phizika (Физика (лучшее)), страница 8

4. Закон Ампера. Как известно, на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует сила. Ампер установил, что модуль F силы на­ходится по формуле

где I — сила тока, проходящего по проводнику, В — модуль индукции магнитного поля в месте расположе­ния участка проводника длиною l,  - угол между направлением тока и вектором В. Направление этой силы, получившей название силы Ампера, определяется по правилу левой руки: если руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре вытянутых пальца совпадали с направлением тока, то отогнутый на 90° большой палец да­ёт направление силы. Сила Ампера перпендикулярна к плоскости, прове­дённой через 1 и В

1. Сила Лоренца. Поскольку ток представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов, то естественно предположить, что сила Ампера является равнодействующей сил, действующих на отдельные за­ряды, движущиеся в проводнике. Опытным путём установлено, что на за­ряд, движущийся в магнитном поле, действительно действует сила. Эту силу называют силой Лоренца. Модуль F_L силы находится по формуле

где В — модуль индукции магнитного поля, в котором движется заряд, q и v — абсолютная величина заряда и его скорость,  - угол между векторами v и В. Эта сила перпендикулярна к векторам v и В, её направление находится по правилу левой руки: если руку расположить так, чтобы четыре вытянутых пальца совпадали с направлением движения положительного заряда, линии индукции магнитного поля входили в ладонь, то отставленный на 90⁰ большой палец показывает направление силы. В случае отрицательной частицы направление силы противоположное.

Билет № 16

Полупроводниками называют группу веществ, электропроводность которых занимает промежуточное положение между металлами и диэлек­триками. Полупроводники обладают рядом свойств, отличающими их како т металлов, так и диэлектриков. Если с повышением температуры сопро­тивление металлических проводников увеличивается, то у полупроводни­ков уменьшается. Уменьшается сопротивление полупроводников и при их освещении. На базе полупроводников созданы разнообразные полупро­водниковые приборы, используемые в радиоэлектронике, автоматике и вычислительной технике.

1. Собственная проводимость полупроводников. Полупроводника­ми являются химические элементы четвёртой группы таблицы Менделеева и некоторые другие соединения. Типичными представителями полупро­водников являются кристаллы кремния и германия, в которых атомы объ­единены ковалентной связью Вследствие теплового движе­ния атомы сталкиваются между собой. Это может привести к разрыву не­которых химических связей, в результате чего возникает свободный элек­трон, который будет хаотически двигаться по кристаллу. Уда­ление электрона приводит к нарушению химической свя­зи, поскольку она осуществ­ляется лишь одним валент­ным электроном. Эту непол­ноценную связь называют дыркой. Дырка обладает по­ложительным зарядом, рав­ным заряду электрона по аб­солютной величине, так как в месте, покинутом электроном, будет недостаток элек­трона. На место дырки может попасть электрон от соседней химической связи. Это приводит к из­менению положения дырки. Поэтому дырка будет хаотически переме­щаться по кристаллу. Таким образом, в полупроводнике при любой темпе­ратуре имеется определённая концентрация свободных электронов и ды­рок, которыми и обусловливается собственная электропроводность полупроводников. С повышением температуры полупроводника возрастает концентрация указанных частиц. Это приводит к тому, что с повышением температуры увеличивается проводимость, а сопротивление полупровод­ника уменьшается.

2 Примесная проводимость полупроводников. Чистые полупровод­ники не представляют практического интереса. Для электроники весьма полезными оказались так называемые легированные полупроводники, т.е. полупроводники, в которые вве­дены примеси. Они подраз­деляются на полупроводни­ки n- и р-типа.

а) Полупроводники n-типа. Если в кристалличе­скую решётку четырехва­лентного полупроводника, например кремния, внедрить пятивалентный атом, на­пример фосфор, то для образования ковалентных связей с соседями ему надо четыре электрона. Пятый же электрон вследствие теплового движе­ния может оторваться от атома. в результате этого атомы примеси пре­вращаются в положительные ионы. И появляются свободные электроны, обусловливающие проводи­мость полулроводника. Такие примеси назы­ваются донорными, а сам полупроводник называют полупроводник n-типа (от слова negative — отри­цательный).

б) Полупроводники р-типа. Если внедрить в кри­сталлическую решетку че­тырёхвалентного полупроводника­ (кремния) трёхвалентный атом (бор), то для образования ковалентной связи с соседями ему надо четыре электрона, а у него их только три. Поэтому одна связь оказывается не укомплектованной. Атом бора за­хватывает один электрон от соседнего атома кремния, так как это энергетически выгодно. В результате этого атомы примеси превращаются в отрицательные ноны, а в полупроводнике возникают дырки, обусловливающие его электропроводность. Проводимость этого типа называется дырочной, примесь — акцепторной, а полупроводник - р-типа (от слова positive — положительный).

