Методическая копилка

[мадина]

http://4ege.ru/fizika/4312-metodicheski ... iziki.html

[Галлямова З.Р.]

Электрическая проводимость полупроводников

В полупроводниках собственная проводимость является электронно-дырочной. Данный вид проводимости очень слабый. Число свободных электронов образовавшихся при комнатной температуре, например, в Германии составляет всего одну десятимиллиардную от общего числа атомов. Поэтому на практике чаще используют полупроводники, в которых добавлены различные примеси.

Основным плюсом этого способа является то, что при наличии примесей к собственной проводимости проводника добавляется еще примесная проводимость. В зависимости от типа примеси, эта проводимость может быть либо электронной, либо дырочной. Рассмотрим более подробно примесную проводимость.

Рассмотрим следующую модель. Пусть имеется кристалл кремния. Кремний является четырехвалентным элементом. Следовательно, в его внешней оболочке имеются четыре электрона, которые слабо связаны с ядром атома. С каждым по соседству находится еще четыре атома. Атомы между собой взаимодействуют и образуют ковалентные связи. От каждого атома в такой связи участвует один электрон.

Донорная примесь
Поместим него примесь из мышьяка. Мышьяк является пятивалентным элементом. Следовательно, в его внешней оболочке имеются пять электронов. Четыре из них, будут участвовать в образовании ковалентных связей, а один останется свободным. Таким образом, даже при малой концентрации примеси мышьяка в кремнии, очень сильно возрастет количество свободных электронов.

картинка

Такой вид примеси называется донорной примесью. Мышьяк является донором свободных электронов, для кремния. Полупроводники, которые обладают донорным типом примеси, обладают большим количеством свободных электронов. Такие полупроводники называют полупроводниками n-типа. (negative – отрицательный)

В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются свободные электроны. Дырки будут являться неосновными носителями заряда.

Акцепторная примесь
Поместим теперь в кремний, в качестве примеси, индий. Индий является трехвалентным элементом. Следовательно, в его внешней оболочке имеются три электрона, каждый из которых будет участвовать в образовании ковалентных связей. Но на месте одной из связей образуется дырка, так как не хватает одного электрона.

картинка

Такой вид примеси называется акцепторной примесью. Индий является акцептором (принимающий). Проводимость в таком полупроводнике будет по большей части дырочной. Полупроводники такого типа называются полупроводниками p-типа (p – positive положительный). Основные носители заряда дырки, неосновные – электроны.

[Галлямова З.Р.]

Электрический ток в полупроводниках


Полупроводники – это материалы, которые при обычных условиях являются диэлектриками, но с увеличение температуры становятся проводниками. То есть в полупроводниках при увеличении температуры, сопротивление уменьшается.

Строение полупроводника на примере кристалла кремния
Рассмотрим строение полупроводников и основные типы проводимости в них. В качестве примера рассмотрим кристалла кремния.

Кремний является четырехвалентным элементом. Следовательно, в его внешней оболочке имеются четыре электрона, которые слабо связаны с ядром атома. С каждым по соседству находится еще четыре атома.

Атомы между собой взаимодействуют и образуют ковалентные связи. От каждого атома в такой связи участвует один электрон. Схема устройства кремния изображена на следующем рисунке.

картинка

Ковалентные связи являются достаточно прочными и при низких температурах не разрываются. Поэтому в кремнии нет свободных носителей заряда, и он при низких температурах является диэлектриком. В полупроводниках существует два вида проводимости: электронная и дырочная.

Электронная проводимость
При нагревании кремния ему будет сообщаться дополнительная энергия. Кинетическая энергия частиц увеличивается и некоторые ковалентные связи разрываются. Тем самым образуются свободные электроны.

В электрическом поле эти электроны перемещаются между узлами кристаллической решетки. При этом в кремнии будет создаваться электрический ток.

