26. Опір, індуктивність та ємність у колі змінного струму. Закон Ома для кола змінного струму.

У колах змінного струму розглядають активні ( R ) і реактивні ( L i C ) елементи. Їх називають відповідно активними і реактивними опорами. НА відміну від активного, у реактивному навантаження електромагнітної енергії не перетворюється в інші види.

Індуктивний опір ( X_L ) X_L = ώL

Ємнісний опір ( X_C ) X_{C =}

Повним опором кола змінного струму називають величину

Закон Ома для кола змінного струму

27. Резонанс струмів, резонанс напруг.

Якщо в колі змінного струму індуктивний опір дорівнює ємнісному, то струм різко зростає – настає явище, яке має назву резонанс напруг, при цьому, зсув фаз між напругою і струмом дорівнює 0.

При резонансі напруг, амплітуда значень струму є максимальною.

Якщо для кола з індуктивністю та ємністю, які з*єднані паралельно виконується умова (X_{L =} X_C ), то в нерозгалуженій частині кола встановлюється мінімальний струм – виникає резонанс струмів. При цьому, струм в індуктивному та ємнісному елементах компенсують один одного, а

28. Потужність у колі змінного струму.

29. Трансформатори.

Трансформатор — пристрій, що використовується для зміни напруги й сили змінного струму.

Трансформатори широко застосовуються в лініях електропередач, в розподільних та побутових пристроях. Передача електроенергії відбувається з меншими втратами при високій напрузі й малій силі струму. Тому зазвичай лінії електропередач високовольтні. Водночас побутові й промислові машини вимагають високої сили струму й малої напруги, тому перед споживанням електроенергія перетворюється в низьковольтну.

Трансформатори характеризуються дуже високим коефіцієнтом корисної дії.

Вперше трансформатори, як такі були продемонстровані в 1882 році, хоча ще в 1876 році Яблочков використовував аналогічний пристрій для створених ним освітлювальних пристроїв — «свічок Яблочкова».

Трансформатор складається з обмоток на спільному осерді. Одна з обомоток під'єднана доджерела змінного струму. Ця обмотка називається первинною. Інша обмотка, вторинна, служить джерелом струму для навантаження. Створений струмом у первинній обмотці змінний магнітний потік викликає появу е.р.с. у вторинній обмотці, оскільки обидві обмотки мають спільне осердя. Співвідношення е.р.с. у вторинній обмотці й напруги на первинній залежить від кількості витків у обох обмотках. В ідеальному випадку

,

де індексом P позначені величини, що стосуються первинної обмотки, а індексом S — відповідні величини для вторинної обмотки, U — напруга, N — кількість витків, I — сила струму.

30. Коливальний контур. Власні та вимушені електричні коливання. Затухаючі коливання.

Електромагнітні коливання виникають у коливальному контурі – електричному колі, що складається з конденсатора ємністю C, котушки індуктивності L, провідника з омічним опором R.

В ідеальному випадку (коли опір буде нескінченно малий), коливання, які виникатимуть у контурі, відбуватимуться без втрат енергії і їх називають власними.

Вимушені коливання гармонічного осцилятора із частотою ω₀ під дією сили з частотою ωописуються рівнянням

,

де f₀ — амплітуда зовнішньої сили.

Коливання, які з часом припиняються, називаються затухаючими.

31)

Вихрове́ електри́чне по́ле — електричне поле, що виникає в результаті зміни магнітного поля за законом електромагнітної індукції.

Вихрове електричне поле безпосередньо не пов'язане з електричними зарядами і його лінії напруженості не можуть починатися чи закінчуватися на цих зарядах, а є замкнутими, як і лінії індукції магнітного поля.

Робота вихрового електричного поля при переміщенні одиничного позитивного заряду по замкнутому нерухомому провіднику чисельно дорівнює е.р.с. індукції в цьому провіднику.

Вихрове електричне поле може виникати не лише в провідниках,а й у просторі,де їх нема.Збуджене змінним магнітним полем вихрове електричне поле може діяти на окремі заряджені частинки у вакуумі,як,наприклад,у прискорювачі електронів-бетатроні.За час оберту електрона замкнуте вихрове електричне поле виконує роботу з прискоренням електрона,збільшення його кінетичної енергії.

