Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению.

Сила тока зависит от трех вели­чин: ЭДС ε, сопротивлений R и rвнешнего и внутреннего участков цепи. Внутреннее сопротивление ис­точника тока не оказывает заметного влияния на силу тока, если оно мало по сравнению с сопротивлением внешней части цепи (R»г). При этом напряжение на зажимах источ­ника приблизительно равно ЭДС: U=IR≈ε

При коротком замыкании, когда R 0, сила тока в цепи определяет­ся именно внутренним сопротивле­нием источника и при электродви­жущей силе в несколько вольт мо­жет оказаться очень большой, если rмало (например, у аккумулятора r≈0,1—0,001 Ом). Провода могут расплавиться, а сам источник выйти из строя.

Если цепь содержит несколько последовательно соединенных эле­ментов с ЭДС ε₁, ε₂ и т.д., то полная ЭДС цепи равна алгебраи­ческой сумме ЭДС отдельных эле­ментов. Для определения знака ЭДС любого источника нужно вначале условиться относительно выбора по­ложительного направления обхода контура. На рисунке 2 положи­тельным (произвольно) считают на­правление обхода против часовой стрелки.

Если при обходе цепи переходят от отрицательного полюса источника к положительному, то ЭДС ε >0. Сторонние силы внутри источника совершают при этом положительную работу. Если же при обходе цепи переходят от положительного по­люса источника к отрицательному, то ЭДС будет отрицательной. Сторон­ние силы внутри источника совершают отрицательную работу. Так, для цепи, изображенной на рисун­ке 2, при обходе контура против часовой стрелки

 

Если ε>0, то согласно формуле (4) сила тока I>0, т.е. направ­ление тока совпадает с направлением обхода контура. При ε<0, наобо­рот, направление тока противопо­ложно направлению обхода контура. Полное сопротивление цепи R_n равно сумме всех сопротивлений: R_n =R+r₁+r₂+r₃

 

Сила тока в замкнутой цепи равна ЭДС цепи, деленной на ее полное сопротивление.

 

 

Рис№1

 

Рис№2

 

 

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Неподвижные электрические заряды создают вокруг себя электрическое поле. Движущиеся заряды создают, кроме того, магнитное поле. Его мы и начнем изучать.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТОКОВ. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Движущиеся заряды образуют электрический ток. Следовательно, магнитное Поле – это поле, создава­емое электрическим током. Оно осу­ществляет взаимодействие электри­ческих токов.

Между неподвижными электриче­скими зарядами действуют силы, определяемые законом Кулона. Сог­ласно теории близкодействия это взаимодействие осуществляется так: каждый из зарядов создает электри­ческое поле, которое действует на другой заряд, и наоборот.

Однако между электрическими зарядами могут существовать силы и иной природы. Их можно обнару­жить с помощью следующего опыта.

Возьмем два гибких проводника, укрепим их вертикально, а затем присоединим нижними концами к полюсам источника тока (рис. 1). Притяжения или отталкивания про­водников при этом не обнаружится. Но если другие концы проводников замкнуть проволокой так, чтобы впроводниках возникли токи противо­положного направления, то провод­ники начнут отталкиваться друг от друга, в случае токов одного направления проводники при­тягиваются (рис. 3).

Взаимодействия между провод­никами с током, т. е. взаимодействия между движущимися электрически­ми зарядами, называют магнитными. Силы, с которыми проводники с то­ком действуют друг на друга, назы­вают магнитными силами.С магнит­ными взаимодействиями вы знако­мились в курсе физики VIII класса. В X классе мы будем изучать эти взаимодействия более подробно.

Магнитное поле.Согласно теории близкодействия ток в одном из про­водников не может непосредственно действовать на ток в другом про­воднике.

Подобно тому, как в пространст­ве, окружающем неподвижные элек­трические заряды, возникает элек­трическое поле, в пространстве, ок­ружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.

Электрический ток в одном из проводников создает вокруг себя магнитное поле, которое действует на ток во втором проводнике. А по­ле, созданное электрическим током второго проводника, действует на первый.

Магнитное поле представляет со­бой особую форму материи, посред­ством которой осуществляется взаи­модействие между движущимися электрически заряженными части­цами.

Перечислим основные свойства магнитного поля, устанавливаемые экспериментально:

1. Магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами).

2. Магнитное поле обнаружива­ется по действию на электрический ток (движущиеся заряды).

Подобно электрическому полю, магнитное поле существует реально, независимо от нас, от наших знаний о нем. Экспериментальным доказа­тельством реальности магнитного поля, как и реальности электриче­ского поля, является факт существо­вания электромагнитных волн.

Замкнутый контур с током в маг­нитном поле.Для изучения магнит­ного поля можно взять замкнутый контур малых (по сравнению с рас­стояниями, на которых магнитное поле заметно изменяется) размеров. Например, можно взять маленькую плоскую проволочную рамку произ­вольной формы (4). Подво­дящие ток проводники нужно рас­положить близко друг к другу или сплести вместе. Тогда результирую­щая сила, действующая со стороны магнитного поля на эти проводники, будет равна нулю.

Выяснить характер действия маг­нитного поля на контур с током можно с помощью следующего опыта.

Подвесим на тонких гибких про­водниках, сплетенных вместе, ма­ленькую плоскую рамку, состоящую из нескольких витков проволоки. На расстоянии, значительно большем размеров рамки, вертикально распо­ложим провод (рис. 5). При пропускании электрического тока че­рез провод и рамку рамка повора­чивается и располагается так, что провод оказывается в плоскости рамки (рис. 6). При изменении направления тока в проводе рамка повернется на 180°.

Из курса физики VIII класса известно, что магнитное поле созда­ется не только электрическим током, но и постоянными магнитами. Если мы подвесим на гибких проводах рамку с током между полюсами маг­нита, то рамка будет поворачиваться до тех пор, пока плоскость ее не установится перпендикулярно к ли­нии, соединяющей полюсы магнита (рис. 7). Таким образом, магнит­ное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие.

Движущиеся заряды (электриче­ский ток) создают магнитное поле. Обнаруживается магнитное поле по действию на электрический ток.

