59193-1 (Билеты по физике за весь школьный курс), страница 6

Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. За направление тока принято движение положительных зарядов. Электрические заряды могут упорядоченно двигаться под действием электрического поля. Поэтому достаточным условием существования тока является наличие поля и свободных носителей заряда. Электрическое поле может быть создано двумя соединенными разноименно заряженными телами. Отношение заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t к этому интервалу называется силой тока . Если сила тока со временем не изменяется, то ток называется постоянным. Чтобы ток существовал проводнике в течение длительного времени, необходимо, чтобы условия, вызывающие ток, были неизменными. . Силы, вызывающие перемещение заряда внутри источника тока, называются сторонним силами. В гальваническом элементе (а любая батарейка – г.э.???) ими являются силы химической реакции, в машине постоянного тока – сила Лоренца.

40. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление про­водников. Зависимость сопротивления проводников от температу­ры. Сверхпроводимость. Последовательное и параллельное соеди­нение проводников.

Отношение напряжения между концами участка электрической цепи к силе тока есть величина постоянная, и называется сопротивлением . Единица сопротивления 0 ом, сопротивлением в 1 ом обладает такой участок цепи, в котором при силе тока 1 ампер напряжение равно 1 вольту. Сопротивление прямо пропорционально длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения , где  – удельное электрическое сопротивление, величина постоянная для данного вещества при данных условиях. При нагревании удельное сопротивление металлов увеличивается по линейному закону , где ₀ – удельное сопротивление при 0 ⁰С,  – температурный коэффициент сопротивления, особый для каждого металла. При близких к абсолютному нулю температурах сопротивление веществ резко падает до нуля. Это явление называется сверхпроводимостью. Прохождение тока в сверхпроводящих материалах происходит без потерь на нагревание проводника.

Законом Ома для участка цепи называют уравнение . При последовательном соединении проводников сила тока одинакова во всех проводниках, а напряжение на концах цепи равно сумме напряжений на всех последовательно включенных проводниках. . При последовательном соединении проводников общее сопротивление равно сумме сопротивлений составляющих. При параллельном соединении напряжение на концах каждого участка цепи одинаково, а сила тока разветвляется на отдельные части. Отсюда . При параллельном подключении проводников величина, обратная общему сопротивлению равна сумме величин, обратных сопротивлениям всех параллельно включенных проводников.

41. Работа и мощность тока. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи.

Работу сил электрического поля, создающего электрический ток, называют работой тока. Работа А тока на участке с сопротивлением R за время t равна . Мощность электрического тока равна отношению работы ко времени совершения, т.е. . Работа выражается, как обычно, в джоулях, мощность – в ваттах. Если на участке цепи под действием электрического поля не совершается работа и не происходят химические реакции, то работа приводит к нагреванию проводника. При этом работа равна количеству теплоты, выделяемому проводником с током (Закон Джоуля-Ленца).

В электрической цепи работа совершается не только на внешнем участке, но и в батарее. Электрическое сопротивление источника тока называется внутренним сопротивлением r. На внутреннем участке цепи выделяется количество теплоты, равное . Полная работа сил электростатического поля при движении по замкнутому контуру равна нулю, поэтому вся работа оказывается совершенной за счет внешних сил, поддерживающих постоянное напряжение. Отношение работы внешних сил к переносимому заряду называется электродвижущей силой источника , где q – переносимый заряд. Если в результате прохождения постоянного тока произошло только нагревание проводников, то по закону сохранения энергии , т.е. . Ила тока в электрической цепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

42. Полупроводники. Электропроводимость полупроводников и ее зависимость от температуры. Собственная и примесная проводи­мость полупроводников.

Многие вещества не проводят ток так хорошо, как металлы, но в то же время не являются диэлектриками. Одним из отличий полупроводников – то, что при нагревании или освещении их удельное сопротивление не увеличивается, а уменьшается. Но главным их практически применимым свойством оказалась односторонняя проводимость. Вследствие неравномерного распределения энергии теплового движения в кристалле полупроводника некоторые атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены окружающими атомами, т.к. их валентные связи насыщены. Эти свободные электроны могут перемещаться в металле, создавая электронный ток проводимости. В то же время, атом, с оболочки которого вырвался электрон, становится ионом. Этот ион нейтрализуется за счет захвата атома соседа. В результате такого хаотического перемещения возникает перемещение места с недостающим ионом, что внешне видно как перемещение положительного заряда. Это называется дырочным током проводимости. В идеальном полупроводниковом кристалле ток создается перемещением равного количества свободных электронов и дырок. Такой тип проводимости называется собственной проводимостью. При понижении температуры количество свободных электронов, пропорциональное средней энергии атомов, падает и полупроводник становится похож на диэлектрик. В полупроводник для улучшения проводимости иногда добавляются примеси, которые бывают донорные (увеличивают число электронов без увеличения числа дырок) и акцепторные (увеличивают число дырок без увеличения числа электронов). Полупроводники, где количество электронов превышает количество дырок, называются электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа. Полупроводники, где количество дырок превышает количество электронов, называются дырочными полупроводниками, или полупроводниками р-типа.

43. Полупроводниковый диод. Транзистор.