Електромагнітне поле — це поле, яке описує електромагнітну взаємодію між фізичними тілами.

Розділ фізики, який вивчає електромагнітне поле, називається електродинамікою. Постійні електричні поля вивчаються електростатикою, а галузь фізики, яка досліджує постійні магнітні поля називається магнетизмом.

Електромагнітне поле характеризується векторними величинами напруженістю електричного поля E, вектором електричної індукції D, вектором магнітної індукції B й напруженістю магнітного поля H.

32)

Вимірювання електромагнітних хвиль.

Електромагнітна хвиля це процес розповсюдження електромагнітної взаємодії в просторі.

У вакуумі електромагнітна хвиля розповсюджується із швидкістю, яка називається швидкістю світла. Швидкість світла є фундаментальною фізичною константою, яка позначається латинською літерою c. Згідно із основним постулатом теорії відносності швидкість світла є максимально можливою швидкістю передачі інформації чи руху тіла. Ця швидкість складає 299 792 458 м/с.

Електромагнятні хвилі виникають при взаємообумовлених змінах електричного і магнітних полів напрямлених у контурі коли змінне електричне поле викликає появу змінного магнітного поля.

Швидкість поширення електромагнітної хвилі перпендикулярна до векторів напруженості електричного поля та індукції магнітного поля.

У вакуумі – 3*10 8.

Довжина електромагнітної хвилі лямда = С*Т

У середовищі – лямда= V*T

Електромагнітні хвилі переносять енергію об*ємна густина якої визначається за формулою:

Принципи радіозв'язку такі. Змінний електричний струм високої частоти, який створюють в антені передавача, викликає в просторі навколо антени електромагнітні хвилі високої частоти. Коли хвилі досягають антени приймача, вони індукують в ній змінний струм такої ж частоти, на якій працює передавач. Важливим етапом у розвитку радіозв'язку було створення 1913 року генератора незагасальних електромагнітних коливань, за допомогою якого можна здійснювати надійний і високочастотний радіотелефонний зв'язок - передачу розмови чи музики за допомогою електромагнітних хвиль.

33) Атом – це хімічно неподільна частина речовини.

Планетарна модель атома – в центрі атома знаходяться позитивно заряджене ядро навколо якого рухаються негативно заряджені електрони.

А́том (від грец. άτομοσ — неподільний) — найменша частинка хімічного елемента, яка зберігає всі його хімічні властивості. Атом складається з щільного ядра з позитивно заряджених протонів та електрично нейтральних нейтронів, яке оточене набагато більшою хмарою негативно заряджених електронів. Коли число протонів відповідає числу електронів, атом електрично нейтральний; в іншому випадку це є іон, з певним електричним зарядом. Атоми класифікують відповідно до числа протонів та нейтронів: число протонів визначає хімічний елемент, а число нейтронів визначає нуклід елементу.

Хімічні властивості атома визначаються в основному валентними електронами — електронами на зовнішній оболонці. Кількість електронів на зовнішній оболонці визначає валентність атома.

Атоми останнього стовпчика періодичної таблиці елементів мають повністю заповнену зовнішню оболонку, а для переходу електрона на наступну оболонку потрібно надати атому дуже велику енергію. Тому ці атоми інертні, не схильні вступати в хімічні реакції. Інертні гази зріджуються й кристалізуються тільки при дуже низьких температурах.

Атоми першого стовпчика періодичної таблиці елементів мають на зовнішній оболонці один електрон, і є хімічно активними. Їхня валентність дорівнює 1. Характерним типом хімічного зв'язку для цих атомів у кристалізованому стані є металічний зв'язок.

Атоми другого стовпчика періодичної таблиці в основному стані мають на зовнішній оболонці 2 s-електрони. Їхня зовнішня оболонка заповнена, тому вони мали б бути інертними. Але для переходу із основного стану із конфігурацією електронної оболонки s² у стан із конфігурацією s¹p¹ потрібно дуже мало енергії, тож ці атоми мають валентність 2, проте вони проявляють меншу активність.