 

 

Рис№1 Рис№2 Рис№3

 

 

Рис№4 Рис№5 Рис№6

 

Рис№7

ВЕКТОР МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ. ЛИНИИ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ.

Электрическое поле характеризу­ется векторной величиной — напря­женностью электрического поля: На­до ввести величину, характеризую­щую магнитное поле количественно. Дело это непростое, так как магнит­ные взаимодействия сложнее элек­трических. Характеристику магнит­ного поля называют вектором магнитной индукции и обозначают бук­вой . Сначала мы рассмотрим .только направление вектора .

Магнитная стрелка.Мы видели, что в магнитном поле рамка с током на гибком подвесе, со стороны кото­рого не действуют силы упругости, препятствующие ориентации рамки, поворачивается до тех пор, пока не установится определенным образом. Из курса VIII класса известно, что так же ведет себя и магнитная стрел­ка. Магнитная стрелка представляет собой маленький продолговатый маг­нит с двумя полюсами на концах: южным S и северным N.

Направление вектора магнитной индукции.Ориентирующее действие магнитного поля на магнитную стрелку или рамку с током можно использовать для определения на­правления вектора магнитной индук­ции.

За направление вектора магнит­ной индукции принимается направ­ление от южного полюса Sк север­ному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном по­ле. Это направление совпадает с направлением положительной нор­мали к замкнутому контуру с током(рис. 1).

Положительная нормаль направ­лена в ту сторону, куда перемеща­ется буравчик (с правой нарезкой), если вращать его по направлению тока в рамке (см. рис. 1).

Располагая рамкой с током или магнитной стрелкой, можно опреде­лить направление вектора магнитной индукции в любой точке поля.

На рисунках 2 и 3 показаны опыты с магнитной стрелкой, повто­ряющие опыты с рамкой.

В магнитном поле прямолинейно­го проводника с током магнитная стрелка в каждой точке устанавливается по касательной к окружности (см. рис. 3). Плоскость окружно­сти перпендикулярна проводу, а центр ее лежит на оси провода. Направле­ние вектора магнитной индукции устанавливают с помощью правила буравчика, которое состоит в сле­дующем: если направление поступа­тельного движения буравчика совпа­дает с направлением тока в провод­нике, то направление вращения руч­ки буравчика совпадает с направле­нием вектора магнитной индукции.

Опыт по определению направле­ния вектора индукции магнитного поля Земли проводит каждый, кто ориентируется на местности по ком­пасу.

Линиимагнитной индукции.Наг­лядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые линии магнитной индук­ции. Линиями магнитной индукции называют линии, касательныек ко­торым направлены так же, как и вектор В в данной точке поля(рис. 4). Вэтом отношении линии магнитной индукции аналогичны ли­ниям напряженности электростати­ческого поля.

Построим линии магнитной ин­дукции для магнитного поля прямо­линейного проводника с током. Из приведенных ранее опытов следует, что линии магнитной индукции в данном случае — концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной этому проводнику с током (рис. 5). Центр окружно­стей находится на оси проводника. Стрелки на линиях указывают, в какую сторону направлен вектор магнитной индукции, касательный к данной линии.

Приведем картину магнитного поля катушки с током (соленоида). Картина линий магнитной индукции, построенная с помощью магнитных стрелок или малых контуров с то­ком, показана на рисунке 6 (со­леноид дан в разрезе). Если длина соленоида много больше его диа­метра, то магнитное поле внутри соленоида можно считать однород­ным. Линии магнитной индукции та­кого поля параллельны.

Картину линий магнитной индук­ции можно сделать видимой, вос­пользовавшись мелкими железными опилками. С этим методом вы уже знакомы из курса физики VIII класса.

В магнитном поле каждый кусо­чек железа, насыпанный на лист картона, намагничивается и ведет себя как маленькая магнитная стрел­ка. Наличие большого количества таких стрелок позволяет в большем числе точек определить направление магнитного поля и, следовательно, более точно выяснить расположение линий магнитной индукции. Некото­рые из картин магнитного поля при­ведены на рисунках 7—8.

Вихревое поле.Важная особен­ность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты. Вспомним, что с электро­статическим полем дело обстоит иначе. Его силовые линии во всех слу­чаях имеют источники: они начина­ются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.

Поля с замкнутыми силовыми ли­ниями называют вихревыми. Маг­нитное поле — вихревое поле.

Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фун­даментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобных элек­трическим, в природе нет.

Мы научились с каждой точкой магнитного поля связывать опреде­ленное направление - направление вектора магнитной индукции. Это направление указывает магнитная стрелка или нормаль к маленькому, контуру с током. Выяснили, что маг­нитное поле не имеет источников магнитных зарядов нет.

 

 

 

Рис№1 Рис№2 Рис№3

 

 

Рис№4

 

Рис№5 Рис№6

 

 

Рис№7 Рис№8

 

 

МОДУЛЬ ВЕКТОРА МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ СИЛА АМПЕРА.

Пока мы умеем находить только направление вектора магнитной ин­дукции В. Надо научиться опреде­лять модуль В. Это необходимо для решения главной задачи: сформули­ровать закон, определяющий силу, которая действует на проводник с током со стороны магнитного поля.

 

Магнитное поле действует на все участки проводника с током. Зная силу, действующую на каждый ма­лый участок проводника, можно вы­числить силу, действующую на весь замкнутый проводник в целом. Закон, определяющий силу, действующую на отдельный участок проводника (элемент тока), был установлен в 1820 г. А. Ампером. Так как создать обособленный элемент тока нельзя, то Ампер проводил опыты с замкнутыми проводниками. Меняя форму проводников и их расположе­ние, Ампер сумел установить выражение для силы, действующей на отдельный элемент тока.

Модуль вектора магнитной ин­дукции.Выясним экспериментально, от чего зависит сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Это позволит нам дать опре­деление модуля вектора магнитной индукции, а затем найти силу Ампе­ра. Действие магнитного поля на проводник с током будем изучать на установке, изображенной на ри­сунке 1.

Свободно подвешенный горизон­тально проводник находится в поле постоянного подковообразного маг­нита. Поле магнита сосредоточено в основном между его полюсами, поэтому магнитная сила действует практически только на часть провод­ника длиной ∆l, расположенную не­посредственно между полюсами. Си­ла измеряется с помощью специаль­ных весов, связанных с проводником двумя стерженьками. Она направле­на горизонтально перпендикулярно проводнику и линиям магнитной индукции.

