Диэлектрик в электростатическом поле

При помещении неполярного диэлектрика во внешнее электростатическое поле его атомы и молекулы или ячейки кристаллической решетки приобретают вследствие поляризации дипольные моменты и становятся элементарными диполями. Каждый малый объем dV (малый по сравнению с объемом диэлектрического тела, но большой по сравнению с объемом молекулы, атома или элементарной ячейки кристалла) приобретает дипольный момент

, (2.3.1)

где N – число элементарных диполей ( – дипольные моменты молекул) в объеме dV.

, (2.3.2)

называемая поляризованностью (численно равная дипольному моменту единичного объема диэлектрической среды) не зависит от dV. Для неполярных диэлектриков зависимость поляризованности от напряженности электрического поля линейна (см. то, что сказано выше о поляризации атома):

. (2.3.3)

Под Е подразумевается напряженность, так называемого усредненного (иначе, макроскопического) поля, изменением которого в пределах объема dV можно пренебречь. Множитель k в формуле (2.3.3) называется диэлектрической восприимчивостью. Мелкомасштабные изменения микроскопического поля, таким образом, являются следствием пространственно неоднородной структуры вещества на молекулярном уровне.

В очень больших полях при достаточно низких температурах может оказаться так, что все диполи полярного диэлектрика оказываются ориентированными вдоль поля, и дальнейшее увеличение напряженности не вызывает роста поляризованности. Это явление называется насыщением поляризации. Для неполярных диэлектриков (и большинства полярных диэлектриков) насыщение недостижимо, так как по мере увеличения напряженности раньше него наступает ионизация и, в итоге, разрушение диэлектрика.

Существует вид диэлектриков – сегнетоэлектрики, – для которых явление насыщения поляризации особенно ярко выражено. Однако при нагревании выше некоторой температуры (так называемой температуры Кюри) сегнетоэлектрические свойства скачком исчезают. Процесс превращения сегнетоэлектрика в обычный диэлектрик обратим, – при понижении температуры сегнетоэлектрические свойства восстанавливаются.

Величина e, которая называется диэлектрическая проницаемость, показывает во сколько раз ослаблено поле внутри диэлектрика в плоском конденсаторе.

Следует обратить внимание на тот факт, что поляризация не изменяет

суммарного заряда вещества, она влияет только на распределение зарядов в

веществе, т.е. на плотность зарядов. Рассмотрим природу поляризации на

примере диэлектрика с неполярными молекулами (рис. 30, а). Поместим

такой диэлектрик во внешнее электрическое поле (рис. 30, б) E . Деформация атомов приведет к их поляризации. Пусть верхняя часть диэлектрика попала в более сильное поле, чем нижняя. Вверху атомы

деформировались сильнее,

и из объема выходят вверх ядра двух верхних слоев, на границе формируется положительный заряд с

поверхностной плотностью  . Поверхностная плотность отрицательного

заряда   , т.к. из объема вниз выходит только один слой центров

отрицательных зарядов. Таким образом, произошло перераспределение

зарядов на поверхности, возникает поверхностная плотность зарядов

Вектор электрической индукции

Индукция электрическая и магнитная, физические величины, характеризующие (наряду с напряжённостями электрического и магнитного полей) электромагнитное поле. В вакууме эти характеристики совпадают с соответствующими напряжённостями, если пользоваться СГС системой единиц (Гаусса); в Международной системе единиц (СИ) они различаются постоянными множителями.   Вектор электрической индукции D (называемый также электрическим смещением) является суммой двух векторов различной природы: напряжённости электрического поля Е - главной характеристики этого поля - и поляризации Р, которая определяет электрическое состояние вещества в этом поле. В системе Гаусса: D = E + 4pP  

Плотность энергии электрического поля в диэлектрике

Это физическая величина, численно равная отношению потенциальной энергии поля, заключенной в элементе объема, к этому объему. Для однородного поля объемная плотность энергии равна   . Для плоского конденсатора, объем которого Sd, где S - площадь пластин, d - расстояние между пластинами, имеем

С учетом, что   и 

(16.4)

Полярные и неполярные диэлектрики

Различают два основных типа диэлектриков: полярный и неполярный.

