пособие по физике формат pdf / Глава 4. Электродинамика

соединяющего электроды. Искровой разряд применяют в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания. Молния представляет собой гигантский искровой разряд.

Дуговой разряд возникает при небольших напряжениях между электродами. Носителями заряда здесь являются электроны, испускаемые раскалёнными электродами. Это явление называют термоэлектронной эмиссией. Применяют дуговой разряд при сварке и плавлении металлов.

Плазма – это высокоионизированный газ, в котором отсутствуют нейтральные атомы, а плотности положительных и отрицательных зарядов в нём одинаковы. Поэтому плазма электронейтральна. Плазма взаимодействует с электрическими и магнитными полями. Различают низкотемпературную плазму – тлеющий разряд, пламя, ионосфера земли и т.д. – и высокотемпературную плазму – вещество в недрах звёзд, в термоядерных реакторах.

Вопросы для самоконтроля

1.В чём разница между газовым разрядом и электрическим током в проводнике?

2.Как изменяется электрический ток в газах при изменении напряжённости электрического поля? Чем вызваны эти изменения тока на отдельных участках вольт-амперной характеристики?

3.Дайте краткую характеристику основным видам газовых разрядов и укажите область их практического использования.

4.Что такое плазма?

§4.5. Электрический ток в вакууме

Под вакуумом понимают газ такого малого давления, при котором молекулы в сосуде не сталкиваются друг с другом. Вакуум является изолятором, потому что в нём нет носителей заряда. Однако эти носители можно внести путём эмиссии (испускания), и получить токопроводящую среду. Существуют различные виды эмиссии: термоэлектронная – испускание электронов при нагревании металла до высоких температур; фотоэлектронная – испускание электронов под действием светового (электромагнитного) излучения;

вторичная электронная эмиссия – выбивание электронов из атомов

(молекул) быстрыми заряженными частицами.

132

Термоэлектронная эмиссия используется в электронных лампах и электроннолучевых трубках. Простейшим электронно-вакуумным прибором является электронная лампа с двумя электродами –

вакуумный диод (рис. 4.9).

Катодом лампы служит нить накала, анодом – цилиндр, окружающий нить (рис. 4.9, слева). Условное обозначение диода на схемах показано на рис. 4.9, справа.

Электрический ток нагревает нить накала, и энергия движения электронов становится достаточной, чтобы покинуть нить (катод). Над катодом формируется электронное облачко, которое под действием электрического поля движется к аноду, образуя электрический ток в цепи катод-анод. При перемене полюсов в этой цепи ток прекращается. Ток через диод может протекать только в одну сторону – только в ту, при которой нить накаливания является катодом (отрицательным полюсом). Поэтому при включении вакуумного диода в цепь переменного тока последний становится током постоянного направления.

В трёхэлектродной лампе (триоде) между катодом и анодом расположен третий электрод – сетка. Изменение напряжения между сеткой и анодом очень сильно влияет на величину анодного тока. Триоды используют для усиления и генерирования электрических колебаний.

Электроннолучевая трубка (рис. 4.10) представляет собой стеклянный баллон 6, из которого выкачен воздух до глубокого вакуума, в узкой её части находится «электронная пушка» – устройство, создающее электронный луч. Она состоит из нити накаливания (катода) 1, анода в виде цилиндра 3 и электрода 2 в виде цилиндра с отверстием в торце, который управляет интенсивностью электронного пучка. Электроны, испускаемые нитью, пролетают через анод в виде узкого луча и попадают на экран 7, покрытый

133

люминофором, который под ударами падающих на него электронов светится. Увеличивая или уменьшая потенциал электрода 2, можно изменять яркость светящейся точки на экране 7.

Пластины конденсаторов 4 и 5, расположенные вдоль оси трубки, позволяют изменять направление электронного луча. Если подать напряжение на пару пластин 4, то электронный луч, проходя между ними, будет отклоняться в сторону пластины с положительным зарядом, а светящаяся точка сместится в вертикальном направлении пропорционально величине этого заряда. Если подать напряжение на пару пластин 5, то светящаяся точка точно также сместится в горизонтальном направлении.

Электроннолучевая трубка используется для наблюдения за быстро протекающими изменениями напряжений. Этот прибор называют осциллографом. Ещё недавно она широко применялась в телевизорах и мониторах компьютеров.

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое вакуум в электронике?

2.С помощью чего можно получить свободные носители заряда в вакууме?

3.Объясните принцип действия вакуумного диода.

4.Объясните принцип действия электроннолучевой трубки.