Увеличивая силу тока в 2 раза, можно заметить, что и действующая на проводник сила также увеличи­вается в 2 раза. Прибавив еще один магнит, мы в 2 раза увеличим раз­меры области, где существует маг­нитное поле, и тем самым в 2 раза увеличим длину части проводника, на которую действует магнитное по­ле. Сила при этом также увеличи­вается в 2 раза. И наконец, сила Ампера зависит от угла, образован­ного вектором В с проводником. В этом можно убедиться, меняя наклон подставки, на которой нахо­дятся магниты, так, чтобы изменял­ся угол между проводником или­ниями магнитной индукции. Сила достигает максимального значения F_m, когда магнитная индукция пер­пендикулярна проводнику.

Итак, максимальная сила, дейст­вующая на участок проводника дли­ной ∆l, по которому идет ток, прямо пропорциональна произведению силы тока I на длину участка ∆l:F_m~I∆l

Этот опытный факт можно ис­пользовать для определения модуля вектора магнитной индукции. В са­мом деле, поскольку F_m~IS∆l, то отношение не будет зависеть ни от силы тока в проводнике, ни от длины участка проводника. Именно поэтому это отношение можно при­нять за характеристику магнитного поля в том месте, где расположен участок проводника.

Модулем вектора магнитной ин­дукции назовем отношение макси­мальной силы, действующей со сто­роны магнитного поля на участок Проводника с током, к произведению силы тока надлину этогоучастка:

(1)

Магнитное поле полностью ха­рактеризуется вектором магнитной индукции В. В каждой точке маг­нитного поля могут быть определены направление вектора магнитной ин­дукции и его модуль с помощью измерения силы, действующей на участок проводника с током.

Закон, определяющий магнитную индукцию малого элемента тока, довольно сложен, и мы его рассмат­ривать не будем.

Модуль силы Ампера.Пусть век­тор магнитной индукции В состав­ляет угол α(рис. 1) с направлением отрезка проводника с током (элементом тока). (За направление элемента тока принимают направле­ние, в котором по проводнику течет ток,) Опытпоказывает, что магнит­ное поле, вектор индукции которого направлен вдоль проводника с то­ком, не оказывает никакого действия на ток. Поэтому модуль силы зави­сит лишь от модуля составляющей вектора , перпендикулярной про­воднику, т.е.B_┴ от =B sinα, и не зависит от составляющей B_|| на­правленной вдоль проводника.

Максимальная сила Ампера со­гласно (1) равна:

F_m = I∆lB,

ей соответствует . При произ­вольном значении угла а сила про­порциональна не В, а составляющей В_┴=В sinα. Поэтому выражение для модуля силы F, действующей на малый отрезок проводника ∆l, по которому течет ток I, со стороны магнитного поля с индукцией B |с. 137 , со­ставляющей с элементом тока угол а, имеет вид:

(2)

Это выражение называют зако­ном Ампера.

Сила Ампера равна произведе­нию вектора магнитной индукции на силу тока, длину участка проводни­каи на синус угла между магнитной индукцией и участкам проводника.

Направление силыАмпера. В рассмотренном выше опыте вектор F перпендикулярен элементу тока и вектору . Его направление опреде­ляется правилом левой руки: если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная к провод­нику составляющая вектора магнит­ной индукции входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90°, Большой палец покажет направление силы, дейст­вующей на отрезок проводника (рис. 2).

Это правило справедливо во всех случаях.

Единица магнитной индукции. Мы ввели новую величину — маг­нитную индукцию. Теперь надо ука­зать для нее единицу. За единицу магнитной индукции можно принять магнитную индукцию однородного поля, в котором на участок провод­ника длиной 1 м при силе тока в нем 1 А действует со стороны поля максимальная сила F_m = l H. Сог­ласно формуле (1) 1 ед. магнитной индукции =

Единица магнитной индукции по­лучила название тесла (Тл) в честь югославского ученого-электротехни­ка Н. Тесла (1856—1943).

Опираясь на измерение силы, действующей со стороны магнитно­го поля на участок проводника с то­ком, мы определили модуль вектора магнитной индукции. Затем был сформулирован закон Ампера для си­лы, действующей на участок провод­ника с током в магнитном поле.

 

 

Рис№1 Рис№2 Рис№3 Рис№4

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ.

Ориентирующее действие маг­нитного поля на контур с током используют в электроиз­мерительных приборах магнитоэлек­трической системы — амперметрах и вольтметрах.

Измерительный прибор магнито­электрической системы устроен сле­дующим образом (рис. 1). На легкой алюминиевой рамке 2 прямо­угольной формы с прикрепленной к ней стрелкой 4 намотана катушка. Рамка укреплена на двух полуосях 00'. В положении равновесия ее удерживают две тонкие спиральные пружины 3. Силы упругости со сто­роны пружин, возвращающие ка­тушку в положение равновесия, про­порциональны углу отклонения стрел­ки от положения равновесия. Ка­тушку помещают между полюсами постоянного магнита М с наконечниками специальной формы. Внутри катушки расположен цилиндр из мягкого железа 1. Такая конструк­ция обеспечивает радиальное на­правление линий магнитной индук­ции в той области, где находятся витки катушки (рис. 2). В резуль­тате при любом положении катушки силы, действующие на нее со сторо­ны магнитного поля, максимальны и при неизменной силе тока постоян­ны. Векторы F и —F изображают силы, действующие на катушку со стороны магнитного поля и повора­чивающие ее. Катушка с током по­ворачивается до тех пор, пока силы упругости со стороны пружины не уравновесят силы, действующие на рамку со стороны магнитного поля. Увеличивая силу тока в 2 раза, мы обнаружим, что стрелка поворачива­ется на угол, вдвое больший, и т. д. Это происходит потому, что силы, действующие на катушку со стороны магнитного поля, прямо пропорцио­нальны силе тока: F_m~I. Благодаря этому можно определить силу тока по углу поворота катушки, если проградуировать прибор. Для этого на до установить, каким углам поворо­та стрелки соответствуют известные значения силы тока.

