Лекция 5

	Тема 4	ПОЛУПРОВОДНИКИ
	ПОЛУПРОВОДНИКИ	➨ вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличия примесей, изменения освещенности;
	● отличие полупроводников от металлов и диэлектриков	➨ по значению своего удельного сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Характерной особенностью является уменьшение удельного сопротивления полупроводников при увеличении температуры.
	● виды полупроводников	➨ наибольшее применение получили германий Ge и кремний Si. Различают полупроводники: ▪ собственные (химически чистые)- т.е. беспримесные; ▪ примесные - донорные и акцепторные
	Собственная проводимость полупроводников (п/пр) (проводимость электронно-дырочная) монокристалл германия	➨ германий – 4-х валентный элемент, обладающий атомной пространственной решеткой с ковалентным типом связи между атомами. Каждый атом германия посредством своих четырех валентных электронов образует с каждым из четырех соседних атомов германия парноэлектронные связи. При температурах, близких к абсолютному нулю, связи между всеми атомами в кристалле заполнены – при таких температурах собственные п/пр являются диэлектриками, т.е. не проводят электрический ток. При нагревании или облучении кинетическая энергия валентных электронов повышается и некоторые парноэлектронные связи разрушаются, в п/пр появляются свободные электроны и образуются вакантные места –дырки (что равносильно появлению в п/пр (+) зарядов, равных заряду электрона). У собственных п/пр число появившихся электронов и дырок одинаково и они движутся хаотически в отсутствие внешнего электрического поля. Под действием внешнего электрического поля электроны движутся упорядоченно против направления внешнего поля, а дырки - по направлению поля. При повышении температуры увеличивается число разорванных связей, что приводит к увеличению удельной электропроводности (т.е. к уменьшению сопротивления) п/пр.
	Примесная проводимость полупроводников (п/пр) ❶ n-тип	➨ примесные п/пр получают в результате внедрения в собственный п/пр атомов примеси с валентностью большей или меньшей, чем у атомов собственного п/пр. Внедрим 5-валентный мышьяк в 4-х валентный кристалл германия Ge. Один валентный электрон мышьяка остается свободным, т.е. в донорном п/пр появляются свободные электроны, которые начинают упорядоченно двигаться под воздействием внешнего электрического поля, образуя электрический ток. · Электропроводность донорных п/пр – электронная. · Донорные полупроводники – полупроводники n-типа. · Основные носители тока - электроны.
	❷ р-тип	➨ внедрим 3-х валентный индий In в кристалл германия Ge. У каждого атома индия не хватает одного электрона для образования парноэлектронной связи с 4-х валентным германием. Незаполненная связь является вакантным местом – дыркой (т.е. равноценна появлению в кристалле положительного заряда). Под действием внешнего электрического поля дырки движутся упорядоченно по направлению поля, образуя электрический ток. · Электропроводность акцепторных п/пр – дырочная. · Акцепторные полупроводники – полупроводники р-типа. · Основные носители тока - дырки.
	Свойства p-n- перехода рис.1	➨ электронно-дырочный переход (p-n-переход) –область монокристаллического полупроводника, в котором происходит смена проводимости с электронной (n) на дырочную (p) (или наоборот.) Через границу раздела областей кристалла с разным типом проводимости происходит диффузия электронов. Электроны из n-полупроводника будут диффундировать в дырочный p –полупроводник. В результате из объема n-полупроводника уйдут электроны и вблизи границы в нем образуется избыточный положительный заряд. Диффузия дырок изp –полупроводника (по аналогичным причинам) приведет к возникновению вблизи границы вp –полупроводнике избыточного отрицательного заряда. В результате на границе p-n-перехода образуется запирающий слой толщины , который препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок (рис.1). Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с остальными объемами полупроводников, на величину которого влияет внешнее электрическое поле.
