Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электричество и магнетизм. Учебно-методическое пособие
.pdf
31
энергетическая диаграмма состояний – это область положительных зна-
чений энергий.
Если электрон находится в связанном состоянии, например
в атоме или молекуле, то согласно законам микромира, или квантовой
механики, его энергетический спектр становится дискретным, а численные разрешенные значения энергии зависят от того, в каком атоме
этот электрон находится. Значения энергии при этом отрицательные.
Из-за того что в металлах, полупроводниках и диэлектриках атомы
находятся на расстояниях, соизмеримых с размерами атомов, валентные электроны теряют связь с определенными атомами и двигаются по
всему кристаллу.
При рассмотрении энергетического спектра твердого тела, состоящего из одинаковых атомов, из-за взаимного влияния соседних атомов
друг на друга энергетический спектр электронов изменяется в сравнении с энергетическим спектром электрона в отдельно взятом атоме.
Энергетический спектр твердого тела представляет собой спектр
разрешенных и запрещенных значений энергий – зон. Таким образом,
энергетические уровни энергий атома как бы расщепляются, образуя
разрешенные области изменения энергии – разрешенные зоны (Р.З.).
При этом разрешенные законами квантовой механики значения энергий
могут быть реализованы полностью или частично.
_______________________________________________________________________________________________
Дополнение к теме. Лаб. 216, 216а, 217.
Расстояния между разрешенными зонами в энергетическом спек-
тре называются запрещенными зонами (З.З.) (рис. 19).
а б в
Рис. 19. Энергетический спектр свободного электрона (а),
электрона в атоме (б), электронов в твердом теле (в)
E
0
E
0
З.З.
Р.З
Е
0
32
Если значения энергий для разрешенной зоны частично реализованы (зона заполнена частично), то такая зона называется валентной
зоной или зоной проводимости. Частично заполненная зона характерна
для энергетического спектра металлов.
Если твердое тело имеет энергетический спектр из полностью заполненных зон и ширина запрещенной зоны ΔЕ порядка нескольких
деcятых долей эВ (т. е. небольшая величина), то это полупроводник.
Если твердое тело имеет энергетический спектр из полностью заполненных зон и ширина запрещенной зоны ΔЕ порядка нескольких эВ,
то это диэлектрик (рис. 20).
Металл
Полупроводник
Диэлектрик
Рис. 20. Энергетические спектры
металла, полупроводника и диэлектрика
Зонная теория позволяет понять механизм ухудшения проводимости металла с повышением температуры. При этом ширина разрешенных значений энергий в зоне проводимости уменьшается, символизируя
уменьшение проводимости. В полупроводниках и диэлектриках, наоборот, повышение температуры способствует увеличению энергии электронов, что, в свою очередь, приводит к тому, что электроны начинают
«переходить» в пустую разрешенную зону, превращая «скачком» полупроводник и диэлектрик в проводник. Известен так называемый эффект
пробоя диэлектрика, т. е. превращения диэлектрика в проводник.
Аналогично объясняется и влияние примесей на проводимость
металлов и полупроводников.
Внесение примесей в металл, обусловливает появление дополнительных уровней энергии в валентной зоне металла, что ухудшает энергетические возможности, т. е. ухудшает проводимость металла. В случае полупроводников и диэлектриков наблюдается противоположная
33
картина. Примеси обусловливают появление дополнительных разрешенных значений энергии в запретных зонах.
Проводимость полупроводников, обусловленная электронами
атомов кристаллической решетки, называется собственной, а проводимость, обусловленная наличием примесей, – примесной. Обычно полупроводники образуют вещества, в химическом составе которых элементы 3, 4 и 5 групп периодической системы.
Если к элементам 4 группы добавить элементы 3 группы, то для
«достройки» электронной оболочки не будет хватать электрона. Таким
образом образуется «дырка», и тогда говорят о положительной, или ак-
цепторной проводимости, которую называют еще и проводимостью
р-типа (рис. 21).
Рис. 21. Полупроводник
с акцепторной примесью р-типа
Рис. 22. Полупроводник
c донорной примесью n-типа
Если к элементам 4 группы добавить элементы 5 группы, то при
«достройке» электронной оболочки один электрон будет избыточным,
так как для образования устойчивых связей нужно 4 валентных электрона. Таким образом образуется «донор», и тогда говорят об отрицательной, или донорной проводимости, которую называют еще и проводимостью n-типа (рис. 22).