Такой же прибор может изме­рять напряжение. Для этого нужно градуировать прибор так, чтобы угол поворота стрелки соответствовал определенным значе­ниям напряжения. Кроме того, соп­ротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления ампер­метра.

Обязательно загляните внутрь измерительного прибора и найдите все элементы его устройства, о ко­торых шла речь.

 

Рис№1 Рис№2

ПРИМЕНЕНИЯ ЗАКОНА АМПЕРА. ГРОМКОГОВОРИТЕЛЬ

Зная направление и модуль силы, действующей на любой участок про­водника с током, можно вычислить силу, действующую на весь замкну­тый проводник. Для этого надо най­ти сумму сил, действующих на каж­дый участок проводника с током.

Закон Ампера используют для расчета сил, действующих на про­водники с током, во многих техни­ческих устройствах, в частности в электродвигателях. Об электродви­гателях было рассказано в курсе фи­зики VIII класса. Сейчас посмотрим, как устроен и работает громкогово­ритель.

Громкоговоритель служит для возбуждения звуковых волн под дей­ствием переменного электрического тока, меняющегося со звуковой час­тотой. В электродинамическом гром­коговорителе (динамике) используется действие магнитного поля по­стоянного магнита на переменный ток в подвижной катушке.

Схема устройства громкоговори­теля показана на рисунке. Зву­ковая катушка З.К. располагается в зазоре кольцевого магнита М. С катушкой жестко связан бумажный конус — диафрагма D. Диафраг­ма укреплена на упругих подвесах, позволяющих ей совершать вынуж­денные колебания вместе с подвиж­ной катушкой.

По катушке протекает перемен­ный электрический ток с частотой, равной звуковой частоте от микро­фона или с выхода радиоприемника, проигрывателя, магнитофона. Под действием силы Ампера катушка колеблется вдоль оси громкоговорителя 00₁ (см. рис. 1) в такт с колебаниями тока. Эти колебания передаются диафрагме, и поверхность диафрагмы излучает звуковые волны.

Первоклассные громкоговорители воспроизводят без значительных ис­кажений звуковые колебания в диа­пазоне 40—15 000 Гц. Но такие устройства очень сложны. Поэтому применяют системы из нескольких громкоговорителей, каждый из кото­рых воспроизводит звук в опреде­ленном небольшом интервале частот.

Общим недостатком всех громко­говорителей является малый КПД. Они излучают лишь 1—3% всей подводимой к ним энергии.

Звук в радиоприемнике, проигрывателе и магнитофоне возникает бла­годаря движению катушки с током в поле постоянного магнита.

 

 

ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ДВИЖУЩИЙСЯ ЗАРЯД. СИЛА ЛОРЕНЦА

Электрический ток—это сово­купность упорядочений движущихсянаряженных частиц. Поэтому дейст­вие магнитного поля на проводник с током есть результат действия поля на движущиеся заряженные части­цы внутри проводника. Найдем си­лу, действующую на одну частицу.

Силу, действующую на движу­щуюся заряженную частицу со сто­роны магнитного поля, называют силой Лоренца в честь великого голландского физика X. Лоренца (1853—1928), основателя электрон­ной теории строения вещества. Эту силу можно найти с помощью за­кона Ампера.

Модуль силы Лоренца равен от­ношению модуля силы F, действую­щей на участок проводника длиной ∆l, к числу N заряженных частиц, упорядочений движущихся на этом участке проводника:

 

(1)

 

Рассмотрим отрезок тонкого пря­мого проводника с током (показан на рис. 1).

Пусть длина отрезка ∆l и площадь поперечного сечения проводника S настолько малы, что вектор индук­ции магнитного поля можно счи­тать неизменным в пределах этого отрезка проводника. Сила тока I в проводнике связана с зарядом частиц q, концентрацией заряжен­ных частиц (числом зарядов в еди­нице объема) и скоростью их упо­рядоченного движения v следующей формулой:

I = qnvS. (2)

Модуль силы, действующей со стороны магнитного поля на выбран­ный элемент тока, равен:

F=|I| MB sin а.

Подставляя сюда выражение (9.4) для силы тока, получим:

F = |q|nvS∆lBsin а = v|q|NBВ sin а

где N = nS∆l — число заряженных частиц в рассматриваемом объеме. Следовательно, на каждый движу­щийся заряд со стороны магнитного поля действует сила Лоренца, рав­ная:

(3)

где α— угол между вектором ско­рости и вектором магнитной индук­ции. Сила Лоренца перпендикулярна векторам В и у, и ее направление определяется с помощью того же правила левой руки, что и направ­ление силы Ампера.

Если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнит ной индукции В, перпендикулярнаяскорости заряда, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены подвижению положительного заря­да (против движения отрицательно­го), то отогнутый на 90° большой палец покажет направление дейст­вующей на заряд силы Лоренца F_a (рис. 2).

Электрическое поле действует на заряд q с силой F_эл = qE. Следова­тельно, если есть и электрическое поле и магнитное, то полная сила F, действующая на заряд, равна:

Так как сила Лоренца перпенди­кулярна скорости частицы, то она не совершает работу. Согласно тео­реме о кинетической энергии (см. учебник физики для IX класса) это означает, что сила Лоренца не ме­няет кинетическую энергию части­цы и, следовательно, модуль ее скорости. Под действием силы. Ло­ренца меняется лишь направление скорости частицы.

Наблюдение действия силы Ло­ренца.Действие силы Лоренца на движущиеся электроны можно наб­людать, поднося электромагнит (или постоянный магнит) к электронно­лучевой трубке. Меняя ток в элект­ромагните, можно заметить, что от­клонение электронного луча растет сувеличением модуля вектора маг­нитной индукции В поля. При изме­нении направления тока в электро­магните отклонение луча происходит в противоположную сторону.

Зависимость силы Лоренца от угла а между векторами В и v можно обнаружить, наблюдая сме­щение электронного луча при изме­нении угла между осью магнита и осью электронно-лучевой трубки.

Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле.Рас­смотрим движение частицы с заря­дом q в однородном магнитном поле В, направленном перпендику­лярно к начальной скорости части­цы v (рис.3). Сила Лоренца за­висит от модулей скорости частицы и индукции магнитного поля. Так как магнитное поле не меняет мо­дуль скорости движущейся частицы, то остается неизменным и модуль силы Лоренца. Эта сила перпенди­кулярна скорости и, следовательно, определяет центростремительное ус­корение частицы. Неизменность по модулю центростремительного уско­рения частицы, движущейся с по­стоянной по модулю скоростью, означает, что частица равномерно движется по окружности радиусом г. Определим этот радиус.

Согласно второму закону Ньюто­на (см. рис. 3)

Отсюда

(4)

Применение силы Лоренца.Дей­ствие магнитного поля на движу­щийся заряд широко используют в современной технике. Достаточно упомянуть телевизионные трубки (кинескопы), в которых летящие к экрану электроны отклоняются с помощью магнитного поля, созда­ваемого особыми катушками (рис. 4).

Другое применение действие маг­нитного поля нашло в приборах, позволяющих разделять заряжен­ные частицы по их удельным заря дам, т.е. по отношениям заряда частицы к ее массе, и по получен­ным результатам точно определять массы частиц. Такие приборы полу­чили название масс-спектрографов. На рисунке 5 изображена прин­ципиальная схема простейшего масс-спектрографа.

Вакуумная камера прибора поме­щена в магнитное поле (вектор ин­дукции В перпендикулярен рисунку). Ускоренные электрическим полем заряженные частицы (электроны или ионы), описав дугу, попадают на фотопластинку, где оставляют след, позволяющий с большой точ­ностью измерить радиус траекто­рии r. По этому радиусу определя­ется удельный заряд иона. Зная же заряд иона, легко определить его массу.

На движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного по­ля действует сила Лоренца. Эта сила перпендикулярна скорости и не со­вершает работы.

 

 

 

Рис№1 Рис№2

 

 

Рис№3 Рис№4

 

Рис№5

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Магнитное поле создается не только электрическими токами, но и постоянными магнитами. Почему это - происходит? Как используются на практике магниты?

Магнитная проницаемость. По­стоянные магниты могут быть изго­товлены лишь из немногих веществ, но все вещества, помещенные в маг­нитное поле, намагничиваются, т.е. сами создают магнитное поле. Бла­годаря этому вектор магнитной ин­дукции В в однородной среде отли­чается от вектора в той же точке пространства в вакууме.

Отношение , характеризую­щее магнитные свойства среды, по­лучило название магнитной прони­цаемости среды.

Итак, в однородной среде маг­нитная индукция равна:

(1)

где µ — магнитная проницаемость данной среды.

Гипотеза Ампера. Причина, вследствие которой тела обладают магнитными свойствами, была най­дена французским ученым Ампером. Сначала под непосредственным впе­чатлением от наблюдения повора­чивающейся вблизи проводника с током магнитной стрелки в опытах Эрстеда Ампер предположил, что магнетизм Земли вызван токами, текущими внутри земного шара. Главный шаг был сделан: магнит­ные свойства тела можно объяснить циркулирующими внутри него то­ками.Далее Ампер пришел к обще­му заключению: магнитные свойства любого тела определяются замкну­тыми электрическими токами внутри него. Этот решающий шаг от воз­можности объяснения магнитных свойств тела токами к категориче­скому утверждению, что магнитные взаимодействия — это взаимодейст­вия токов,— свидетельство большой научной смелости Ампера.

Согласно гипотезе Ампера внутри молекул и атомов циркулируют эле­ментарные электрические токи. (Те­перь мы хорошо знаем, что эти токи образуются вследствие движения электронов в атомах.) Если плоско­сти, в которых циркулируют эти то­ки, расположены беспорядочно по отношению друг к другу вследствие теплового движения молекул (рис. 1, а), то их действия взаимно ком­пенсируются и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает. В на­магниченном состоянии элементар­ные токи в теле ориентированы так, что их действия складываются (рис. 1, б).

Гипотеза Ампера объясняет, по­чему магнитная стрелка и рамка (контур) с током в магнитном поле ведут себя одинаково. Стрелку можно рассматривать как совокупность маленьких контуров с током, ориентированных одинаково.

В телах с большой магнитной проницаемостью (µ » 1), называе­мых ферромагнетиками (железо, ко­бальт, никель, редкоземельные эле­менты и многие сплавы), магнитные поля, однако, создаются не вследст­вие обращения электронов вокруг ядер, а вследствие их собствен­ного вращения. Электроны всегда как бы вращаются вокруг своей оси и, обладая зарядом, создают маг­нитное поле наряду с полем, появ­ляющимся за счет их орбитального движения вокруг ядра.

Температура Кюри.При темпе­ратуре, большей некоторой опреде­ленной для данного ферромагнети­ка, ферромагнитные свойства его исчезают. Эту температуру называ­ют температурой Кюри по имени открывшего это явление француз­ского ученого. Если сильно нагреть намагниченный гвоздь, то он поте­ряет способность притягивать к себе железные предметы. Температура Кюри для железа 753 °С, для никеля 365 °С, а для кобальта 1000 °С. Су­ществуют ферромагнитные сплавы, у которых температура Кюри мень­ше 100°С.

Первые детальные исследования магнитных свойств ферромагнетиков были выполнены выдающимся рус­ским физиком А. Г. Столетовым (1839—1896).

Ферромагнетики и их примене­ние. Хотя ферромагнитных тел в природе не так уж и много, именно они имеют наибольшее практическое значение. Вставляя железный или стальной сердечник в катушку, мож­но во много раз усилить создаваемое ею магнитное поле, не увеличивая силу тока в катушке. Это экономит электроэнергию. Сердечники транс­форматоров, генераторов, электро­двигателей и т. д. изготовляют из ферромагнетиков.

Магнитная проницаемость ферро­магнетиков непостоянна. Она зави­сит от вектора магнитной индукции.

При выключении внешнего маг­нитного поля ферромагнетик оста­ется намагниченным, т.е. создает магнитное поле в окружающем про­странстве. Упорядоченная ориента­ция элементарных токов не исчезает при выключении внешнего магнитно­го поля. Благодаря этому сущест­вуют постоянные магниты.

Постоянные магниты находят широкое применение в электроиз­мерительных приборах, громкогово­рителях и телефонах, звукозаписы­вающих аппаратах, магнитных ком­пасах и т. д.