Атоми третього стовпчика періодичної таблиці елементів мають у основному стані електронну конфігурацію s²p¹. Вони можуть проявляти різну валентність: 1, 3, 5. Остання можливість виникає тоді, коли електронна оболонка атома доповнюється до 8 електронів і стає замкнутою.

Атоми четвертого стовпчика періодичної таблиці елементів здебільшого мають валентність 4 (наприклад, вуглекислий газ CO₂), хоча можлива й валентність 2 (наприклад, чадний газ CO). До цього стовпчика належить вуглець — елемент, який утворює найрізноманітніші хімічні сполуки. Сполукам вуглецю присвячений особливий розділ хімії — органічна хімія. Інші елементи цього стовпчика — кремній, германій при звичайних умовах є твердотільними напівпровідниками.

Елементи п'ятого стовпчика мають валентність 3 або 5.

Приклад гібридизації орбіталей — sp³ гібридизація

Елементи шостого стовпчика періодичної таблиці в основному стані мають конфігурацію s²p⁴ і загальний спін 1. Тому вони двовалентні. Існує також можливість переходу атома в збуджений стан s²p³s^' зі спіном 2, в якому валентність дорівнює 4 або 6.

Елементам сьомого стовпчика періодичної таблиці не вистачає одного електрона на зовнішній оболонці для того, щоб її заповнити. Вони здебільшого одновалентні. Проте можуть вступати в хімічні сполуки в збуджених станах, проявляючи валентності 3,5,7.

Для перехідних елементів характерне заповнення зовнішньої s-оболонки, перш ніж повністю заповнюється d-оболонка. Тому вони здебільшого мають валентність 1 або 2, але в деяких випадках один із d-електронів бере участь в утворенні хімічних зв'язків, і валентність стає рівною трьом.

При утворенні хімічних сполук атомні орбіталі видозмінюються, деформуються і стають молекулярними орбіталями. При цьому відбувається процес гібридизації орбіталей — утворення нових орбіталей, як специфічної суми базових.

Енергетичні зони.

Використовуючи рівняння Шредінге-ра – основне рівняння в нерелятивістській квантовій механіці, у принципі, можна розглянути задачу про кристал, наприклад, знайти можливі значення енергії, а також відповідні енергетичні стани електронів та ядер.

Але як у класичній, так і у квантовій механіці відсутні методи точного розв’язання динамічної задачі для системи багатьох частинок. Тому цю задачу розв’язують наближено, зведенням задачі багатьох частинок до одноелекронної задачі – задачі про один електрон, що рухається в заданому зовнішньому полі. Цей шлях приводить до зонної теорії твердого тіла.

В основі зонної теорії лежить адіабатичне наближення. Квантово-механічна система поділяється на важкі і легкі части- нки – ядра і електрони. Оскільки маси і швидкості цих частинок значно відрізняються, можна вважати, що рух електронів відбувається в полі нерухомих ядер, а ядра, що повільно рухаються, знаходяться в усередненому полі всіх електронів. Вважаючи, що ядра у вузлах кристалічної ґратки нерухомі, рух електрона розглядається в постійному періодичному полі ядер.

Далі використовується наближення самоузгодженого поля. Взаємодія даного електрона з усіма іншими електронами замінюється дією на нього стаціонарного електричного поля, що має періодичність кристалічної ґратки. Це поле створюється усередненим в просторі зарядом усіх інших електронів і ядер. Таким чином, багатоелектронна задача зводиться до задачі про рух одного електрона в зовнішньому періодичному полі – усередненому і узгодженому полі всіх ядер і електронів.

