Шала өткізгіштердің электрөткізгіштігі

Шала өткізгіштер - электр өткізгіштігі жағынан алғанда өткізгіштер мен диэлектриктердің аралығынан орын алатын заттарды айтады. Қазіргі техникада электорндық шала өткізгіштер – германий, кремний, селен, мыстың шала тотығы кеңінен қолданылып отыр. Шала өткізгіштерде заряд тасушылар, яғни бос электрондар, шала өткізгіштердің сырттан жылу, жарық не электр энергиясын алуының нәтижесінде пайда болады. Мысалы: 1) германий шала өткізгіштерінде электронды атомнан айырып алу үшін 20⁰ с температурада жеткілікті. Электронынан айрылған атом оң зарядталады. Осыны, яғни электронынан айрылған атомды кемтік деп атайтын бос орын пайда болады.Электр өрісі электрондардың да және кемтіктердің де қозғалысын реттейді. Кемтіктер ток көзінің теріс польюсіне – катодқа, ал еркін электрондар оң полюсі анодқа қарай қозғала бастайды. Шала өткізгіш кристалда электр тогы пайда болады. Заряд тасымалдағыштар саны азаяды да, барлық бос орындар толған кезде шала өткізгіш жойылмайды.Осыны кемтік өткізгіштік немесе р-өткізгіштік деп аталады (лат. positivus – «оң») деген сөзден шыққан.Осы таза шала өткізгіштерді қыздырғанда немесе жарықтандырғанда пайда болатын олардың электр өткізгіштігі меншікті өткізгіштік деп аталады. t –төмендегенде шала өткізгіштің меншікті кедергісі артады. t – жоғарлағанда өткізгіштің меншікті кедергісі кемиді. Шала өткізгіштер өткізгіштігінің екінші түрі электрондық өткізгіштік немесе n-өткізгіштік деп аталады(латынша negativus – «теріс» деген сөзден шыққан). Мұндай шала өткізгіште бос электрондар кемтіктерден көп болады да, сыртқы электр өрісінің әсерімен ол электрондар шала өткізгіштің атомдарының ара арасымен еркін орын ауыстырып отырады. Шала өткізгішке аз мөлшердегі қоспаны енгізген кезде оның өткізгіштігі артады. Бұл қоспадағы заряд тасушылардың электрондар мен кеміткілердің саны өзгереді,шала өткізгіш кедергісінің азаюына әкеледі.Бұны қоспалы шала өткізгіштер деп атайды.

12. Ток күші. Біртекті өткізгіш бөлігі үшін Ом заңы Ток деп зарядталған бөлшектердің бағытталған қозғалысын айтады. Бұл үшін ток тудырылатын ортада (өткізгіште) сыртқы күштің әсерінен еркін қозғала алатын зарядталған бөлшектер болуы керек. Электр тогын сан жағынан сипаттайтын шама - ток күші - өткізгіштің көлденең қимасы арқылы бірлік уакытта ағып өтетін зарядтың шамасымен анықталады, яғни . Егер өткізгіштің кез келген көлденең қимасы аркылы бірдей уакыт аралығында, бірдей зарядтар ағып өтетін болса, мұндай токты тұрақты ток деп атайды. Тұрақты ток үшін . Токты сан жағынан сипаттау үшін ток тығыздығы деген шама ендіріледі. Ток күшінің тығыздығы сан жағынан қарастырып отырған нүктеде ток тасымалдаушы бөлшектердің қозғалыс бағытына перпендикуляр жүргізілген өткізгіш көлденең қимасының бірлік ауданы арқылы бірлік уакытта өтетін зарядтардың шамасына тең . Егер өткізгіштің көлеміндегі ток тасымалдауға қатынасатын оң және тepic бөлшектердің санын және деп белгілесек, жалпы жағдайда бұл бөлшектердің жылдамдықтары сан жағынан да, бағыты жағынан да әр түрлі болады. Ток тығыздығы

Егер барлық оң және барлық тepic зарядтарының шамалары бірдей деп есептесек,

Мұндағы, және - бipлiк көлемдегі оң және тepic зарядталған бөлшектердің саны, яғни концентрациялары, ал және - оң және тepic зарядталған бөлшектердің орта жылдамдықтары. Жалпы жағдайда формуланы былай жазуға болады:

мұндағы а-қозғалысқа қатынасатын зарядтардың сорттарын белгілейді. Ток тығыздығы оң зарядтардың орта жылдамдығымен бағыттас, ал тepic зарядтардың орта жылдамдығына қарама-қарсы. Ток тығыздығы өткізгіштің бірлік көлденең қимасы арқылы бірлік уакытта ағып өтетін зарядтардың шамасымен анықталады. Жалпы жағдайда ток тығыздығының бағыты карастырып отырған бетке перпендикуляр болмауы мүмкін. Сондықтан , ( бет элементі, - карастырылып отырған бет, элементіне перпендикуляр жүргізілген бірлік вектор) арқылы бірлік уақытта ағып өтетін зарядтардың шамасы, яғни ток күші Өткізгіштің көлденең қимасы S болса, ол аркылы өтетін токтың күші Ток күшінің бірлігін

Ампер деп атайды.Ток тығыздығының бірлігі: . - өткізгіштің көлденең қимасы бойынша біртекті таралған шамасы 1А токтың - оның бағытына перпендикуляр жүргізілген 1м бет ауданына қатынасына тең.

Біртекті өткізгіш бөлігі үшін Ом заңы. XIX ғасырдың бас кезінде Георг Ом, металл арқылы ток жүру заңдылығын зерттей отырып, температурасы тұрақты металл арқылы жүретін токтың күші оған түсірілген кернеудің шамасына тура пропорционал екенін тағайындады. Ом мынадай заң ашты: температурасы тұрақты болған кезде металға берілген кернеудің ол арқылы жүретін ток күшіне қатынасына өзгермейді, яғни

(6.4.3.1)

Кейде Ом заңын былай тұжырымдайды: өткізгіш арқылы жүретін ток күші оған берілген кернеуге тура пропорционал, яғни

(6.4.3.2)

Пропорционалдык коэффициентке кepi шама өткізгіштің кедергісін анықтайды. СИ системада кедергінің бірлігі 1 Ом: . Ом занының (6.4.3.1) түрін оның интегралдық түpi деп атайды, өйткені оған кіретін I, U, R физикалық шамалар өткізгіштің макроскопиялық бөлігіне қатысты анықталады. Егер Ом заңын ток тығыздығы, меншікті электр өткізгіштік және электр өрісінің кернеулігі аркылы жазсақ, теңдігін аламыз. Соңғы қатынасты Ом заңының дифференциалдық түpi деп атайды, өйткені оған кіретін физикалық шамалар өткізгіштің бip нүктесіне қатысты анықталған.

13.Фуко токтары. Айналмалы магнит өрісіндегі тұтас өткізгіштерде пайда болатын индукциялық токтарды Фуко токтары деп атайды.Фуко токтары Ленц заңына бағынатын болғандықтан, олардың өткізгіш ішіндегі жүру жолдары мен бағыттары өздерін тудыратын себепке мүмкін болғанша көп кері әсер ететіндей болады. Сондықтан күшті магнит өрісіндегі қозғалатын өткізгіштер тежеледі.Бұл құбылысты гальвонометр, т.с.с приборлардың қозғалмалы бөліктерін тыныштандыру үшін қолданады. Фуко токтарының әсерінен өткізгіш қызады. Мысалы, асинхронды двигательдің роторы, транформаторлардың өзектері қызады. Бұл құбылыс кейде пайдалы болса кейде зиян.Мысалы жоғары жиіліктегі Фуко токтарын металдарды балқыту үшін қолданады.

14.Үш фазалық ток. Электромагниттік индукция құбылысын пайдаланып магнит өрісінде қозғалатын өткізгіштерді ЭҚК туғызуға және осы құбылыстың негізінде айнымалы ток генераторларын жасаға болатынын білеміз. Осы уақытқа дейін қаралған генераторлардың беретін тогы амплитудасы және фазасымен сипатталатын бір фазалы ток д.а. Бір бірінен фазалары периодтың үштен біріне ығысқан бірдей үш бір фазалық токтардың системасын үш фазалы ток д.а. Үш фазалы ток алу үшін бір бірінен 1/3 бөлігіне ығыстырылған үш жеке орауыштардың ортасында тұрақты магнитті айнымалы қозғалысқа келтірсек (9.6.1 сурет) орыштарда бір бірінен фаза жағынан 2π/3 - ке ығысқан кернеулер пайда болады. , ,