Диэлектрик называют неполярным, если в его молекулах в отсутствие внешнего электрического поля центры тяжести отрицательных и положительных зарядов совпадают, например,   Для них дипольный момент  , т. к.  . И, следовательно, суммарный дипольный момент неполярного диэлектрика  .

В молекулах полярных диэлектриков ( , спирты, НС1...) центры тяжести зарядов разных знаков сдвинуты друг относительно друга. В этом случае молекулы обладают собственным дипольным моментом  . Но эти дипольные моменты в отсутствие внешнего электрического поля из-за теплового движения молекул ориентированы хаотически и суммарный дипольный момент такого диэлектрика равен нулю, т. е.

Пироэлектрики. Пьезоэлектрический эффект и его применение.

Пироэле́ктрики (от др.-греч. πῦρ — огонь) — кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, то есть поляризацией в отсутствие внешних воздействий.

Обычно спонтанная поляризация пироэлектриков незаметна, так как электрическое поле, создаваемое ею, компенсируется полем свободных электрических зарядов, которые «натекают» на поверхность из его объёма и из окружающего воздуха. При изменении температуры величина спонтанной поляризации изменяется, что вызывает появление электрического поля, которое можно наблюдать, пока свободные заряды не успеют его скомпенсировать. Это явление называется пироэлектрическим эффектом или пироэлектричеством.

Изменение спонтанной поляризации и появление электрического поля в пироэлектриках может происходить не только при изменении температуры, но и при деформировании. Таким образом, все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не все пьезоэлектрики обладают пироэлектрическим эффектом. Ниже точки Кюри пироэлектрики являются сегнетоэлектриками.

Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) состоит в том, что при механических деформации некоторых кристаллов в определённых направлениях на их гранях появляются электрические заряды противоположных знаков. Пьезоэффект наблюдается в кварце, турмалине, сегнетовой соли, титанате бария, цинковой обманке и других веществах. Пьезоэлектрический эффект в кварце происходит вдоль электрических осей X1, X2, X3 кристалла, перпендикулярных к его оптической оси Z. Обращение направления деформации кристалла изменяет знаки зарядов на поверхностях на противоположные. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров некоторых кристаллов под действием электрического поля. Изменение направления электрического поля вызывает изменение характера деформаций на противоположный. Этот эффект имеет большое значение для получения ультразвука (см. Пьезоэлектрические излучатели).

Пьезоэлектрики - это такие кристаллы, в которых под влиянием однородной деформации возникают дипольный момент, а значит, и электрическое поле, пропорциональные деформации. Наличие пьезоэлектрических свойств тесно связано с симметрией кристалла.

Плотность тока. Подвижность носителей. Закон Ома в локальной форме.

ПЛО́ТНОСТЬ ТО́КА, векторная характеристика электрического тока (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК) j, равная по модулю электрическому заряду, проходящему за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению упорядоченного движения заряженных частиц.  При равномерном распределении плотности электрического тока по сечению проводника плотность тока j будет равна отношению силы тока (см. СИЛА ТОКА) I в нем к площади его поперечного сечения S:  j = I/ S  Плотность тока характеризует силу тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока  Единицей измерения плотности тока является А/м².  Плотность тока можно определить также следующим образом:  Так как сила тока I = nevS, где:  n — концентрация носителей заряда;  e — заряд носителей тока;  v — средняя скорость упорядоченного движения частиц;  S — площадь поперечного сечения проводника, через который течет ток,  То плотность тока J = I/ S = nev S/ S = nev. 

Подвижность носителей.