Об этом рассказано в курсе физики VIII класса.

Большое применение получили ферриты — ферромагнитные матери­алы, не проводящие электрического тока. Они представляют собой химические соединения оксидов желе­
за с оксидами других веществ. Первый из известных людям ферромаг­нитных материалов — магнитный железняк является ферритом.

Магнитная запись информации.Из ферромагнетиков изготовляют магнитные ленты и тонкие магнит­ные пленки. Магнитные ленты ши­роко используют для звукозаписи в магнитофонах и для видеозаписи в видеомагнитофонах.

Магнитная лента представляет собой гибкую основу из полихлор­винила или других веществ. На нее наносится рабочий слой в виде маг­нитного лака, состоящего из очень мелких игольчатых частиц железа или другого ферромагнетика и свя­зующих веществ.

Запись звука производят на ленту с помощью электромагнита, маг­нитное поле которого изменяется в такт со звуковыми колебаниями. При движении ленты вблизи маг­нитной головки различные участки пленки (рис. 2) намагничиваются. При воспроизведении звука наблю­дается обратный процесс: намагни­ченная лента возбуждает в магнит­ной головке электрические сигналы, которые после усиления поступают на динамик магнитофона.

Тонкие магнитные пленки состоят из слоя ферромагнитного материала толщиной от 0,03 до 10 мкм. Их применяют в запоминающих устрой­ствах электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Магнитные пленки предназначены для записи, хране­ния и воспроизведения информации. Их наносят на тонкий алюминиевый диск или барабан. Информацию записывают и воспроизводят при­мерно так же, как и в обычном магнитофоне. Запись информации в ЭВМ можно производить и на маг­нитные ленты.

Все вещества, помещенные в маг­нитное поле, создают собственное поле. Наиболее сильные поля соз­дают ферромагнетики. Из них делают постоянные магниты, так как поле ферромагнетика не исчезает после выключения намагничивающего по­ля. Ферромагнетики широко приме­няются на практике.

 

 

 

Рис№1,а Рис№1,б

 

Рис№2

 

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

В этой главе вы познакомитесь с физическими процессами, обусловливающими прохождение тока в различных средах.

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ

Электрический ток проводят твер­дые, жидкие и газообразные тела. Чем эти проводники отличаются друг, от друга?

Мы познакомились с электриче­ским током в металлических провод­никах, познакомились с установлен­ной экспериментально вольт - ампер­ной характеристикой этих проводни­ков — законом Ома. Металлические проводники находят самое широкое применение в передаче электроэнер­гии от источников тока к потреби­телям. Кроме того, эти проводники используются в электродвигателях и генераторах, электронагревательных приборах и т. д.

Наряду с металлами хорошим проводниками, т. е. веществами с большим количеством свободных за­ряженных частиц, являются водные растворы или расплавы электроли­тов и ионизованный газ — плазма. Эти проводники также широко ис­пользуются в технике.

В вакуумных электронных прибо­рах электрический ток образуют по­
токи электронов.

Кроме проводников и диэлектри­ков (веществ с небольшим количе­ством свободных заряженных частиц), имеется группа веществ, про­водимость которых занимает проме­жуточное положение между проводниками и диэлектриками. Эти веще­ства не настолько хорошо проводят электричество, чтобы их назвать проводниками, и не настолько плохо, чтобы их отнести к диэлектрикам. Поэтому они получили название по­лупроводников.

До недавнего времени полупро­водники не играли заметной практи­ческой роли. В электротехнике и радиотехнике применяли исключи­тельно различные проводники и ди­электрики. Положение существенно изменилось, можно даже сказать, что в радиотехнике произошла револю­ция, когда сначала теоретически, а затем экспериментально была откры­та и изучена легко осуществимая возможность управления электриче­ской проводимостью полупроводни­ков.

Для передачи электрической энергии по проводам применяют про­водники.

Полупроводники применяют в ка­честве элементов, преобразующих ток в радиоприемниках, вычисли­тельных машинах и т.д.

ЭЛЕКТРОННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ МЕТАЛЛОВ

 

Начнем с металлических провод­ников. Вольт - амперная характери­стика этих проводников нам извест­на, но пока ничего не говорилось о ее объяснении с точки зрения молекулярно кинетической теории.

Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Их концентрация велика порядка 10²⁸ 1/м³. Эти электроны участвуют в беспорядочном тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают перемещаться упоря­дочение со средней скоростью по­рядка 10 ^-4 м/с.

Экспериментальное доказательст­во существования свободных элект­ронов в металлах. Эксперименталь­ное доказательство того, что прово­димость металлов обусловлена дви­жением свободных электронов, было дано в опытах Л. И. Мандель­штама и Н. Д. Папалекси (1913 г.), Б. Стюартом и Р. Толменом (1916 г.). Схема этих опы­тов такова.

На катушку наматывают прово­локу, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изоли­рованным друг от друга (рис. 1). К концам дисков при помощи сколь­зящих контактов присоединяют галь­ванометр.

Катушку приводят в быстрое дви­жение, а затем резко останавливают. После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы не­которое время движутся относитель­но проводника по инерции, и, следо­вательно, в катушке возникнет элект­рический ток. Ток существует незна­чительное время, так как из-за со­противления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, образующее ток, прекращается.

Направление тока говорит о том, что он создается движением отрица­тельно заряженных частиц. Перено­симый при этом заряд пропорциона­лен отношению заряда частиц, со­здающих ток, к их массе, т.е. |q|/m.Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за время су­ществования тока в цепи, удалось определить это отношение. Оно ока­залось равным 1,8- 10¹¹ Кл/кг. Эта величина совпадает с отноше­нием заряда электрона к его массе е/m, найденным ранее из других опы­тов.

Движение электронов в металле. Электроны под влиянием постоянной силы, действующей на них со сторо­ны электрического поля, приобрета­ют определенную скорость упорядо­ченного движения. Эта скорость не увеличивается в дальнейшем со вре­менем, так как со стороны ионов кристаллической решетки на элект­роны действует некоторая тормозя­щая сила. Эта сила подобна силе сопротивления, действующей на ка­мень, когда он тонет в воде В ре­зультате средняя скорость упорядо­ченного движения электронов про­порциональна напряженности элект­рического поля в проводнике v~E и, следовательно, разности потенциалов на концах проводника, так как , где l—длина проводника.