(9.6.1) Орауыштарды кедергімен қоссақ, әр тұйық тізбекте фазаларының айырмасы тұрақты үш бір фазалық айнымалы токтар алуға болады. Үш фазалы токтарды кедергілермен қосқан кезде қосушы сымдардың санын азайтуға ж.е кедергілерді әр фазадағы ЭҚК амплитудалық мәндері бірдей болатындай етіп алуға болады. Ол үшін үш фазалы ток күшін жүкке жұлдызшамен не үшбұрышпен қосу керек.(9.6.1 a,b) Жұлдызшамен қосқанда потенциалы бірдей ортақ О нүкте бар.Әр орауыштағы кернеу фазалық кернеу д.а. О нүктесімен қосылған сым нөлдік сым, ал орауыштардың бос ұштарымен қосылғандарды фазалық сым д.а. Нөлдік сым мен фазалық сымдар арасындағы кернеулер,ал фазалық сымдар арасындағы кернеулер сызықты кернеулер д.а.Сызықты ж.е фазалық кернеулер арасындағы төмендегідей қатынас орындалады Егер = 127 В болса, = 220 В. Орауыштарға қосылған барлық кедергілер бірдей болса, нөлдік сым арқылы өтетін қортқы ток күші нөлге тең болу керек Үшбұрышпен қосқан кезде = және ,

15.Лармор прецессиясы. Сырткы магнит өрісіндe орналаскан атомның электронына магнит өpici тарапынан әсер ететін күш электрон орбитасын сырткы магнит өрісінe перпендикуляр бағытта айналмалы козғалыска келтіреді. Осы косымша айналмалы козғалысты лармор прецессиясы деп атайды. Егер орбита бойымен козғалып жүрген электронды элементар ток ретінде карастырсак, оның магниттік моменті

(7.8.2.1)

мұндағы -электронның ядро маңындағы айналмалы козғалысының бұрыштық жылдамдығы. Орбиталық козғалыстың механикалык моменті

(7.8.2.2)

Егер атомды гироскоп ретінде карастырсак, оның козғалыс тендеуі

(7.8.2.3)

мұндағы . Ендеше,

(7.8.2.4)

Болмаса, (7.8.2.5) Енді осы теңдеуді бұрышты жылдамдықпен айналатын абсолют қатты дене нүктелерінің қозғалыс теңдеуімен салыстырсақ, вектордың ұшы - ның маңында

Бұрыштық жылдамдықпен қозғалады деген қорытынды жасауға болады. Бұл айналмалы қозғалыс лармор прецессиясы д.а.

16. Электрөткізгіштік. Асқын өткізгіштік құбылысы.

Электр өткізгіштік – уақыт бойынша өзгермейтін электр өрісі әсерінен заттың тұрақты электр тогын өткізу қабілеті. Заттың электр өрісі оларда қозғалғыш зарядтар – ток тасушылардың болуына байланысты. Және сол заряд q=3,5*10 Кл тең болады. Металдардағы ток тасымалдау процесіне атомдар мен молекулалардың ешқандай әсері болмайды. Себебі ток тасымалдауға электрондар қатысады. Ток дегеніміз зарядталған бөлшектердің бағытталған (реттелген) козғалысы. Металдарда ток тасымалдайтын зарядталған бөлшектер қандай бөлшектер деген сұрактың тууы занды. Осы сұраққа жауап табу үшін Рикке 1901 жылы екі мыс және бip алюминий цилиндрлер алып, олардан мыс-алюминий-мыс тізбегін құрап, осы тізбек арқылы бip жыл бойы ток жіберген. Осы уакыт аралығында цилиндрлер аркылы өткен зарядтың шамасы Кл тең болуы керек. Металдардағы ток тасымалдаушы бөлшектер, олардың барлығының да құрамына кіретін массасы өте аз еркін бөлшектер болуы керек. Мұндай бөлшектер 1897 жылы Томсон ашқан электрондар болуы мүмкін екендігін зерттеу үшін Толмен және Стюарт 1916 жылы мынадай тәжірибе жасаған. Өз осінен айнала алатын катушка жылжымалы контакт аркылы гальванометрмен косылған. Катушканы белгілі бip жылдамдыққа дейін айналдырып, оны кенеттен тежеген кезде гальванометр аркылы өтетін заряд шамасы анықталған (7.1.1-суретке қара). Осы тәжірибені түсіндіру үшін, металл құрамында тор түйіндерінде орналасқан атомдар және иондармен қатар, тордың бойымен еркін қозғала алатын электрондар болуға тиістi деген қорытынды жасалған.

Инерция күшін кернеулік тудыратын бөгде күш ретінде карастырып, 7.5.1.1 – сурет

Омның тұйық тізбек үшін заңын пайдалансақ,

(7.1.1.)

Бұл өрнектегі R катушканың кедергici де, L оны құрайтын сымның ұзындығы екенін еске алсак,

, (7.1.2.)