отношение скорости направленного движенияносителей заряда в веществе под действием электрического поля кнапряженности этого поля. 1) В газе подвижность ионов и электронов обратнопропорциональна давлению газа, массе частиц и их средней скорости;подвижность электронов в несколько тысяч раз превосходит подвижностьионов. 2) В твердом теле подвижности электронов проводимости и дырокзависят от процессов их рассеяния на дефектах и колебаниях решетки. 3) Врастворах подвижность ионов определяется формулой U = Fu, где F -постоянная Фарадея, u - скорость движения иона (в см/с) при напряженностиэлектрического поля 1 В/см; она зависит от природы иона, а также оттемпературы, диэлектрической проницаемости, вязкости и концентрациираствора.

Закон Ома в локальной форме.

Плотность тока и закон Ома в локальной (дифференциальной) форме

Рассмотрим провод длиной l и поперечного сечения S. Сопротивление провода R = r l/S, где r – удельное сопротивление провода. Пусть по проводу течет ток J, тогда по закону Ома к концам провода приложено напряжение U = J R = J r l/S. Запишем это иначе U/l = r J/S и учтем, что величина U/l = E есть напряженность электрического поля в проводе. Тогда получаем E = r J/S или

E = r j, (4.5.1)

где

 j = J/S – (4.5.2)

так называемая плотность электрического тока (или просто – плотность тока). Если сила тока J дает нам значение заряда, протекающего в единицу времени через всё сечение провода, то плотность тока дает значение заряда, протекающего в единицу времени через единицу площади сечения провода.

Вместо удельного сопротивления r часто используют связанную с ней величину

 g = 1/r,  (4.5.3)

называемую удельной электропроводностью вещества, или просто – проводимостью. (В разных книгах для нее могут использоваться разные обозначения, например, s или l.) Тогда формулу (4.5.1) записывают в виде

  j = g E. (4.5.1’)

О формулах (4.5.1) и (4.5.1’) говорят как о законе Ома в дифференциальной (или локальной) форме.

Закон Джоуля Ленца в локальной форме.

 Таким образом, мощность тепла, выделяемого током в единице объема проводника, дается выражениями Q=  или Q= .

Последняя формула выражает закон Джоуля-Ленца в локальной (дифференциальной) форме: мощность тепла в единице объема Qпропорциональна квадрату плотности электрического тока и обратно пропорциональна проводимости среды. В такой форме закон Джоуля-Ленца носит общий характер, т.е. не зависит от природы сил, возбуждающих электрический ток. Если сила F чисто электрическая (F=еЕ), то Q=(jE)= .

Закон Джоуля-Ленца в интегральной форме получается из дифференциальной формы этого закона интегрированием по объему провода. Представив элемент объема в виде dV=S dl, получим Q= . Эта формула определяет тепло, выделяющееся ежесекундно в рассматриваемом участке провода.

Линейная цепь постоянного тока. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление.

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению: I = U / R; [A = В / Ом]

Ом установил, что сопротивление прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника. R = ρl / S, где ρ - удельное сопротивление, l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения проводника.

Закон Джоуля-Ленца для учаска цепи.

Если по активному сопротивлению (проводнику) течет постоянный ток, то работа тока на этом участке идет на преобразование электрической энергии во внутреннюю. Увеличение внутренней энергии проводника приводит к повышению его температуры (проводник нагревается).По закону сохранения энергии количество теплоты (Q), выделяющееся в проводнике при прохождении электрического тока, равно работе тока: Q = A_эл.

Следовательно,

Q = I*U*t = I²*R*t = U²*t/R .       (14)

Формула (14) есть закон Джоуля-Ленца для однородного участка цепи.Прохождение электрического тока по проводнику представляет собой процесс упорядоченного движения зарядов в электрическом поле, существующем в проводнике. При этом силы электрического поля, действующие на заряды, совершают работу. Назовем эту работу “работой тока” (A_эл.) и рассчитаем ее на участке цепи 1-2, содержащем сопротивление R (см. рисунок).

Из электростатики известно, что A_эл. = q*(₁ - ₂).

В темах 1 и 2 раздела “постоянный ток” показано, что

q = I*t;     U = I*R;      U = ₁ - ₂

где

	t - время прохождения тока,
	q - заряд, прошедший от точки с потенциалом 1 до точки с потенциалом2.