§4.6. Полупроводники

Полупроводниками называют материалы, которые по своим электрическим характеристикам занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами. Концентрация свободных электронов в них в миллионы раз меньше, чем в металлах. Их электропроводность зависит от наличия в них примесей и от внешних условий – температуры, освещённости, радиации. К ним относится большинство минералов, оксиды и другие химические соединения, а также вещества (германий, кремний, бор и др.).

Кристаллическая решётка кремния выстроена таким образом, что в кристалле каждый четырёхвалентный атом окружён четырьмя такими же атомами, с которыми его связывают четыре валентных электрона. Соседние атомы связаны между собой парой общих электронов (рис. 4.11). Такое взаимодействие между атомами называется ковалентной связью.

На рис. 4.12 представлена упрощенная модель кристаллической решётки кремния. Такого рода модель в математике называют графом.

134

Чёрными кружочками здесь обозначены атомы четырёхвалентного кремния. Это вершины графа. Валентные электроны, связывающие соседние атомы, здесь представлены отрезками, соединяющими соответствующие кружочки. Их называют рёбрами графа. При низких температурах все валентные электроны связаны с атомами, и полупроводник является изолятором. Однако при нагревании или облучении валентные электроны могут получить энергию, достаточную для того, чтобы покинуть атом.

Такие электроны становятся свободными и при наличии электрического поля могут создавать ток. На рис. 4.12 между центральной и нижней средней вершинами исчезло одно ребро, и образовался один свободный электрон, помеченный знаком минус. В данной паре атомов образовалась дырка, имеющая положительный заряд (вместо исчезнувшего ребра – дырка, помеченная знаком плюс, рис. 4.12). Это вакантное место может занять валентный электрон из соседнего атома, и дырка, таким образом, будет блуждать по кристаллу, пока её не займёт свободно блуждающий электрон.

За счёт энергии извне (теплоты, излучения) в полупроводнике может образоваться большое число электронно-дырочных пар. Под действием электрического поля электроны потекут в одном направлении, а дырки в противоположном, образуя электрический ток. Такая проводимость, существующая в чистых полупроводниках, называется собственной. Собственная проводимость возрастает с

135

ростом температуры и интенсивности фотооблучения полупроводника.

Проводимость полупроводников существенно зависит от наличия примесей. Пусть в четырёхвалентный кремний введена небольшая примесь пятивалентного мышьяка (рис. 4.13).

Четыре электрона атома мышьяка связаны химической связью с четырьмя атомами кремния, а пятый электрон слабо связан с атомом мышьяка и даже при невысоких температурах становится свободным. Полупроводники со свободными электронами проводимости называют полупроводниками n-типа. Сама проводимость при этом называется примесной, а примесь – донорной.

При введении в четырёхвалентный кремний примеси трёхвалентного бора, три его валентных электрона создают ковалентные связи с тремя атомами кремния (рис. 4.14). Для связи с четвёртым соседним атомом валентного электрона нет, и его может заменить электрон ближайшего атома кремния. При этом образуется дырка, которая может блуждать по кристаллу.

Число дырок в кристалле равно числу атомов примеси. В таких примесных полупроводниках основными носителями тока являются дырки. Примесь такого рода называется акцепторной, а полупроводник – полупроводником p-типа. В полупроводниках как p-типа, так и n-типа имеют место ещё и неосновные носители тока, образующиеся при разрыве ковалентных связей (носители собственной проводимости).

Если полупроводник p-типа привести в контакт с полупроводником n-типа, то за счёт теплового движения будет происходить диффузия дырок из области p-типа в область n-типа, а

136

диффузия электронов будет идти в противоположном направлении

(рис. 4.15).

Вблизи области контакта в результате диффузии будет образовываться тонкий слой (толщиной d), и со стороны p он будет заряжаться отрицательно (дефицит дырок), а со стороны n – положительно (дефицит электронов). Этот двойной слой зарядов, создающий контактную разность потенциалов, будет препятствовать дальнейшей диффузии зарядов через p-n переход.

d

Рис. 4.15. Электронно-дырочный p-n переход

При подаче на полупроводник p-типа положительного потенциала, а на n-типа – отрицательного электрическое поле будет перемещать свободные электроны и дырки к границе контакта, и толщина d контактного слоя p-n перехода начнёт сужаться. При достаточно тонком обеднённом слое через контакт начнёт проходить электрический ток.