(7.1.2) формулаға кіретін және R шамаларын тәжірибе жүзінде анықтауға болады. Егер осы шамалардың табылған мәндерін (7.1.2) формулаға қойып қатынасын есептегенде бұл қатынастың сан мәні электрон зарядының массасына қатынасымен дәл келетіндей анықталған. Сонымен Толмен мен Стюарт металдардағы ток тасымалдаушы зарядталған бөлшектердің электрондар екендігін тәжірибе жүзінде көрсетті.

 

 

Электрөткізгіштіктің температураға тәуелділігін анықтау үшін, электрондардың тор тербелістерінен, қоспа атомдардан шашырауын еске алу керек. Тордың тербелістерін дыбыс кванттары фонондармен сипаттайды. Металдың электрөткізгіштігін (кедергісін) жоғарыда айтылған процестерді кванттық тұрғыдан қарастыру арқылы тапса, төмендегі түрде жазуға болады (7.3.1)

мұндағы - химиялық потенциалдармен (Ферми деңгейімен ) анықталатын шекті жылдамдық - электронның фонондар, электрондар және қоспа атомдармен әсерлесуін (шашырауын) сипаттайтын еркін жүру жолының ұзындықтары. Электронның фонондармен әсерлесуін қарастырған кезде, фонондар жиілігінің жоғары жағынан ( -дыбыс жылдамдығы, а-тор тұрақтысы) жиілікпен шектелгендігін еске алу керек. Осы жиілікке сәйкес келетін температура дебай температурасы деп аталады.

Егер металдың температурасы болса, есептеулер екенін көрсетеді, олай болса меншікті кедергі температураға тура про­порционал болады. Ал болса,

(7.3.2)

төменгі температураларда меншікті кедергі температура төмендеген сайын оның бесіншi дәрежесіне пропорционал кемиді. Электрондардың өзара кулондық әсерлесуін сипаттайтын . Сонымен катар электрондар, фонондар алмасу аркылы да өзара әсерлесетінін еске алса

(7.3.3)

Көптеген металдар үшін болғандықтан . Электрондардың қоспа атомдардан шашырауының кедергіге қосатын үлесін анықтайтын температураға байланысты емес, қоспа атомдардың концентрациясымен анықталады. Шынында ( - қоспа атомдардың бірлік көлеміндегі саны, - электрондардың қоспа атомдардан шашырауының эффектілік қимасы). Сондықтан

Егер , екенін еске алсақ,

 

5.3.1 сурет

Кедергінің темперетураға тәуелділігі 5.3.1 суретте көрсетілгендей болады.

5.3.1 суретте көрсетілген тәуелділік асқын өткізгіштік деп аталатынын электрондардың кванттық қасиеттерімен ғана түсіндірілетін құбылысты еске алмаған кезде ғана дұрыс. Егер металдың құрамында өоспалар және кристалдық торының дефектілері жоқ болса, оның кедергісі классикалық физика тұрғысынан температура абсолюттік нөлге айналуы керек. Бірақ тәжірибеде көптеген металдардың кедергісі температура төмендеген сайын азая отырып, температура әрбір металл үшін белгілі бір мәніне жеткен кезде кенеттен секірмелі түрде нөлге айналып, одан әрі абсолюттік нөлге дейін тең қалпында қалады (5.3.2 сурет)

5.3.2 сурет

Осы құбылысты асқын өткізгіштік, ал мұндай құбылыс байқалатын металдарды асқын өткізгіштер деп атайды. Бұл құбылысты 1911 жылы Каммерлинг-Оннес ашқан. Асқын өткізгіштік байқалатын металдар үшін критикалық температура 0,01 ден 20 К дейінгі температуралар аралығында жатады.

 

17. Лоренц күші Егер К және К’ координаталар системалары бipiнe-бipi қарағанда тұрақты жылдамдыкпен козғалатын инерциялық санау системалары болса, К' системасындағы күш F'(), К системасындағы күшпен F'(), салыстырмалылық теориясының бip инерциялық системадан екінші инерциялық системаға өткен кездегі күш құраушыларының түрлендірілу формулаларымен байланыскан.

