпохальное открытиепринцип действия электродвигателя. Но фарадею было этого мало. Он хотел знать, можно ли получить обратный эффект и получить электричество с помощью магнита? Он соединил столб вольта с проволокой, намотанной на железное кольцо. Сверху была намотана вторая проволока, полностью изолированная от первой. Концы этой проволоки он подключил к гальванометру, прибору регистрирующей электрический ток. Когда в первой катушке начинал протекать ток, вокруг железного кольца образовывалось магнитное поле. В это время во второй катушке происходил кратковременный всплеск тока, вызывая отклонения стрелки гальванометра. Но хотя ток в первой катушке не выключался, через некоторое время гальванометр уже не показывал тока во второй. Когда же фарадей выключал ток,

стрелка вновь отклонялась, только в другую сторону. В этом эксперименте Майклу Фарадею удалось осуществить трансформацию электрической энергии. Но почему ток во второй катушке не был устойчивым? Ведь магнитное поле присутствовало постоянно.

Почему всплеск тока наблюдался только тогда, когда он включал и выключал свой аппарат. Фарадей пытался найти этому объяснение, ему на помощь пришло образное мышление и способность делать правильные выводы из наблюдений. Рассыпав на магнит железные опилки, он заметил, что частички формируют упорядоченный рисунок. В этом рисунке можно увидеть линии, вдоль которых располагаются частицы стружки. Фарадей назвал их силовыми линиями и определил, что они заполняют всё пространство вокруг катушки. Впоследствии Фарадей ввел термин магнитное поле, которое с тех пор используется в науке. Он пришел к выводу, что электрический ток из одной проволоки переходит в другую только тогда, когда её пересекают линии магнитного поля. Таким

- 50 -