35) Електрична провідність металів

Знаючи умови виникнення та існування електричного струму, неважко здогадатися, що здатність проводити електричний струм, або, як кажуть фізики, електрична провідність, у різних речовин є різною. Залежно від цієї здатності всі речовини й матеріали прийнято поділяти на провідники, діелектрики (ізолятори) і напівпровідники. Провідниками називають речовини й матеріали, що добре проводять електричний струм. Провідниками є метали, водні розчини солей (наприклад, кухонної), кислот і лугів. Волога земля, тіло людини або тварини добре проводять електричний струм, бо містять речовини, що є провідниками. Висока електрична провідність зумовлена наявністю у провідниках великої кількості вільних заряджених частинок. Так, у металевому провіднику частина електронів, залишивши атоми, вільно «мандрує» по всьому його об'єму. Кількість таких електронів сягає 1023 у кубічному сантиметрі. Діелектриками називають речовини, які погано проводять електричний струм. Діелектриками є деякі тверді речовини (ебоніт, порцеляна, гума, скло та ін.), деякі рідини (дистильована вода, гас та ін.) й деякі гази (водень, азот та ін.). У діелектриках майже відсутні вільні заряджені частинки, отже, проходження через них струму практично неможливе. Провідники й діелектрики широко застосовують у промисловості, побуті, техніці. Так, проводи, якими підводять електричний струм від електростанцій до споживачів, виготовляють із металів — хороших провідників. При цьому на опорах проводи розташовують на ізоляторах,— це запобігає стіканню електричного заряду в землю. З такою ж метою шаром діелектрика вкривають кабелі, які прокладають у землі. Існує також багато речовин, які називають напівпровідниками. Зазвичай такі речовини погано проводять електричний струм, і їх можна віднести до діелектриків. Однак, наприклад, у разі підвищення температури або збільшення освітленості в напівпровідниках з'являється достатня кількість вільних заряджених частинок і напівпровідники стають провідниками. Прикладами напівпровідників можуть бути такі речовини, як германій, силіцій, арсен і багато інших. Напівпровідники широко використовують для виготовлення радіоелектронної апаратури, сонячних батарей.

Підбиваємо підсумки Електричний струм -прямленого руху частинок тричний заряд. Для виникнення й існування електричного струму необхідна наявність вільних заряджених частинок та електричного поля, дія якого створює й підтримує їхній напрямлений рух. Залежно від електричної провідності всі речовини умовно поділяють на провідники (речовини, які добре проводять електричний струм), діелектрики (речовини, які погано проводять електричний струм) і напівпровідники.

Залежність провідності вед температури.

Якщо немає зовнішнього електричного поля, електрони провідності здійснюють хаотичний тепловий рух із середньою квадратичною швидкістю, що залежить від температури металу. Якщо до металу прикладено зовнішнє електричне поле, електрони провідності починають рухатися впорядковано (здійснюють дрейф) із середньою швидкістю <>, тобто в металевому провіднику виникає електричний струм.

Провідність металів зменшується із збільшенням температури завдяки тому, що при вищих температурах посилюються коливання атомів кристалічної ґратки й акти розсіяння частішають.

Провідність власних напівпровідників різко збільшується при високих температурах.

Питома електропровідність ( s ), фізична величина, рівна електропровідності циліндрового провідника одиничної довжини і одиничної площі поперечного перетину; В. е. пов'язана з питомим опором (співвідношенням s = 1/ r . Прийнято вимірювати В. е. у одиницях: сименс (зворотний ом — ом ^{- 1} ) на метр або на сантиметр ( сім/м-кодів або сім/см ) .

36)

Напівпровідни́к — матеріал, електропровідність якого має проміжне значення між провідностями провідника та діелектрика.

Характерна риса напівпровідників — зростання електропровідності зі зростанням температури; при низьких температурах електропровідність мала. При температурі близькій до абсолютного нуля напівпровідники мають властивості ізоляторів. Кремній, наприклад, при низькій температурі погано проводить електричний струм, але під впливом світла, тепла чи напруги електропровідність зростає.

Поглинання світла напівпровідниками зумовлене переходами між енергетичними станами зонної структури.

Кремній найчастіше використовується в діодах, світлодіодах, транзисторах, випрямлячах і інтегральних схемах (чіпах), сонячних елементах. Окрім кремнію широко використовуються арсенід галію, арсенід алюмінію, германій та багато інших. В останні роки дедалі популярніші органічні напівпровідники, які застосовуються, наприклад, у копіювальній техніці.

Провідність чистих напівпровідників, що не мають ніяких домішок, називають власною провідністю напівпровідників.