Следовательно, работу тока можно вычислить с помощью следующего соотношения

A_эл. = I*U*t = I²*R*t = U²*t/R .    (12)

Мощностью (N_эл.) называется работа, совершаемая током за единицу времени:

N_эл. = A_эл./t .

Следовательно,

N_эл. = I*U = I²*R = U²/R   .          (13)

Мощность электрического тока на опыте определяется с помощью амперметра и вольтметра или специального прибора – ваттметра.

ЭДС. Закон Ома для замкнутой цепи.

ЭДС

Если в проводнике создать электрическое поле и не принять мер для его поддержания, то, как было уже установлено, перемещение носителей заряда приведет очень быстро к тому, что поле внутри проводника исчезнет и, следовательно, ток прекратиться. Для того чтобы поддерживать ток достаточно долго, нужно от конца проводника с меньшим потенциалом (носители тока предполагаются положительными) непрерывно отводить приносимые сюда током заряды, а к концу с большим потенциалом непрерывно их подводить. Т.е. необходимо осуществить круговорот зарядов, при котором они двигались бы по замкнутому пути (17.1). Циркуляция вектора напряженности электростатического поля, как известно равна нулю. Поэтому в замкнутой цепи наряду с участками, на которых положительные заряды движутся в сторону убывания потенциала, должны иметься участки, на которых перенос положительных зарядов происходит в направлении возрастания   , т.е. против сил электростатического поля. Перемещение, зарядов на этих участках возможно лишь с помощью сил не электростатического происхождения, называемых сторонними силами. Таким образом, для поддержания тока необходимы сторонние силы, действующие либо на всем протяжении цепи, либо на отдельных ее участках. Они могут быть обусловлены химическими процессами, диффузией носителей заряда в неоднородной среде или через границу двух разнородных, веществ, электрическими (но не электростатическими) полями, порожденными меняющимися во времени магнитными полями и т.д.

Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по цепи зарядами. Эта работа складываеться из работы, совершаемой против электрического поля внутри источника тока (А_ист и работы, совершаемой против сил сопративления среды (А’), т.е. А_ст=А_ист+А’

Величина, равная отношению работы, которую совершают сторонние силы при перемещении точечного положительного заряда вдоль всей цепи, включая и источник тока, к заряду , называется электродвижущей силой источника тока:

(17.3)

Работа против сил электрического поля, по определению равна

Закон Ома для замкнутой цепи
Сила тока в замкнутой цепи, состоящей из источника тока с внутренним сопротивление и нагрузки с сопротивлением, равна отношению величины ЭДС источника к сумме внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагрузки.

Правила Кирхгофа.

Правила Кирхгофа сформулированы немецким физиком Густавом Робертом Кирхгофом.

Первое правило Кирхгофа алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю.

Первое правило Кирхгофа является следствием закона сохранения заряда, согласно которому ни в одной точке проводника не должны накапливаться или исчезать заряды.

Первое правило Кирхгофа можно сформулировать и так: количество зарядов, приходящих в данную точку проводника за некоторое время, равно количеству зарядов, уходящих из данной точки за то же время.

Второе правило Кирхгофа является обобщением закона Ома. Второе правило Кирхгофа - в любом замкнутом контуре разветвленной цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме произведений токов на сопротивления соответствующих участков этого контура:

Правила Кирхгофа позволяют определить силу и направление тока в любой части разветвленной цепи, если известны сопротивления ее участков и включенные в них ЭДС.

Природа электрического тока в металлах. Температурная зависимость сопротивления.