Полупроводниковый диод состоит из p-n перехода, т.е. из двух соединенных полупроводников разного типа проводимости. При соединении происходит диффузия электронов в р-полупроводник. Это приводит к появлению в электронном полупроводнике нескомпенсированных положительных ионов донорной примеси, а в дырочном – отрицательных ионов акцепторной примеси, захвативших продиффундировавшие электроны. Между двумя слоями возникает электрическое поле. Если на область с электронной проводимостью подать положительный заряд, а на область с дырочной – отрицательный, то запирающее поле усилится, сила тока резко понизится и почти не зависит от напряжения. Такой способ включения называется запирающим, а ток, текущий в диоде – обратным. Если на область с дырочной проводимостью подать положительный заряд, а на область с электронной – отрицательный, то запирающее поле ослабится, сила тока через диод в этом случае зависит только от сопротивления внешней цепи. Такой способ включения называется пропускным, а ток, текущий в диоде – прямым.

Транзистором, он же полупроводниковый триод, состоит из двух p-n (или n-p) переходов. Средняя часть кристалла называется база, крайние – эмиттер и коллектор. Транзисторы, в которых база обладает дырочной проводимостью, называют транзисторами p-n-p перехода. Для приведения в действие транзистора p-n-p-типа на коллектор полают напряжение отрицательной полярности относительно эмиттера. Напряжение на базе при этом может быть как положительным, так и отрицательным. Т.к. дырок больше, то основной ток через переход будет составлять диффузионный поток дырок из р-области. Если на эмиттер подать небольшое прямое напряжение, то через него потечет дырочный ток, диффундирующих из р-области в n-область (базу). Но т.к. база узкая, то дырки пролетают через нее, ускоряясь полем, в коллектор. (???, что-то тут я недопонял…). Транзистор способен распределять ток, тем самым его усиливая. Отношение изменения тока в цепи коллектора к изменению тока в цепи базы при прочих равных условиях величина постоянная, называемая интегральным коэффициентом передачи базового тока . Следовательно, изменяя ток в цепи базы, возможно получить изменения в токе цепи коллектора. (???)

44. Электрический ток в газах. Виды газовых разрядов и их приме­нение. Понятие о плазме.

Газ под воздействием света или тепла может становиться проводником тока. Явление прохождения тока через газ при условии внешнего воздействия, называется несамостоятельным электрическим разрядом. Процесс возникновения ионов газа под воздействием температуры называется термической ионизацией. Возникновение ионов под воздействием светового излучения – фотоионизация. Газ, в котором значительная часть молекул ионизирована, называется плазмой. Температура плазмы достигает нескольких тысяч градусов. Электроны и ионы плазмы способны перемещаться под воздействием электрического поля. При увеличении напряженности поля в зависимости от давления и природы газа в нем возникает разряд без воздействия внешних ионизаторов. Это явление называется самостоятельным электрическим разрядом. Чтобы электрон при ударе об атом ионизовал его, необходимо, чтобы он обладал энергией не меньшей работы ионизации . Эту энергию электрон может приобрести под воздействием сил внешнего электрического поля в газе на пути свободного пробега, т.е. . Т.к. длина свободного пробега мала, самостоятельный разряд возможен только при высокой напряженности поля. При низком давлении газа образуется тлеющий разряд, что объясняется повышением проводимости газа при разрежении (увеличивается путь свободного пробега). Если сила тока в самостоятельном разряде очень велика, то удары электронов могут вызвать нагревание катода и анода. С поверхности катода при высокой температуре происходит эмиссия электронов, поддерживающая разряд в газе. Этот вид разряда называется дуговым.

45. Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Электронно-лучевая трубка.

В вакууме нет носителей свободного заряда, поэтому без внешнего влияния ток в вакууме отсутствует. Возникнуть он может в случае, если один из электродов нагреть до высокой температуры. Нагретый катод испускает со своей поверхности электроны. Явление испускания свободных электронов с поверхности нагретых тел называется термоэлектронной эмиссией. Простейшим прибором, использующим термоэлектронную эмиссию, является электровакуумный диод. Анод состоит из металлической пластины, катод – из тонкой свернутой спиралью проволоки. Вокруг катода при его нагревании создается электронное облако. Если подключить катод к положительному выводу батареи, а анод – к отрицательному, то поле внутри диода будет смещать электроны к катоду, и тока не будет. Если же подключить наоборот – анод к плюсу, а катод к минусу – то электрическое поле будет перемещать электроны по направлению к аноду. Этим объясняется свойство односторонней проводимости диода. Потоком движущихся от катода к аноду электронов можно управлять с помощью электромагнитного поля. Для этого диод модифицируется, и между анодом и катодом добавляется сетка. Получившийся прибор называется триодом. Если на сетку подать отрицательный потенциал, то поле между сеткой и катодом будет препятствовать движению электрона. Если подать положительный – то поле будет препятствовать движению электронов. Испускаемые катодом электроны можно с помощью электрических полей разогнать до высоких скоростей. Способность электронных пучков отклоняться под действием электромагнитных полей используется в ЭЛТ.

46. Магнитное взаимодействие токов. Магнитное поле. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Индукция магнитного поля.