Мы знаем, что сила тока в про­воднике пропорциональна скорости упорядоченного движения частиц. Поэтому можем сказать, что сила тока пропорцио­нальна разности потенциалов на кон­цах проводника: I~U. В этом состоит качественное объяснение закона Ома на основе электронной теории проводимости металлов.

Построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе за­конов классической механики невоз­можно. Дело в том, что условия дви­жения электронов в металле таковы, что классическая механика Ньютона неприменима для описания этого движения. Наиболее наглядно это видно из следующего примера.

Если экспериментально опреде­лить среднюю кинетическую энергию теплового движения электронов в металле при комнатной температуре и найти соответствующую этой энер­гии температуру, но формуле , то получим температуру по­рядка 10⁵—10⁵ К. Такая температура существует внутри звезд. Движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики.

Экспериментально доказано, что носителями свободных зарядов в ме­таллах являются электроны. Под действием электрического поля эле­ктроны движутся с постоянной сред­ней скоростью из-за торможения со стороны кристаллической решетки. Скорость упорядоченного движения прямо пропорциональна - напряжен­ности поля в проводнике.

 

 

 

Рис№1

 

 

ЗАВИСИМОСТЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Различные вещества имеют раз­личные удельные сопротивления. Зависит ли сопротивление от состояния проводника; от его темпе­ратуры? Ответ должен дать опыт.

Если пропустить ток от аккуму­лятора через стальную спираль, а затем начать нагревать ее в пламени горелки, то амперметр покажет уменьшение силы тока. Это означа­ет, что с изменением температуры сопротивление проводника меняется.

Если при температуре, равной 0° С, сопротивление проводника рав­но Ro, а при температуре t оно равно R, то относительное изменение со­противления, как показывает опыт, прямо пропорционально изменению температуры t:

(1)

 

Коэффициент пропорционально­сти а называют температурным ко­эффициентом сопротивления. Он ха­рактеризует зависимость сопротив­ления вещества от температуры. Температурный коэффициент сопро­тивления численно равен относи­тельному изменениюсопротивления проводника при нагревании на 1 К. Для всех металлических проводни­ков α>0 и незначительно меняется сизменением температуры. Если интервал изменения температуры не­велик, то температурный коэффи­циент можно считать постоянным и равным его среднему значению на этом интервале температур. У чистых

металлов . Растворов электролитов сопротивление с ростом температуры не увеличивается, а уменьшается. Для них α<0. На пример, для 10%-ного раствора по­варенной соли а =-0,02 К^-1.

При нагревании проводника его геометрические размеры меняются незначительно. Сопротивление про­водника меняется в основном за счет изменения его удельного сопротив­ления. Можно найти зависимость этого удельного сопротивления от температуры, если в формулу (1)подставить значения И R_o = Вычисления приводят к сле­дующему результату:

(2)

Так, как а мало меняется при изменении температуры проводника, то можно считать, что удельное со­противление проводника линейно за­висит от температуры (рис. 1). Хотя коэффициент а довольно мал, учет зависимости сопротивления от температуры при расчете нагрева­тельных приборов совершенно необ­ходим. Так, сопротивление вольфра­мовой нити лампы накаливания уве­личивается при прохождении по ней тока более чем в 10 раз.

У некоторых сплавов, например у сплава меди с никелем (константана), температурный коэффициент сопротивления очень мал: α≈10^-5К-1. удельное сопротивление константана велико: ρ≈ 10^-6 Ом∙м. Такие сплавы используют для изго­товления эталонных сопротивлений и добавочных сопротивлений к из­мерительным приборам, т. е. в тех случаях, когда требуется, чтобы со­противление заметно не менялось при колебаниях температуры.

Зависимость сопротивления металлов от температуры используют в термометрах сопротивления. Обыч­но в качестве основного рабочего элемента такого термометра берут платиновую проволоку, зависимость сопротивления которой от темпера­туры хорошо известна. Об измене­ниях температуры судят по измене­нию сопротивления проволоки, кото­рое можно измерить. Такие термометры позволяют измерять очень низкие и очень высокие температуры, когда обычные жидкостные термо­метры непригодны.

Удельное сопротивление металлов растет линейно с увеличением тем­пературы. У растворов электролитов оно уменьшается при увеличении температуры.

 

. Рис№1
СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

Сопротивление проводников зависит от температуры. Сопротивле­ние металлов уменьшается с умень­шением температуры. Что произойдет при стремлении температуры к абсо­лютному нулю?

В 1911 г. голландский физик Камерлинг-Оннес открыл замечатель­ное явление — сверхпроводимость. Он обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии ее сопротив­ление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4,1 К очень резко падает до нуля (рис. 1). Это явление было названо сверх­проводимостью. Позже было открыто много других сверхпроводников.

Сверхпроводимость наблюдается при очень низких температурах — около 25 К- В таблице на форзаце приведены температуры пере­хода в сверхпроводящее состояние некоторых веществ.

Если в кольцевом проводнике, находящемся в сверхпроводящем со­стоянии, создать ток, а затем устра­нить источник электрического тока, то сила этого тока не меняется сколь угодно долго. В обычном же не сверх - проводящем проводнике электриче­ский ток в этом случае прекращается.

Сверхпроводники находят широ­кое применение. Так, сооружают мощные электромагниты со сверх­проводящей обмоткой, которые со­здают магнитное поле на протяже­нии длительных интервалов времени без затрат энергии. Ведь выделения теплоты в сверхпроводящей обмотке не происходит.

Однако получить сколь угодно сильное магнитное поле с помощью сверхпроводящего магнита нельзя. Очень сильное магнитное поле раз­рушает сверхпроводящее состояние. Такое поле может быть создано то­ком в самом сверхпроводнике. По­этому для каждого проводника в сверхпроводящем состоянии сущест­вует критическое значение силы тока, превзойти которое, не нарушая сверхпроводящего состояния, нельзя.

Сверхпроводящие магниты ис­пользуются в ускорителях элемен­тарных частиц, магнитогидродинамических генераторах, преобразую­щих механическую энергию струи раскаленного ионизованного газа, движущегося в магнитном поле, в электрическую энергию.