Природа электрического тока в металлах. Все металлы в твердом и жидком состоянии являются проводниками электрического тока. Специально поставленные опыты показали, что при прохождении электрического тока масса металлических проводников остается постоянной, не изменяется и их химический состав. На этом основании можно было предположить, что в создании электрического тока в металлах участвуют только электроны. Предположение об электронной природе электрического тока в металлах подтверждено опытами советских физиков Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси и американских физиков Т. Стюарта и Р. Толмена. В этих опытах было обнаружено, что при резкой остановке быстро вращающейея катушки в проводе катушки возникает электрический ток, создаваемый отрицательно заряженными частицами — электронами. При отсутствии электрического поля свободные электроны перемещаются в кристалле металла хаотически. Под действием электрического поля свободные электроны, кроме хаотического движения, приобретают упорядоченное движение в одном направлении, и в проводнике возникает электрический ток. Свободные электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки, отдавая им при каждом столкновении кинетическую энергию, приобретенную при свободном пробеге под действием электрического поля. В результате упорядоченное движение электронов в металле можно рассматривать как равномерное движение с некоторой постоянной скоростью  . Так как кинетическая энергия электронов, приобретаемая под действием электрического поля, передается при столкновении ионами кристаллической решетки, то при прохождении постоянного тока проводник нагревается.

Зависимость удельного электрического сопротивления металлов от температуры. Удельное сопротивление металлов при нагревании увеличивается приблизительно по линейному закону (рис. 152):

 , (44.1)

где  — удельное электрическое сопротивление металла при температуре T,  — его удельное сопротивление при 0 °С,  — температурный коэффициент сопротивления, особый для каждого металла.    С приближением температуры к абсолютному нулю удельное сопротивление монокристаллов становится очень малым. Этот факт свидетельствует о том, что в идеальной кристаллической решетке металла электроны перемещаются под действием электрического поля, не взаимодействуя с ионами решетки. Длина их свободного пробега при этом может достигать значений порядка 1 см, т. е. в 10⁷ - 10⁸ раз превышает межатомные расстояния в кристалле. Электроны взаимодействуют лишь с ионами, не находящимися в узлах кристаллической решетки.    При повышении температуры возрастает число дефектов в кристаллической решетке из-за тепловых колебаний ионов,— это при водит к возрастанию удельного сопротивления кристалла.    В том, что электрическое сопротивление металлов обусловлено взаимодействиями электронов проводимости с различными дефектами решетки, убеждает и тот факт, что удельное сопротивление кристаллов металлов сильно зависит от наличия в них примесей. Например, введение 1 % примеси марганца увеличивает удельное сопротивление меди в три раза.

Полупроводники и изоляторы. Природа тока в полупроводниках. Температурная зависимость сопротивления.

почему одни вещества проводят электрический ток, а другие нет. Все зависит от ширины запрещенной зоны, разделяющей валентную и свободную зоны. По этому признаку все вещества делятся на три основные группы (рис. 1). У веществ первой группы (рис. 1а) запрещенная зона, разделяющая валентную и свободную зоны, очень широкая. Ее ширина больше трех электрон-вольт. Поэтому здесь под действием температуры лишь отдельные электроны могут перейти в возбужденное состояние. Основная же масса их остается в валентной зоне и ниже. Такие вещества при комнатной температуре электрического тока не проводят. Называются они изоляторами или диэлектриками. Если же нагреть диэлектрик до достаточно высокой температуры, он может начать проводить ток и очень даже неплохо. Ну вот, например, при сильном нагревании изоляции электропроводки, она начинает проводить электрический ток, что приводит к короткому замыканию.

У веществ третьей группы (рис. 1в), в отличие от первой, валентная и свободные зоны настолько широкие, что они перекрываются и запрещенная зона между ними попросту отсутствует. Большинство электронов в валентной зоне может двигаться, потому что, увеличивая свой импульс, они просто занимают одно из многочисленных свободных мест в свободной зоне. Вещества третьей группы называют проводниками. Большинство металлов - проводники. Достаточно поместить проводник во внешнее электрическое поле, как по нему сразу начинает протекать электрический ток.