Так как основными носителями заряда являются свободные электроны, такой тип проводимости называют – электронной проводимостью. Количество свободных электронов зависит от температуры. Чем сильнее мы будем нагревать кремний, тем больше ковалентных связей будет разрываться, а следовательно, будет появляться больше свободных электронов. Это приводит к уменьшению сопротивления. И кремний становится проводником.

Дырочная проводимость
Когда происходит разрыв ковалентной связи, на месте вырвавшегося электрона, образуется вакантное место, которое может занять другой электрон. Это место называется дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд.

Положение дырки в кристалле постоянно меняется, любой электрон может занять это положение, а дырка при этом переместится туда, откуда перескочил электрон. Если электрического поля нет, то движение дырок беспорядочное, и поэтому тока не возникает.

При его наличии, возникает упорядоченность перемещения дырок, и помимо тока, который создается свободными электронами, появляется еще ток, который создается дырками. Дырки будут двигаться в противоположном движению электронов направлении.

Таким образом, в полупроводниках проводимость является электронно-дырочной. Ток создается как с помощью электронов, так и с помощью дырок. Такой тип проводимости еще называется собственной проводимостью, так как участвуют элементы только одного атома.

[Галлямова З.Р.]

Сверхпроводимость

Сопротивление проводника зависит от температуры. При нагревании металлов, сопротивление увеличивается, при охлаждении сопротивление уменьшается. При стремлении температуры проводника к нулю, может появиться явление, которое называется сверхпроводимость.

История открытия
Открытие сверхпроводимости принадлежит голландскому физику Х.Камерлингу-Оннесу. Он охлаждал ртуть в жидком гелии. Сначала сопротивление плавно уменьшалось, а потом, по достижении какой-то определенной температуры, сопротивление резко упало до нуля. Это явление было названо сверхпроводимостью.

Однако, объяснить суть явления сверхпроводимости смогли лишь в 1957 г. Оно дается на основе квантовой теории. С огромным упрощением, сверхпроводимость можно объяснить следующим образом: электроны объединяются в шеренги и двигаются, не сталкиваясь с кристаллической решеткой. Это движение совсем не похоже на обычное хаотичное тепловое движение.

В 1986 г. помимо низкотемпературной сверхпроводимости, была открыта высокотемпературная сверхпроводимость. Создали сложные соединения, которые переходят в состояние сверхпроводимости при температуре 100 К.

Свойства сверхпроводников
Критической температурой называют температуру, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние. Явление сверхпроводимости возникает в металлах и их сплавах при очень низких температурах (примерно 25 К и ниже). Существуют справочные таблицы, в которых указываются критические температуры некоторых веществ.
Так как сопротивление в сверхпроводимости отсутствует, следовательно, не происходит выделения тепла при прохождении через проводник электрического тока. Это свойство сверхпроводников широко используется.
Для каждого сверхпроводника существует критическое значение силы тока, которое можно достигнуть в проводнике, не нарушая его сверхпроводимости. Это происходит потому, что при прохождении силы тока, вокруг проводника создается магнитное поле. А магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Поэтому сверхпроводники невозможно использовать для получения сколь угодно сильного магнитного поля.
При прохождении энергии через сверхпроводник не происходит её потерь. Одним из направлений исследований современных физиков, является создание сверхпроводящих материалов при комнатных температурах. Если эту задачу удастся решить, то будет решена одна из важнейших технических проблем - передача энергии по проводам без потерь.
Перспективы
Высокотемпературная сверхпроводимость - это очень перспективная область исследований, которая впоследствии может привести к новой технической революции в электронике, электротехнике и радиотехнике. Согласно последним данным в этой области, максимальная критическая температура сверхпроводимости, которую удалось достигнуть, равняется 166К.

Мы постепенно приближаемся к открытию материалов, которые будут являться сверхпроводящими при комнатных температурах. Это станет прорывом в мире техники. Электроэнергию можно будет передавать на любые расстояния без потерь.

[ЭльвираА]

Для учителя физики, http://4ege.ru/fizika/

[Галлямова З.Р.]

Зависимость сопротивления проводника от температуры

Каждое вещество имеет свое удельное сопротивление. Причем сопротивление будет зависеть от температуры проводника. Убедимся в этом, проведя следующий опыт.