На энергетической диаграмме донорный уровень обычно распо-
лагается ближе к свободной разрешенной зоне, а акцепторный уровень – внизу запретной зоны, ближе к разрешенной заполненной зоне
(рис. 23, 24).
р- n - П ер ех о д
В электрических цепях очень часто используются полупроводниковые приборы. Одним из таких устройств является полупровод-
34
никовый диод, который в электрических схемах обозначается в виде
черной стрелки, перед острием которой находится вертикальная линия. Полупроводниковый диод еще называется
р-n-переходом.
Рис. 23. Энергетический спектр
полупроводника с акцепторной
примесью
Рис. 24. Энергетический спектр
полупроводника c донорной
примесью
При соединении двух различных типов полупроводников на границе контакта с различным типом проводимости образуется слой, который носит название p-n-перехода. В p-области на границе контакта
скапливаются отрицательные носители заряда (электроны), а в n-области, наоборот, – дырки. Создается контактная разность потенциалов,
или запирающий слой (рис. 25).
Рис. 25. Механизм образования запирающего слоя в месте контакта
полупроводников р-типа и n-типа
Если подключить такое устройство в электрическую цепь таким
образом, что полупроводниковая часть n-типа будет присоединена к
«-», а p-типа – к «+», то это ослабит скопившие носители на границе
контакта, и ширина «запирающего» слоя уменьшится. Сила тока при
35
этом будет возрастать. Обратное подключение приведет к расширению
«запирающего» слоя и увеличению его сопротивления (рис. 26).
Вольт-амперная характеристика p-n-перехода будет иметь вид,
представленный на графике (рис. 27).
Рис. 26. Прямое и обратное включение
p-n-перехода
Рис. 27.
Вольт-амперная
характеристика
p-n-перехода
_______________________________________________________________________________________________
Дополнение к теме. Лаб. 216, 216а, 217.
Те рм о па ра
Термопара – это устройство для измерения температуры, состоящее из двух спаянных между собой проводников, изготовленных из
различных металлов, спаянные концы которых находятся при различных температурах. Обычно один из спаев находится при постоянной
температуре, а второй спай помещается в среду, температуру которой
необходимо измерить.
Электроны в металле находятся в постоянном движении. Если
кинетическая энергия электронов достаточна, то электрон может покинуть поверхность металла. Работа, которую необходимо совершить для
того, чтобы электрон покинул металл, называется работой выхода
электрона из металла А
вых
. Эта работа совершается против сил притяжения со стороны положительного остаточного заряда поверхности и
против сил отталкивания вылетевших электронов из металла. Эта работа определяется через разность потенциалов, или скачок потенциала
36
поверхности, или контактную разность потенциалов между металлами
или металлом и окружающей средой:
A=e∙Δφ.
Работа выхода электрона из металла зависит от химической природы
металла.
За к о н ы Во л ьт а
Первый закон Вольта: контактная разность потенциалов при
соединении двух проводников, изготовленных из различных металлов,
зависит от их химического состава и температуры.
Контактная разность потенциалов будет зависеть, во-первых, от
различной работы выхода электрона из металла, и во-вторых, от числа
электронов в металлах n1 и n2:
.
Второй закон Вольта: в замкнутой цепи, состоящей из несколь-
ких проводников, изготовленных из различных металлов, разность потенциалов между контактами не зависит от природы промежуточных проводников и равна разности потенциалов непосредственно со-
единенных между собой проводников.
Эф фе к ты т е р м оэ л е к тр ич ес т в а .
Эф фе к т Зе е б е к а . Э ф ф ек т Пе л ьт ье
Если концы спаев замкнутой цепи, состоящей из двух различных
металлов, находятся при различных температурах, то в цепи возникает
ток – это эффект Зеебека (рис. 28).
При пропускании электрического тока через замкнутую цепь, со-
стоящую из двух проводников, изготовленных из различных металлов,
происходит не только их нагревание из-за выделения джоулевой теплоты, но и добавочное выделение теплоты на одном из спаев и
37
охлаждение на другом из них. Если направление тока совпадает с
направлением термоЭДС, то спай охлаждается, если направление тока
противоположно, то спай нагревается. Этот эффект получил название
эффекта Пельтье (рис. 29).