Напівпровідники з донорною провідністю мають більшу кількість електронів порівняно з кількістю дірок. Їх називають напівпровідниками n-типу. У них електрони є основними носіями заряду, а дірки - неосновними.

Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу. Основними носіями заряду таких напівпровідників є дірки, а неосновними - електрони.

37)

Типи провідності напівпровідників.

Напівпроводник n-типу - напівпровідник, в якому основні носії заряду - електрони провідності.

Для того, щоб отримати напівпровідник n-типу, власний напівпровідник легують донорами. Здебільшого це атоми, які мають на валентній оболонці на один електрон більше, ніж атоми напівпровідника, який легується. При не надто низьких температурах електрони зі значною ймовірністю переходять із донорних рівнів у зону провідності, де їхні стани делокалізовані й вони можуть вносити вклад у електричний струм.

Кількість електронів у зоні провідності залежить від концентрації донорів, енергії донорних рівнів, ширини забороненої зони напівпровідника, температури, ефективної густини рівнів у зоні провідності.

Здебільшого легування проводиться до рівня 10¹³ - 10¹⁹ донорів на см³. При високій концентрації донорів напівпровідник стає виродженим.

Напівпровідник p-типу - напівпровідник, в якому основними носіями заряду є дірки.

Напівпровідники p-типу отримують методом легування власних напівпровідників акцепторами. Для напівпровідників четвертої групи періодичної таблиці, таких як кремній та германій, акцепторами можуть бути домішки хімічних елементів третьої групи - бор, алюміній.

Концентрація дірок у валентній зоні визначається температурою, концентрацією акцепторів, положенням акцепторного рівня над верхом валентної зони, ефективною густиною рівнів у валентній зоні.

Власна провідність напівпровідників невелика, оскільки малою є кількість вільних електронів. Особливість напівпровідників полягає в тому, що в них за наявності домішок поряд із власною провідністю виникає додаткова - домішкова провідність. Змінюючи концентрацію домішки, можна суттєво змінити кількість носіїв заряду того або того знака, а отже, створити напівпровідники з переважаючою концентрацією чи позитивно, чи негативно заряджених носіїв. Наприклад, внесемо в чотиривалентний кремній Si невелику кількість п'ятивалентного арсену (As) (рис. 4.3.12). Чотири електрони арсену (As) утворюють ковалентні зв'язки із сусідніми атомами силіцію (Si), а п'ятий одразу стає вільним. Домішки, що легко віддають електрони, і, отже, збільшують кількість вільних носіїв, називають донорними домішками.

38)

Конта́ктна різни́ця потенціа́лів — різниця електростатичних потенціалів, яка виникає при контакті двох різних металів.

При контакті двох металів частина електронів перетікає з одного з них до іншого, доки не вирівняються хімічні потенціали для електронів. У результаті цього процесу метали отримують заряд, який зосереджується в тонкому (мікроскопічному) шарі вздовж границі. Заряд на поверхні одного з металів додатній, іншого — від'ємний. Електричне поле, яке виникає при цьому, обмежене тонким подвійним шаром. Зазвичай цей шар настільки тонкий, що пропускає електричний струм — електрони тунелюють через нього.

Величина різниці потенціалів, яка виникає внаслідок утворення подвійного шару, визначається із умови вирівнювання хімічного потенціалу електронів:

,

де e — заряд електрона, μ_i — рівень Фермі i-го металу, ϕ_i — його потенціал.

В результаі різниця потенціалів дорівнює

.

Таким чином, контактна різниця потенціалів між двома металами визначається відносним положенням їхніх рівнів Фермі.

Важливою особливістю контакту металів є те, що на поверхні металів існують численні поверхневі рівні для електронів, що зменшує область подвійного зарядженого шару до кількох сталих кристалічної ґратки. При контакті металу й напівпровідника, або при контакті двох напівпровідників заряджені області набагато ширші, створюючи значні бар'єри для проходження електричного струму. Провідність таких контактів одностороння, що широко використовується в напівпровідниковій техніці.

Зовнішня контактна різниця потенціалів

Якщо два сполучені між собою металічні провідники зігнути підковою, то завдяки заряду, який виникає при контакті, між провідниками існуватиме електричне поле. Дві точки на зовнішній поверхні провідників матимуть різний потенціал. Цю різницю потенціалів називають зовнішньою контактною різницею потенціалів. Вона визначається різницею робіт виходу електронів із металів.