	рис.2	➨ подключим n-полупроводник к (-) полюсу источника, а p –полупроводник к (+) полюсу. Электроны в n-полупроводнике и дырки в p –полупроводнике будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников. Электроны переходят границу и «заполняют» дырки (рис.2). При таком прямом (пропускном) направлениитолщина и сопротивление запирающего слоя уменьшаются и через границу двух полупроводников проходит электрический ток.
	рис.3	➨ подключим n-полупроводник к (+) полюсу источника, а p –полупроводник к (-) полюсу. Электроны в n-полупроводнике и дырки в p –полупроводнике будут двигаться в противоположные стороны (рис.3). Это приводит к утолщению запирающего слоя и увеличению его сопротивления. Через границу двух полупроводников электрический ток не проходит.
	● полупроводниковый диод Обозначение на схеме	➨ электрический прибор, изготовленный на основе кристалла полупроводника с одним р-n-переходом, обладающем односторонней электрической проводимостью. Диод имеет два электрода: · анод А соединен с областьюр-проводимости; · катод К –с областью n-проводимости. Диод применяют для выпрямления переменного тока.
	· транзистор	➨ полупроводниковое устройство, используемое для усиления и генерации электрических колебаний; выполнен из монокристалла германия или кремния, в котором за счет внедрения примесей создан электронно-дырочный переход; ➨ транзистор представляет собой или -структуру, или соединение противоположно включенных диодов. Транзисторы и -типа равноценны по своим параметрам, но транзисторы -типа применяются чаще, потому, что они проще в изготовлении. Дырки в -транзисторе, создающие эмиттерный ток, из области эмиттера попадают в очень узкую (10-50 мкм) -область базы, откуда большая их часть (95-99%) проходит в -область к коллектору, образуя коллекторный ток . Остальные дырки образуют ток базы , текущий через базу Б. Для суммы всех токов справедливо равенство: + + =0 Ток, направленный к транзистору, считается положительным, от транзистора – отрицательным; направление тока определяется направлением движения положительных зарядов.


Раздел 4 ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ ЛЕКЦИЯ 6
Тема 5	МАГНЕТИЗМ -раздел физики, изучающий магнитные свойства веществ, взаимодействия между магнитами, электрическим током и магнитами, электрическими токами, а так же взаимодействие между движущимися зарядами
МАГНИТЫ	➨ магниты бывают естественные и искусственные;
● естественный магнит	➨ кусок железной руды, обладающий способностью притягивать к себе находящиеся вблизи небольшие железные предметы. Опытным путем установлено, что Земля – гигантский естественный магнит;
● искусственные магниты	➨ железные предметы, получившие магнитные свойства в результате контакта с естественным магнитом или намагниченные в магнитном поле;
● магнитные полюсы	➨ различные части постоянного магнита, притягивающие железные предметы по-разному. Концы магнита, где притяжение максимальное, назвали полюсами, а среднюю часть, где притяжение практически отсутствует – нейтральной зоной. Опыт показывает, что разделить северный и южный магнитные полюсы невозможно. Конец стрелки, указывающий географический север Земли, назвали северным полюсом (N), противоположный полюс, указывающий на юг – южным полюсом (S).
Магнитное взаимодействие	➨ разноименные полюсы (N и S) притягиваются, одноименные (N и N, S и S) - отталкиваются. У Земли - на географическом севере расположен южный магнитный полюс; на географическом юге – северный магнитный полюс.
● взаимодействие постоянных магнитов
Опыт Эрстеда (1820г.)	➨ магнитную стрелку и проводник расположили вдоль меридиана в направлении «север - юг». При пропускании по проводнику тока магнитная стрелка отклонялась, причем направление отклонения зависело от направления тока в проводнике. Магнитная стрелка отклонялась под действием магнитного поля, которое существовало вокруг проводника с током.
● взаимодействие проводников с током опыт Ампера (1820г.)	➨ если по двум проводникам, расположенным параллельно друг другу, пропускать ток в одном направлении, то между ними возникают силы притяжения; при пропускании тока в противоположных направлениях между проводниками возникают силы отталкивания. Явление взаимодействия электрических токов Ампер назвал электродинамическим взаимодействием.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ	➨ особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрическими зарядами. Магнитное поле является составной частью электромагнитного поля.