У веществ второй группы (рис. 1б) ширина запрещенной зоны между валентной и свободной зонами невелика, порядка одного электрон-вольта. При низких температурах такие вещества ведут себя как отличные диэлектрики, но стОит повысить температуру - они сразу начинают проводить электрический ток тем лучше, чем выше температура. Такие вещества называют полупроводниками. Полупроводники обладают весьма интересными свойствами, о которых речь пойдет в дальнейшем.

Тот факт, что в полупроводниках, несмотря на уменьшение подвижности, проводимость при повышении температуры растет, свидетельствует о том, что при повышении температуры в полупроводниках происходит очень быстрое возрастание числа свободных электронов, и влияние этого фактора пересиливает влияние уменьшения подвижности. При очень низкой температуре (вблизи 0 К) в полупроводниках имеется ничтожно малое число свободных электронов, и поэтому они являются почти совершенными диэлектриками; проводимость их чрезвычайно низка. С возрастанием температуры число свободных электронов резко возрастает, и при достаточно высокой температуре полупроводники могут иметь проводимость, приближающуюся к проводимости металлов.

Эта сильная зависимость числа свободных электронов от температуры является самой характерной особенностью полупроводников, резко отличающей их от металлов, в которых число свободных электронов от температуры не зависит. Она указывает на то, что в полупроводниках, для того чтобы перевести электрон из «связанного» состояния, в котором он не может переходить от атома к атому, в «свободное» состояние, в котором он легко перемещается по телу, необходимо сообщить этому электрону некоторый запас энергии  . Эта величина  , называемая энергией ионизации, для разных веществ различна, но в общем имеет значения от нескольких десятых электронвольта до нескольких электронвольт. При обычных температурах средняя энергия теплового движения много меньше этой величины, но, как мы знаем (см. том I), некоторые частицы (в частности, некоторые электроны) имеют скорости и энергии значительно большие, чем среднее значение. Определенная, очень небольшая доля электронов имеет достаточный запас энергии, чтобы перейти из «связанного» состояния в «свободное». Эти электроны и обусловливают возможность прохождения электрического тока через полупроводник даже при комнатной температур

Собственные и примесные полупроводники. Примеси донорного и акцепторного типа. Электроны и дырки.

Полупроводники — это вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличием примесей, изменением освещенности. По этим свойствам они разительно отличаются от металлов. Обычно к полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5—2 эВ. Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объяснить указанные выше характерные свойства. При нагревании полупроводников их атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая электронный ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон. Далее, в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном — «дырки». Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как перемещение положительного заряда. При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение «дырок» — дырочный ток проводимости.           В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается.           На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают донорные и акцепторные. Допорная примесь — это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются липшие электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью n — 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью n = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости.           Акцепторная примесь — это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником р-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью п = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».           Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р—n-перехода. При приведении в контакт двух полупроводниковых приборов р-типа и л-типа в месте контакта начинается диффузия электронов из n-области в р-область, а «дырок» — наоборот, из р- в n-область. Этот процесс будет не бесконечным во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок».           р—n-Контакт полупроводников, подобно вакуумному диоду, обладает односторонней проводимостью:           если к р-области подключить «+» источника тока, а к n-области «-» источника тока, то запирающий слой разрушится и р—л-контакт будет проводить ток, электроны из д-области пойдут в р-область, а «дырки» из р-области в n-область (рис. 32).                      В первом случае ток не равен нулю, во втором — ток равен нулю. Это означает, что если кр-области подключить «-» источника, а к л-области — «+» источника тока, то запирающий слой расширится и тока не будет. Полупроводниковый диод состоит из контакта     

Контактная разность потенциалов. Термо-ЭДС. Эффекты Зеебека и Пельтье. Их применение.

КОНТАКТНАЯ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ - разность потенциалов, возникающая между находящимися в электрич. контакте проводниками в условиях тер-модинамич. равновесия. Между двумя проводниками, приведёнными в соприкосновение, происходит обмен электронами, в результате чего они заряжаются (проводник с меньшей работой выхода положительно, а с большей - отрицательно) до тех пор, пока потоки электронов в обоих направлениях не уравновесятся и во всей системе уровень эл--хим. потенциала (ферми-уровенъ)станет одинаковым. Установившаяся К. р. п. равна разности работ выхода проводников, отнесённой к заряду электрона.