39) контакт метал – напівпровідник

Структура і властивості контактів метал — напівпровідник залежать від розташування рівнів Ферми в тім і іншому шарі і від величини роботи виходу, необхідної для переводу електрона з рівня Ферми у вакуум. Розглянемо енергетичне положення електронів провідності в металі і напівпровіднику щодо положення вільних електронів у вакуумі. На рисунку 7, а зображені енергетичні діаграми для ізольованих друг від друга металу і напівпровідника п - типа, поміщених у вакуум. Для виходу електрона з металу чи напівпровідника у вакуум йому необхідно повідомити деяку енергію: еφ_м — для металу; еφ_п — для напівпровідника. Припустимо, що робота виходу з металу вище, ніж з напівпровідника. У цьому випадку при утворенні контакту потік електронів з напівпровідника в метал буде переважати. У результаті метал почне заряджатися негативно, а напівпровідник — позитивно і між ними на границі контакту установиться деяка контактна різниця потенціалів UK. Спрямоване переміщення електронів буде відбуватися доти, поки рівні Ферми не вирівняються .

Внаслідок відходу електронів із приконтактного шару напівпровідника цей шар збіднюється носіями заряду, і його опір підвищується. Ширина області просторового заряду в напівпровідниках складає одиниці мікрометра, а в металах — менше 10^-4 мкм. Тому в приконтактній області зони енергії напівпровідника викривляються догори (рисунок 7, б). Щоб перебороти виникаючий на границі контакту потенційний бар'єр і перейти з однієї речовини в іншу, електрон чи металу напівпровідника повинний мати енергію е (φ_м - φ_п) понад енергію рівня Фермі. Оскільки приконтактний шар напівпровідника, збіднений носіями заряду, перешкоджає проходженню струму через контакт, він є замикаючим. Очевидно, електричне поле зовнішньої напруги, що збігається по напрямку з внутрішнім полем, у випадку замикаючого шару збільшує ширину області просторового заряду, а протилежно спрямоване поле зменшує її. Таким чином, при утворенні збідненого шару контакт метал з напівпровідником здобуває властивості, що випрямляють, а вольт - амперна характеристика такого контакту аналогічна характеристиці звичайного р - n переходу.

У випадку, якщо робота виходу з металу менше роботи виходу з напівпровідника, то переважний перехід електронів буде відбуватись з металу в напівпровідника. Внаслідок цього приконтактний шар напівпровідника збагачується носіями зарядів, концентрація електронів у ньому зростає, а опір знижується. На мал. 7, в показана енергетична діаграма для цього випадку. Скривлення зон енергетичної діаграми напівпровідника відбувається в протилежну сторону. Збагачений приконтактний шар має низький опір при будь-якій полярності зовнішньої напруги, прикладеної до переходу. Тому подібні контакти не мають випрямляючі властивості і можуть бути використані для створення омічних переходів у напівпровідникових приладах і мікросхемах, необхідних для приєднання тих чи інших елементів до зовнішнього ланцюга. Найважливішою особливістю переходу Шоттки в порівнянні з р–n переходом є відсутність інжекції неосновних носіїв заряду. Ці переходи працюють тільки на основних носіях. Звідси випливає, що в приладах, у яких використовується перехід Шоттки, відсутня дифузійна ємність, зв'язана з нагромадженням і розсмоктуванням неосновних носіїв. Відсутність дифузійної ємності істотно підвищує швидкодія приладів, у тому числі працюючих у режимі переключення. Не менш важливою особливістю таких приладів є значно менша пряма напруга в порівнянні з напругою на р-n переході. Це порозумівається тим, що при проходженні навіть невеликого початкового струму через контакт із великим опором на ньому виділяється теплова енергія, що сприяє додатковій термоелектронній емісії і росту числа носіїв заряду, що приймають участь в утворенні прямого струму. Для порівняння на рисунку 8 приведені вольт - амперні характеристики переходу Шоткi і р-n переходу.