При подаче на полупроводник p-типа отрицательного потенциала, а на n-типа – положительного электрическое поле будет оттягивать свободные электроны и дырки от границы контакта, и толщина d контактного слоя p-n перехода будет расти. Поэтому сопротивление обеднённого слоя будет только увеличиваться, и через контакт сможет протекать лишь очень слабый ток, обусловленный неосновными носителями (электронами в полупроводнике p-типа и дырками в полупроводнике n -типа). Эту способность p-n перехода пропускать электрический ток преимущественно только в одном направлении используют в полупроводниковых диодах для преобразования переменного тока в постоянный и для детектирования сигналов в приёмных устройствах.

Биполярный полупроводниковый транзистор имеет два p-n перехода, разделённых очень тонким слоем полупроводника – базой. Транзисторы широко применяются в радиоэлектронике в качестве элементов усилителей, генераторов электрических колебаний, разного рода переключателей и т.д. Полупроводниковые приборы компактны,

137

экономичны, долговечны, но могут работать только в ограниченном интервале температур и при отсутствии радиоактивных излучений. Они сыграли большую роль в развитии компьютерной техники. В 60-х годах прошлого века на смену ЭВМ первого поколения (электроламповых монстров) пришли более компактные и экономичные ЭВМ второго поколения на полупроводниковой элементной базе.

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое полупроводник?

2.Объясните механизм собственной проводимости чистого полупроводника.

3.Что такое полупроводники n-типа? Что является его основным носителем?

4.Что такое полупроводники p-типа? Что является его основным носителем?

5.Какие примеси являются донорными, а какие акцепторными? Какого типа полупроводники им соответствуют?

6.Какие процессы протекают в области контакта полупроводника p-типа с полупроводником n-типа?

7.Объясните принцип действия полупроводникового диода.

8.Что представляет собой биполярный транзистор и для чего его можно использовать в радиоэлектронике?

§4.7. Первые сведения о магнетизме

Природные магниты (рис. 4.16, 4.17) и явление магнетизма были известны ещё в древнем Китае, древней Греции и древнем Риме. Притяжение магнитом железа объяснялось с позиции проявления высших сил. Природа этих сил и по сей день остаётся тайной за семью печатями, хотя сведений об их проявлении накоплено много. Опираясь на эти сведения можно констатировать следующие основные факты:

1) Каждый магнит имеет 2 полюса: южный S и северный N (рис.

138

4)С уменьшением расстояния между полюсами магнитов сила их взаимодействия возрастает, и, наоборот, с увеличением расстояния эта сила уменьшается.

5)Взаимодействие магнитов осуществляется посредством

магнитного поля.

6)Линии, вдоль которых располагаются железные опилки,

называются магнитными линиями (рис. 4.17).

7)Магнитные линии имеют направление: вне магнита выходят из северного полюса и входят в южный (рис. 4.18), внутри магнита – выходят из южного и входят в северный. Магнитные линии (в отличие от силовых линий электростатического поля) замкнуты.

8)Индикатором направления магнитного поля является магнитная стрелка. За направление магнитного поля принимается направление, показываемое северным концом магнитной стрелки.

Рис. 4.18. Магнитные линии вне магнита

139

Позднее (начало XIX века) была установлена связь между движущимися электрическими зарядами и магнетизмом. Однако природа магнитных сил от этого не прояснилась. Любопытная идея, объясняющая эту природу, высказана в баллистической теории Вальтера Ритца [3].

Вопросы для самоконтроля

1.Какие факты свидетельствуют о существовании магнетизма как природного явления?

2.Из каких наблюдений следует существование магнитного поля вокруг магнита?

3.Что такое силовые линии магнитного поля, и какое направление они имеют вне магнита и внутри магнита?

4.В чём разница меду магнитными линиями и силовыми линиями электростатического поля?

5.Чем можно определить направление магнитного поля?

§4.8. Открытие Эрстеда, Закон Ампера. Сила Лоренца

В 1820 году Эрстед1 обнаружил, что действие проводника с током на магнитную стрелку значительно превышает действия на неё магнитного поля Земли. При изменении направления тока на противоположное стрелка таким же образом меняла направление. Тогда же Ампер2 экспериментально обнаружил, что параллельные проводники с токами одного направления притягиваются, а противоположного направления – отталкиваются. Все эти факты наталкивают на мысль, что магнитное поле создаётся движущимися зарядами (электрическим током) и действует также только на движущиеся заряды.

Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная

индукция – вектор B, который имеет направление, показываемое северным концом магнитной стрелки в данном магнитном поле. Модуль магнитной индукции равен

С 1815 г. постоянный секретарь Датского королевского общества.

2 Андре Мари Ампер (1775 - 1836) — французский физик, математик, химик, член Парижской АН (1814), иностранный член Петербургской АН (1830).

140