ТЕРМОЭДС - электродвижущая сила U, возникающая в электрич. цепи, состоящей из неск. разнородных проводников, контакты между к-рыми имеют разл. темп-ры (Зе-ебека эффект). Если электрич. цепь состоит из двух разл. проводников, она наз. термоэлементом или термопарой .Величина T. зависит только от темп-р горячего T₁ и холодного T₂ контактов и от материалов проводников. В небольшом интервале темп-р (0-100 ^oC) U=a(T₁- T₂). Коэф. а, называемый коэф. Зеебека или термоэлектрич. способностью пары, термосилой, коэф. Т., удельной Т., зависит от материала проводников и интервала темп-р 

Преобразование тепла в электрическую энергию, происходящее в термоэлементе, обычно называют эффектом Зеебека. Термоэлементы, называемые термопарами, применяют для измерения температуры, особенно в труднодоступных местах. Если один спай находится в контролируемой точке, а другой – при комнатной температуре, которая известна, то термо-ЭДС служит мерой температуры в контролируемой точке. Большие успехи достигнуты в области применения термоэлементов для прямого преобразования тепла в электроэнергию в промышленных масштабах.

Если через термоэлемент пропускать ток от внешнего источника, то холодный спай будет поглощать тепло, а горячий – выделять его. Такое явление называется эффектом Пельтье. Этот эффект можно использовать либо для охлаждения с помощью холодных спаев, либо для обогрева горячими спаями. Тепловая энергия, выделяемая горячим спаем, больше полного количества тепла, подведенного к холодному спаю, на величину, соответствующую подведенной электрической энергии. Таким образом, горячий спай выделяет больше тепла, чем соответствовало бы полному количеству электрической энергии, подведенной к устройству. В принципе большое число последовательно соединенных термоэлементов, холодные спаи которых выведены наружу, а горячие находятся внутри помещения, можно использовать в качестве теплового насоса, перекачивающего тепло из области с более низкой температурой в область с более высокой температурой. Теоретически выигрыш в тепловой энергии по сравнению с затратами электрической энергии может составлять T₁/(T₁ – T₂).

Самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд.

Известно, что в обычном состоянии газовый промежуток является хорошим изолятором (очень мало заряженных частиц), так что при небольших приложенных к электродам напряжениях ток в цепи практически отсутствует. Повышение приложенного напряжения выше определенного значения (потенциала ионизации атомов газа – паров ртути) приводит к резкому возрастанию тока и появлению свечения. То есть происходит ионизация атомов, возникают свободные носители заряда и, как следствие, возникает ток между электродами, побочным эффектом которого может быть свечение разряда. Этот процесс называется зажиганием самостоятельного разряда, а напряжение на лампе – напряжением зажигания. Он соответствует переходу несамостоятельного разряда в один из видов самостоятельного. Напряжение зажигания самостоятельного разряда зависит от рода наполняющего газа, его давления, формы электродов, расстояния между ними и т.д.

Несамостоятельным разрядом называется такой разряд, в котором ток поддерживается только за счет непрерывного образования заряженных частиц по какой-либо внешней причине и прекращается после прекращения действия источника образования зарядов. Заряды могут создаваться как на поверхности электродов, так и в объеме разрядной трубки. Самостоятельные разряды характеризуются тем, что заряженные частицы, необходимые для поддержания разряда, создаются в процессе самого разряда, то есть их количество по крайней мере не уменьшается с течением времени (при неизменном приложенном напряжении). Можно снять ВАХ самостоятельного разряда (см Рохлин Г.Н, рис 5.1, стр 156). Механизм перехода несамостоятельного разряда в одну из форм самостоятельного зависит от многих причин, но общим критерием перехода является условие, чтобы в среднем каждая исчезающая по тем или иным причинам заряженная частица создавала себе за время своего существования по крайней мере одного заместителя.