● свойства магнитного поля	➨ u магнитное поле порождается электрическим током или движущимися зарядами; vмагнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток или движущиеся заряды; wмагнитное поле материально, т.е. оно существует независимо от нас и нашего сознания.
● однородное магнитное поле	➨ поле, в каждой точке которого вектор магнитной индукции имеет одинаковые модуль и направление.
Действие магнитного поля на рамку с током	➨ плоская рамка площадью S и силой тока I,помещенная в однородное магнитное поле, поворачивается на некоторый угол, следовательно на рамку действует вращательный момент Максимальный вращающий момент сил , действующих на контур с током, не зависит от формы этого контура, но пропорционален площади контура S и силе тока Iв нем.
Магнитная индукция [Тл]	➨ поэтому, отношение максимального вращательного момента к силе тока Iи площади контураS не зависит от параметров контура, характеризует магнитное поле в данной точке пространства и может быть принято за модуль магнитной индукции. Силовая характеристика магнитного поля
● единица магнитной индукции – тесла	➨ за единицу магнитной индукции принята индукция такого однородного магнитного поля, в котором на рамку площадью 1 м² с током 1 А действует вращающий момент, равный 1 Н·м
Силовые линии магнитного поля	➨ наглядно изображают магнитное поле;
· свойства силовых линий	➨ uвсегда замкнуты; vнигде не начинаются; wнигде не заканчиваются;
· направление силовых линий	➨ за направление силовых линий принято направление, на которое указывает северный полюс магнитной стрелки, т.е. силовые линии направлены от северного полюса (N) постоянного магнита к южному полюсу (S).
● линии магнитной индукции	➨ в каждой точке поля касательная к силовой линии совпадает с направление вектора магнитной индукции .
Магнитное поле прямолинейного тока	➨ линии представляют собой концентрические окружности с центром на проводнике с током, а направление магнитной индукции зависит от направления тока, создающего магнитное поле. ➨определяется правилом буравчика (правого винта).
● правило буравчика	➨ если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения рукоятки буравчика укажет направление силовых линий магнитного поля.
	➨ часто на рисунках изображается сечение проводника с током в виде кружка: ➨ если в центре кружка стоит точка, то это означает, что ток направлен к нам (мы как бы видим острие летящей на нас стрелы); ➨ если в центре кружка стоит крестик – это означает, что ток направлен от нас (стрела как бы летит от нас).
● правило правой руки	➨ позволяет определить направление силовых линий магнитного поля, порожденного проводником с током: ➨ если проводник с током взять в правую руку так, что большой палец руки будет указывать направление тока, то остальные пальцы руки, окружающие проводник, будут показывать направление силовых линий магнитного поля;
Магнитное поле кругового тока	➨ линии магнитной индукции кругового тока являются замкнутыми кривыми, а направление магнитной индукции зависит от направления тока в витке; ➨ если вращать рукоятку буравчика по направлению кругового тока, то направление ввинчивания буравчика покажет направление вектора магнитной индукции поля, созданного током;
Магнитное поле рамки с током	➨ рамка с током – это проводник, согнутый в виде прямоугольника или окружности, по которому течет постоянный ток; она создает магнитное поле, аналогичное магнитному полю постоянного полосового магнита и представляет собой простейший электромагнит; применив правило правой руки можно определить северный и южный полюсы магнитного поля рамки с током: ➨ если пальцы правой руки сжаты в направлении, соответствующем направлению тока в рамке, то большой палец укажет направление от южного полюса к северному;
Магнитное поле соленоида	➨ соленоид – свернутый в спираль проводник, по которому течет электрический ток; магнитное поле соленоида подобно магнитному полю полосового магнита; конструктивно соленоид представляет собой круговые рамки с током, соединенные последовательно. ➨ определить северный и южный полюсы магнитного поля соленоида можно, применив правило правой руки для рамки с током.