Пропустим ток через стальную спираль. В цепи со спиралью подключим последовательно амперметр. Он покажет некоторое значение. Теперь будем нагревать спираль в пламени газовой горелки. Значение силы тока, которое покажет амперметр, уменьшится. То есть, сила тока будет зависеть от температуры проводника.

Изменение сопротивления в зависимости от температуры
Пусть при температуре 0 градусов, сопротивление проводника равняется R0, а при температуре t сопротивление равно R, тогда относительное изменение сопротивления будет прямо пропорционально изменению температуры t:

(R-R0)/R=a*t.
В данной формуле а – коэффициент пропорциональности, который называют еще температурным коэффициентом. Он характеризует зависимость сопротивления, которым обладает вещество, от температуры.

Температурный коэффициент сопротивления численно равен относительному изменению сопротивления проводника при нагревании его на 1 Кельвин.

Для всех металлов температурный коэффициент больше нуля. При изменениях температуры он будет незначительно меняться. Поэтому, если изменение температуры невелико, то температурный коэффициент можно считать постоянным, и равным среднему значению из этого интервала температур.

Растворы электролитов с ростом температуры сопротивление уменьшается. То есть для них температурный коэффициент будет меньше нуля.

Сопротивление проводника зависит от удельного сопротивления проводника и от размеров проводника. Так как размеры проводника при нагревании меняются незначительно, то основной составляющей изменения сопротивления проводника является удельное сопротивление.

Зависимость удельного сопротивления проводника от температуры
Попытаемся найти зависимость удельного сопротивления проводника от температуры.

Подставим в полученную выше формулу значения сопротивлений R=p*l/S R0=p0*l/S.

Получим следующую формулу:

p=p0(1+a*t).
Температурный коэффициент можно считать постоянным, следовательно, удельное сопротивление проводника будет прямо пропорционально температуре проводника.

Данная зависимость представлена на следующем рисунке.

Попробуем разобраться, почему увеличивается сопротивление
Когда мы повышаем температуру, то увеличивается амплитуда колебаний ионов в узлах кристаллической решетки. Следовательно, свободные электроны будут чаще с ними сталкиваться. При столкновении они будет терять направленность своего движения. Следовательно, сила тока будет уменьшаться.

Зависимость сопротивления проводника от температуры, широко используется в технике и физике. Например, в изготовлении термометров сопротивления.

[Галлямова З.Р.]

Опыт Милликена и Иоффе

К концу ХIХ века в ряде самых разнообразных опытов было установлено, что существует некий носитель отрицательного заряда, который назвали электроном.

Однако это была фактически гипотетическая единица, поскольку, несмотря на обилие практического материала, не было проведено ни одного эксперимента с участием одиночного электрона.

Не было известно, существуют ли разновидности электронов для разных веществ или он одинаков всегда, какой заряд несет на себе электрон, может ли заряд существовать отдельно от частицы.

В общем, в научной среде по поводу электрона ходили горячие споры, а достаточной практической базы, которая бы однозначно прекратила все дебаты, не было.

Исследование электрона Иоффе и Милликеном: как это было
Чтобы найти ответы на вопросы независимо друг от друга два ученых в 1910-1911 годах провели эксперименты по исследованию поведения одиночных электронов. Это были русский физик Абрам Иоффе и американский ученый Роберт Милликен.

В своих опытах они применяли немного отличающиеся установки, но суть и принцип были одинаковыми. Итак, они взяли закрытый сосуд, из которого откачали воздух до состояния вакуума.

Внутри сосуда находились две металлические пластины, которым можно было сообщать некий заряд, а также облако капелек масла или пылинок, заряженных отрицательно, за которыми можно было наблюдать через специально подведенный микроскоп.

Итак, заряженные пылинки и капельки в вакууме будут падать с верхней пластины на нижнюю, однако этот процесс можно остановить, если зарядить верхнюю пластину положительно, а нижнюю отрицательно.