(9.1.3.1.1)

,

Бұл түрлендірулер жалпы физика курсының механика бөлімінде корытылып шығарылады. Векторлык түрде (9.1.3.1.1) түрлендірулерді былай жазуға болады

(9.1.3.1.2)

мұндағы вектор құраушыларымен, ал вектор құраушыларымен анықталады. Сонымен, кіріспеде атап өткеніміздей, электрлік заряд электр және магнит өpicтepiмeн байланысты. Тыныштықтағы зарядтар электр өpici аркылы әсерлессе, козгалыстагы зарядтар электр жене магнит epicrepi аркылы әсерлеседі. Бip координаталар системасында электр өpici бар болса, екінші бip координаталар системасында тек магнит өpici болады және керісінше жағдайда орын алуға тиісті. Олай болса, электр және магнит өpicтepi бip-бipiмeн тығыз байланыскан. Әсерлесетін зарядтар тыныштыкта болса (u = 0) күш электр өpici векторымен аныкталады, ендеше электр өpici кернеулігін катынасы аркылы аныктауға болады. (9.1.3.1.2.) өрнектің оң жағындағы екінші мүше магнит өpiciмeн байланысты болуға тиісті. Егер магнит өpiciн сипаттайтын шаманы - магнит өpici индукциясы векторын катынасымен аныктасак, электр және магнит өрісіндегi q зарядка әсер ететін күш үшін

(9.1.3.1.3)

формуласын аламыз. Бұл формула Лоренц күшін анықтайды, оның оң жағындағы бipiншi мүше электр өpici тарапынан q зарядка әсер ететін күшті (2.1-пунктті кара) аныктаса, екінші мүшесі магнит өpici тарапынан q зарядка әсер ететін күштіi аныктайды

(9.1.3.1.4)

Соңғы формула тәжірибелерде байкалатын жағдайларды түсіндіреді. Шынында, тәжірибелер магнит өрісіндегi зарядка әсер ететін күшті зарядтың, жылдамдыктың және магнит өpici индукция векторының шамаларына тура пропорционал және u және В векторларына перпендикуляр болатындығын көрсетеді. Карастырып отырған бөлшектер алып жататын көлемнің dv элементіндегі бөлшектердің саны . Бұл элементке әсер ететін күш

(9.1.3.1.5)

Токтың тығыздығы екенін еске алсак,

(9.1.3.1.6)

Соңғы өрнек тогы бар өткізгіштің dv элементіне магнит өpici тарапынан әсер ететін күшті анықтайды. Ток тығыздығы dv элемент орналаскан нүктедегі мәніне тең. Егер ток және магнит өpici кеңістікте (тұтас өткізгіште) біркелкі таралмаған болса, яғни олар координаталарға тәуелді j(x,y,z), В(х,у,z) болса (9.1.3.6) өрнекті былай жазуға болады.

(9.1.3.1.7)

Бүкіл тогы бар өткізгішке әсер ететін күш

(9.1.3.1.8)

мұндағы - тогы бар өткізгіштің көлемі.Тұрақты ток өте жіңішке өткізгіш арқылы жүретін болса, . Бұл кезде (9.1.3.1.6) өрнекті былай жазуға болады.

, (9.1.3.1.9)

Сызыкты токтың бағыты өткізгіш элементімен анықталатынвектормен бағыттас деп есептеуге болады (6.1.3.1.1-сурет), яғни

9.1.3.1.1-сурет

Олай болса,

(9.1.3.1.10)

Магнит өpici индукция векторы мен тогы бар өткізгіш элементінің арасындағы бұрышты деп белгілеп, (9.1.3.10) өрнекті төмендегідей түрде жазуға болады

(9.1.3.1.11)

Егер = 90° болса

(9.1.3.1.12)

Тогы бар сызықтык өткізгіштің бірлік ұзындығына әсер ететін күш

(9.1.3.1.13)

Карастырып отырған ток шексіз түсу ток (6.1.3.1.13) болсын және деп белгілейік. Енді тоққа әсер ететін магнит өpiciн басқа бip оған параллель шексіз түзу ток туғызады деп есептесек

(9.1.3.1.14)

Соңғы теңдікті болған кездегі (6.1.3.1.1) өрнекпен салыстырып, токқа әсер ететін оған параллель қашықтықта орналасқан жіңішке шексіз ұзын токтың тудыратын магнит өрісінің индукция векторы үшін

(9.1.3.1.15)

өрнегін табамыз.

Суперпозиция принципі бойынша козғалыстағы әpбip заряд бip-бipiнe тәуелсіз магнит өpiciн тудырады. Козғалыстағы зарядтар жиынының кеңістіктің белгілі бip нүктесіндегі тудыратын магнит өpiciнiң индукция векторы жеке зарядтардың осы нүктедегі тудыратын магнит өpici индукция векторларының , векторлық қосындысына тең

(9.1.3.1.16)