З. Полупроводниковый диод. На основе примесных полупроводни­ков созданы устройства, являющиеся важными компонентами современ­ных электронных приборов — диоды, транзисторы и т.д. Их важным пре­имуществом являются высокая надёжность, большой срок службы и миниатюрность. В настоящее время на 1 см² удаётся разместить тысячи таких элементов, в связи с чем и, появились, например, персо­нальные ЭВМ, размещающиеся на столе и обладающие огромными вычисли­тельными возможностями. Рассмотрим принцип работы диода. При соединении полупроводников n- и р-типа по­лучается диод с так называемым р-n - переходом. В результате такого со­единения небольшое количество электронов около контакта перейдёт из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа, где произойдёт их рекомбинация с дырками. Вследствие этого полупроводник n-типа заряжается положительно, а р-типа - отрицательно. Возникает некоторая разность потенциалов, которая препятствует дальнейшему переходу электронов. Если к диоду подключить источник тока, чтобы минус был соединён с по­лупроводником n-типа, а плюс - с полупроводником р-типа, то под действием внешнего электрического поля электроны и дырки прохо­дят границу раздела полупроводников и рекомбинируют. В то же время источник тока поставляет всё новые электроны и дырки. Поэтому через диод протекает достаточно сильный ток. Если изменить полярность на диоде, то под действием поля электроны и дырки отходят от границы раз­дела полупроводников и ток через диод не течёт. Таким образом, диод обладает односторонней проводимостью. Это используется для выпрямления тока, т.е. для преобразования переменного тока в постоянный по направлению ток. Для того чтобы получить ток постоянный по величи­не, используют диоды, включённые в несколько более сложные цепи. Вы­прямительные схемы играют важную роль, так как электростанции выра­батывают ток переменный, а для работы большинства электронных устройств (радио, телевизоры, ЭВМ) требуется постоянное напряжение.

Билет № 17

Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца Мы знаем, что электрический ток создаёт магнитное поле. Естественно возникает вопрос: «,Возможно ли появление электрического тока с помощью магнитного поля?». Эту проблему решил Фарадей, открывший явление электромагнитной индукции, которое за­ключается в следующем: при всяком изменении Магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую проводящим контуром, в нём возникает электродвижущая сила, называемая э.д.с. индукции. Если контур замкнут, то под действием этой э.д.с. появляется электрический ток, названный индукционньм. Фарадей установил, что э.д.с. индукции не зависит от способа изменения магнитного потока и определяется только быстротой его изменения, т.е.

Соотношение называется законом электромагнитной индукции: э.д.с. индукции в проводнике равна быстроте изменения магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую проводником. Знак минус в формуле (68.1) является математическим выражением правила Ленца. Известно, что магнитный поток является алгебраической величиной. Примем магнитный поток, пронизывающий площадь контура,

положительным. При увеличении этого потока ( ) возникает з.д.с. индукции , под действием которой появляется индукционный ток, создающий собственное магнитное поле, направленное навстречу внешнему полю, т.е. магнитный поток индукционного тока отрицателен.

Если же поток, пронизывающий площадь контура, уменьшается ( ), то , т.е. направление магнитного поля индукционного тока совпадает с направлением внешнего поля.

Рассмотрим один из опытов, проведённых Фарадеем, по обнаружению индукционного тока, а следовательно, и э.д.с. индукции. Если в соленоид, замкнутый на очень чувствительный электроизмерительный прибор(гальванометр), вдвигать или выдвигать магнит, то при движе­нии магнита наблюдается отклонение стрелки гальванометра, свидетель­ствующее о возникновении индукционного тока. То же самое наблюдается при движении соленоида относительно магнита. Если же магнит и солено­ид неподвижны относительно друг друга, то и индукционный ток не воз­никает. Из приведённого опыта следует вывод, что при взаимном движе­нии указанных тел происходит изменение магнитного потока через нитки соленоида, что и приводит к появлению индукционного тока, вызванного возникающей э.д.с. индукции.

2.Направление индукционного тока определяет­ся правилом Ленца: индукционный ток всегда име­ет такое направление. что создаваемое им магнит­ное поле препятствует изменению магнитного по­тока, которое вызывает этот ток. Из этого правила следует, что при возрастании магнитного потока возникающий индукционный ток имеет такое направ­ление, чтобы порождаемое им магнитное поле было направлено против внешнего поля, противодействуя увеличению магнитного потока. Уменьшение маг­нитного потока, наоборот, приводит к появлению индукционного тока, создающего магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем. Пусть, например, в однородном магнитном поле на­ходится проволочная квадратная рамка, пронизы­ваемая магнитным полем Предположим, что магнитное поле возрастает. Это приводит к увеличению магнитного потока через площадь рамки. Согласно правилу Ленца, магнитное поле, возникающего индукционного тока, будет на­правлено против внешнего поля, т.е. вектор В₂ этого поля противоположен вектору Ё. Применяя правило правого винта (см. § 65, п. З), находим направление индукционного тока I_i.

З. Явление электромагнитной индукции полу­чило широкое применение в технике: промышленности получение электроэнергии на электростанциях, разогрев и плавление проводящих материалов (металлов) в индукционных электропечах и т.д.