Магнитная проницаемость среды	➨ значение магнитной индукции зависит от среды, в которой существует магнитное поле.
➨ величина, равная отношению магнитной индукции поля в данной среде к магнитной индукции этого же поля в вакууме ; характеризует магнитные свойства данной среды.
ИНДУКЦИЯ магнитного поля	➨ магнитная индукцию поля, созданного постоянным током , текущим по бесконечному длинному прямолинейному проводнику в точках, отстоящих от проводника на расстоянии , определяется по формулам:
в вакууме	в среде
● прямолинейного тока	➨	➨
● в центре кругового тока	➨	➨
● соленоида с током	➨	➨
Магнитная постоянная	➨
ЛЕКЦИЯ 7
СИЛА АМПЕРА	➨ сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле.
➨ равна произведению вектора магнитной индукции на силу тока , длину участка проводника и на синус угла между магнитной индукцией и участком проводника;
● направление силы Ампера (правило левой руки)	➨ если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входили линии магнитной индукции, а четыре вытянутых пальца расположить по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец покажет направление силы Ампера, действующей на ток.
● сила взаимодействия параллельных токов	➨ сила магнитного взаимодействия токов и текущих по участкам одинаковой длины бесконечно длинных параллельных проводников, находящихся в вакууме на расстоянии друг от друга	r
Действие магнитного поля на движущиеся электрические заряды
➨ движущаяся с ускорением заряженная частица создает свое собственное магнитное поле. Если ее поместить во внешнее магнитное поле, то взаимодействие полей проявится в возникновении силы, действующей на частицу со стороны внешнего поля – силы Лоренца.
СИЛА ЛОРЕНЦА	➨ сила, с которой магнитное поле действует на одну движущуюся заряженную частицу:
➨ равна произведению заряда на вектор магнитной индукции , скорость движения частицы и синус угла между направлением скорости заряда и индукцией магнитного поля.
● направление силы Лоренца (правило левой руки)	➨ если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор , а четыре вытянутых пальца направить вдоль вектора , то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на положительный заряд.
На отрицательный заряд, движущийся в том же направлении в магнитном поле, сила действует в противоположном направлении.
Движение заряженных частиц в магнитном поле
	❶ частица движется вдоль силовых линий магнитного поля: ;
	v частица движется по окружности радиусом R: 1) - центростремительное ускорение частицы. 2) - радиус окружности 3) ; - период вращения частицы
	w частица движется по винтовой линии радиусом R и шагом винта h: 1) - шаг винта; 2) - радиус окружности; 3) - период вращения;
Электродвигатель	➨ машина, преобразующая электрическую энергию в механическую. В основе лежит закон Ампера - при движении проводника или рамки с током в магнитном поле происходит превращение электрической энергии в механическую. Различают двигатели постоянного и переменного тока. В сравнении с тепловыми двигателями электродвигатели имеют меньшие размеры и вес при одинаковой мощности. КПД электродвигателя - 96-98%. В 1834 г. русским ученым Б.С. Якоби был изобретен один из первых в мире электродвигателей.
● устройство электродвигателя	➨ якорь – система рамок, уложенных в прорезях стального цилиндра. Большое число рамок, плоскости которых расположены под одинаковыми углами друг к другу, создают равномерное вращение якоря и постоянную силу тяги на валу двигателя. Концы проводников якоря соединены с изолированными друг от друга пластинками коллектора. Магнитное поле, в котором вращается якорь, создается электромагнитом. И якорь, и электромагнит соединены с одним и тем же источником тока.
Магнитный поток (поток магнитной индукции) [Вб]	➨ магнитным потоком Ф через какую-либо поверхность S называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции В на площадь S и косинус угла между векторами и ;
➨ поток магнитной индукции характеризует распределение магнитного поля по поверхности, ограниченной замкнутым контуром;
● единица магнитного потока 1 Вебер	➨ за единицу магнитного потока – вебер принят магнитный поток, создаваемый однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м², расположенную перпендикулярно линиям индукции магнитного поля.