Если бы удалось создать сверх­проводящие материалы при темпера­турах, близких к комнатным, то была бы решена важнейшая техническая проблема — передача энергии по проводам без потерь. В настоящее время физики работают над ее ре­шением.

Объяснение сверхпроводимости возможно только на основе кванто­вой теории. Оно было дано лишь в 1957 г. американскими учеными Дж. Бардиным, Л. Купером, Д ж. Ш риффе ром и советским ученым академиком Н. Н. Боголю­бовы м. В 1986 г. была открыта высоко­температурная сверхпроводимость. Получены сложные оксидные соеди­нения лантана, бария и других эле­ментов (керамики) с температурой перехода в сверхпроводящее состоя­ние около 100 К. Это выше темпе­ратуры кипения жидкого азота при атмосферном давлении.

Высокотемпературная сверхпро­водимость в недалеком будущем приведет наверняка к новой техни­ческой революции во всей электро­технике, радиотехнике, конструиро­вании ЭВМ. Сейчас прогресс в этой области тормозит необходимость ох­лаждения проводников до темпера­тур кипения дорогого газа—гелия.

Надо надеяться, что удастся создать сверхпроводники при ком­натной температуре. Генераторы и электродвигатели станут исключи­тельно компактными (уменьшатся в несколько раз) и экономичными. Электроэнергию можно будет пере­давать на любые расстояния без по­терь и аккумулировать в простых устройствах.

Многие металлы и сплавы при температурах ниже 25 К полностью теряютсопротивление — становятся сверхпроводниками.

Недавно была открыта высоко­температурная сверхпроводимость.

Рис№1

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

В чем главное отличие полу­проводников от проводников? Ка­кие особенности строения полупро­водников открыли им доступ во все радиоустройства, телевизоры и ЭВМ?

Наиболее отчетливо полупровод­ники отличаются от проводников ха­рактером зависимости электропрово­димости от температуры. Измерения показывают, что у ряда элементов (кремний, германий, селен и др.) и соединений (PbS, CdS и др.) удель­ное сопротивление с увеличением температуры не растет, как у метал­лов, а, наоборот, чрезвычайно резко уменьшается. Такие вещества и называют полупроводниками.

Из графика, изображенного на этом рисунке, видно, что при темпе­ратурах, близких к абсолютному ну­лю, удельное сопротивление полупро­водников очень велико. Это означает, что при низких температурах полу­проводник ведет себя как диэлектрик. По мере повышения температуры удельное сопротивление быстро уменьшается.

Строение полупроводников. Для того чтобы включить транзисторный приемник, знать ничего не надо. Но чтобы его создать, надо было знать очень много и обладать незаурядным талантом. Понять же в общих чертах, как работает транзистор, не так уж и трудно. Сначала надо познако­миться с механизмом проводимости в полупроводниках. А для этого при­дется вникнуть в природу связей, удерживающих атомы полупровод­никового кристалла друг возле друга. Для примера рассмотрим кристалл кремния.

Кремний —четырехвалентный эле­мент. Это означает, что во внешней оболочке атома имеются четыре элек­трона, сравнительно слабо связанные с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно четырем. Плоская схема структуры кристалла кремния изображена на рисунке 1.

Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью парно электронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании этой связи от каждого атома участву­ет по одному валентному электрону, ко­торые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть вре­мени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицатель­ный заряд удерживает положитель­ные ионы кремния друг возле друга.

Не надо думать, что коллективи­зированная пара электронов принад­лежит лишь двум атомам. Каждый атом образует четыре связи с со­седними, и любой валентный элект­рон может двигаться по одной из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем даль­ше вдоль всего кристалла. Валент­ные электроны принадлежат всему кристаллу.

Парно электронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэ­тому кремний при низкой температу­ре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валент­ные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает за­метного влияния на их движение. Аналогичное строение имеет крис­талл германия.

Электронная проводимость. При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается, и наступает разрыв отдельных свя­зей. Некоторые электроны по­кидают свои «проторенные пути» и становятся, свободными, подоб­но электронам в металле. В электри­ческом поле они перемещаются меж­ду узлами решетки, образуя электри­ческий ток (рис. 2).

Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них сво­бодных электронов, называют элект­ронной проводимостью. При повы­шении температуры число разор­ванных связей, а значит, и свобод­ных электронов увеличивается. При нагревании от 300 до 700 К число свободных носителей заряда увели­чивается от 10¹⁷ до 10²⁴ 1/м³. Это приводит к уменьшению сопро­тивления.

Дырочная проводимость. При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой. В дырке име­ется избыточный положительный за­ряд по сравнению с остальными, нор­мальными связями (см. рис. 2).

Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Одни из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место об­разовавшейся дырки и восстанавли­вает здесь парно электронную связь, а там, откуда перескочил этот элект­рон, образуется новая дырка. Таким образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.

Если напряженность электриче­ского поля в образце равна нулю, то перемещение дырок, равноценное перемещению положительных заря­дов, происходит беспорядочно и поэтому не создает электрического то­ка. При наличии электрического по­ля возникает упорядоченное переме­щение дырок, и, таким образом, к электрическому току свободных элек­тронов добавляется электрический ток, связанный с перемещением ды­рок. Направление движения дырок противоположно направлению дви­жения электронов. Механизм элект­ронной и дырочной проводимости по­ясняется на рисунке 3.

Итак, в полупроводниках имеют­ся носители заряда двух типов: электроны и дырки. Поэтому по­лупроводники обладают не только электронной, но и дырочной прово­димостью.

Мы рассмотрели механизм про­водимости чистых полупроводни­ков. Проводимость при этих усло­виях называют собственной проводи­мостью полупроводников.

Проводимость чистых полупро­водников (собственная проводимость) осуществляется перемещением сво­бодных электронов (электронная проводимость) и перемещением свя­занных электронов на вакантные места парно электронных связей (ды­рочная проводимость).

 

 

Рис№1 Рис№2

 

 

 

Рис№3 Рис№3 Рис№3

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ПРИ НАЛИЧИИ ПРИМЕСЕЙ

Проводимость полупро