Рис. 28. Электрическая схема
эффекта Зеебека
Рис. 29. Электрическая схема
эффекта Пельтье
_________________________________________________________
Дополнение к теме. Лаб. 208.
38
Э Л Е К Т Р О М А Г Н Е Т И З М
Раздел физики, изучающий связь электрических явлений с маг-
нитными, называется электромагнетизмом.
Ма гн и тн о е по л е
Если взять неподвижный заряд и разместить вблизи него магнит-
ную стрелку, то она отклоняться не будет. Однако если заряд начинает
двигаться, то магнитная стрелка отклоняется (рис. 30). Движущийся заряд в пространстве создает особый вид материи – магнитное поле.
Рис. 30. Отклонение магнитной
стрелки при пропускании тока
Рис. 31. Силовые линии
магнитного поля магнита
Магнитное поле – это особый вид существования материи, обу-
словленный движущимися электрическими зарядами и веществами, обладающими магнитными моментами, независимо от состояния их движения. Для характеристики магнитного поля ранее была введена сило-
вая характеристика напряженность магнитного поля
– сила, действующая на северный магнитный полюс к единице магнитной массы.
Однако опыт показал, что магнитных масс нет.
Отличительной чертой магнитного поля от электрического явля-
ется существование двух взаимосвязанных магнитных полюсов – север-
ного и южного. Поэтому рассматривают магнитный диполь или магнитную стрелку.
Магнитное поле бывает однородным и неоднородным, постоян-
ным и переменным.
____________________________________________________________
Дополнение к теме. Лаб. 220, 225, 230, 229, 2.3.
39
Если напряженность магнитного поля не изменяется во времени,
то магнитное поле называется постоянным. Если напряженность магнитного поля меняется во времени, то магнитное поле – переменное.
Пространственной характеристикой магнитного поля считаются
силовые линии магнитного поля. Силовой линией магнитного поля
называется геометрическое место точек, касательные к которым в каждой точке пространства совпадают с вектором напряженности магнитного поля (рис. 31). Если число силовых линий, пересекающих единичную площадку нормально к линиям напряженности магнитного поля,
не меняется в пространстве, то магнитное поле однородно.
Одноименные полюса магнитного поля отталкиваются, разно-
именные – притягиваются.
Для учета влияния среды на магнитное поле вводится понятие
вектора магнитной индукции
, величины, характеризующей, во
сколько раз магнитное поле в веществе больше магнитного поля в вакууме:
.
Проводники с током, имеющие разную про-
странственную форму, создают различные магнитные поля.
Направление силовых линий векторов напря-
женности магнитного поля и магнитной индукции
определяется по правилу буравчика, или по правилу
правого винта (рис. 32). Если ввинчивать буравчик
по направлению движения магнитного поля, то
движение концов его рукоятки укажет направление
линий напряженности магнитного поля, создаваемого этим током.
_______________________________________________________________________________________________
Дополнение к теме. Лаб. 220, 230, 225, 229, 2.3.
Си л а Ам п е р а
Ампер в 18 веке высказал предположение о том, что магнитное
поле полосового магнита связано с микроскопическими токами. Эта
Рис. 32. Правило
буравчика
40
гипотеза была подтверждена спустя 100 лет, когда была предложена
планетарная модель атома, в рамках которой электронные облака отождествляются с микроскопическими зарядами, совершающими круговое
движение, т. е. с маленькими «вихрями» зарядов.
Опытным путем было установлено,
что если взять два проводника с током, то
между ними начинает действовать сила взаимодействия, при этом проводники с токами, протекающими в одном направлении,
притягиваются, а проводники с токами, текущими в противоположных направлениях,
отталкиваются (рис. 33):
,
где I1 и I2 – токи; r – расстояние между проводниками. Опытным путем
также было установлено, что характер взаимодействия меняется при изменении формы проводника.
Закон, по которому происходит взаимодействие проводников с
током, был установлен Ампером, а взаимодействие носит название
силы Ампера:
.
Формулу для силы Ампера, или формулу Ампера, можно перепи-
сать в виде
.
_______________________________________________________________________________________________
Дополнение к теме. Лаб. 230.
Тогда сила, действующая на элемент с током dl со стороны магнитного
поля, будет определяться с помощью формулы
,
Рис. 33.
Взаимодействие токов
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]