Самостоятельный разряд. Вышеприведенного процесса недостаточно для описания возникновения самостоятельного разряда: этот механизм не объясняет появление новых электронов с катода. Вообще, чтобы разряд стал самостоятельным, каждый вырванный с катода электрон в результате цепочки взаимодействий должен вырвать с катода по крайней мере еще 1 электрон. Вспомним, что при ионизации атома электроном помимо свободного электрона возникает еще и ион, который движется под действием поля в противоположном электронам направлении – к катоду. В результате столкновения иона с катодом с последнего может быть эмитирован электрон (этот процесс называетсявторичной электронной эмиссией). Сам механизм соответствует темному самостоятельному разряду. То есть при таких условиях не происходит генерация излучения. Падающий характер этого участка (см Рохлин Г.Н, рис 5.1, стр 156) объясняется тем, что при бОльших токах нужны меньшие энергии электронов для сохранения самостоятельности разряда и, следовательно, меньшие ускоряющие поля.

Электрическая дуга.

Электрическая дуга представляет собой электрический разряд в газовой среде между контактами, возникающий при размыкании электрического контакта или при нестабильности переходного сопротивления контактов (искрение). При наличии электрического поля воздух в промежутке между парой контактов ионизируется и газовая среда в промежутке между контактами становится электропроводящей. Электропроводность среды сохраняется до тех пор, пока к контактам будет приложено электрическое поле необходимой напряженности. Внутри дуги в плазме развивается температура от 6000 до 10000 °С. Высоковольтная дуга имеет характерную голубоватую окраску, подчеркиваемую свечением ионов меди, испаряемой с поверхности пружин контактов. При работе на постоянном токе с поверхности контактов-анодов металлы испаряются и осаждаются на контактах-катодах, вследствие чего оба контакта реле постепенно теряют форму и разрушаются. Уменьшение зазора между контактами облегчает появление дуги при дальнейших коммутациях. Побочным эффектом испарения контактов является осаждение паров металлов на изолирующие элементы реле, что снижает электрическую прочность изоляции и в итоге приводит к замыканиям между контактами. Основной причиной появления электрической дуги является размыкание цепей с большими индуктив-ностями и с большими напряжениями самоиндукции, возникающей при резком прекращении тока через катушку индуктивности.

Сила Лоренца. Вектор магнитной индукции.

Действие магнитного поля на движущиеся заряженные частицы. Действие магнитного поля на проводник с током означает, что магнитное поле действует на движущиеся электрические заряды. Найдем силу, действующую на электрический заряд q при его движении в однородном магнитном поле с индукцией  .    Сила тока I в проводнике связана с концентрацией n свободных заряженных частиц, скоростью   их упорядоченного движения и площадью S поперечного сечения проводника следующим выражением:

,(52.1)

где q — заряд отдельной частицы.    Подставляя уравнение (52.1) в уравнение (51.4), получим

 .

Так как произведение nSl равно числу свободных заряженных частиц в проводнике длиной l

N = nSl,

то сила, действующая со стороны магнитного поля на одну заряженную частицу, движущуюся со скоростью   под углом   к вектору   индукции, равна

.(52.2)

Эту силу называют силой Лоренца.    Направление вектора силы Лоренца   определяется правилом левой руки, в нем за направление тока нужно брать направление вектора скорости положительного заряда (рис. 186). Для случая движения отрицательно заряженных частиц четыре пальца следует располагать противоположно направлению вектора скорости.

Вектор магнитной индукции - это основная силовая характеристика магнитного поля (обозначается В). Пробный контур, помещенный в магнитное поле, испытывает со стороны магнитного поля действие вращающего момента сил М

Сила Ампера.

Сила Ампера это та сила, с которой магнитное поле действует на проводник, с током помещённый в это поле. Величину этой силы можно определить с помощью закона Ампера. В этом законе определяется бесконечно малая сила для бесконечно малого участка проводника. Что дает возможность применять этот закон для проводников различной формы.