Возникшее электрическое поле будет действовать кулоновскими силами на заряженные частички, препятствуя их падению. Регулируя величину заряда, добивались того, что пылинки парили посередине между пластинами.

Далее уменьшали заряд пылинок или капель, облучая их рентгеном или ультрафиолетом. Теряя заряд, пылинки начинали падать вновь, их вновь останавливали, регулируя заряд пластин. Такой процесс повторяли несколько раз, вычисляя заряд капель и пылинок по специальным формулам.

В результате этих исследований удалось установить, что заряд пылинок или капель всегда изменялся скачками, на строго определенную величину, либо же на размер, кратный это величине.

Суть эксперимента минимальный отрицательный заряд
Эта минимальная величина минимальный или элементарный отрицательный электрический заряд. Этот заряд всегда уходил не сам по себе, а вместе с частицей вещества.

Так и был сделан вывод о существовании маленькой частицы вещества, несущей на себе неделимый электрический заряд, заряд электрона.

Гипотетическое существование электрона получило практическое подтверждение, прекратив все споры, так как теперь даже самые ярые скептики не могли отрицать существования электрона со строго определенным зарядом, одинаковым для разных веществ, так как это было доказано экспериментально независимыми исследованиями.

[Галлямова З.Р.]

Проводники в электрическом поле

Общеизвестно, что металлы могут проводить электрический ток. В составе кристаллической решетки металла существуют свободно перемещающиеся заряженные частицы, которые могут переносить заряд, а соответственно, образовывать электрический ток. Однако почему так получается?

Почему металлы хорошие проводники
Ведь все заряженные частицы являются частью атомов вещества. Дело в том, что в металлах в процессе образования кристаллической решетки атомы вещества сильно взаимодействуют друг с другом, следствием чего является потеря электронами связи с ядрами своих атомов.

Они остаются связанными только с самой формой вещества, не имея возможности покинуть его границы, но свободно перемещающимися внутри кристаллической решетки в любых направлениях.

Такая особенность металлов дает возможность существования электрического тока внутри проводника, а также обусловливает еще одно интересное свойство металлов, на котором стоит остановиться подробнее.

При наличии внешнего электростатического поля напряженность поля внутри проводника равна нулю. Это происходит вследствие свойства электростатической индукции.

Отсутствие электростатического поля внутри проводника
Можно рассмотреть это на примере металлической пластины. При помещении проводника в электрическое поле, в первый момент возникает электрический ток. Под действием внешнего поля электроны начинают перемещаться.

Они перераспределяются по пластине таким образом, что положительные заряды пластины оказываются со стороны отрицательных зарядов, создающих поле, и наоборот. Отрицательные заряды пластины притягиваются положительными зарядами, создающими внешнее поле.

При этом уже сами заряды пластины создают свое собственное поле, которое противоположно по направлению линиям напряженности внешнего поля и компенсирует его.

Так и выходит, что по принципу суперпозиции полей их напряженности складываются, и результирующая напряженность поля внутри проводника оказывается равной нулю. Перераспределение зарядов происходит за ничтожно короткое время, поэтому можно считать, что оно происходит мгновенно.

Выходит, что внутри тела, сделанного из проводника, электростатического поля не будет. Именно на этом свойстве металлов основано применение защиты от внешних полей.

Особо чувствительные приборы и механизмы помещают в оболочку из металла, например, в ящик или оплетают металлической сеткой, которая обладает теми же свойствами, что и цельные куски металла.

Таким образом, объекты не подвергаются внешнему воздействию вроде электризации, намагничивания и так далее.

Так же как поля внутри проводника нет, так и заряд внутри проводника равен нулю. Ведь если бы заряд не был равен нулю, то он бы обусловил существование поля.

Поэтому весь заряд распределяется по поверхности. Причем это справедливо как для заряженных проводников, так и для незаряженных проводников, помещенных в электростатическое поле.

[Галлямова З.Р.]

Представление поля наглядно с помощью силовых линий

Однако для того, чтобы все-таки иметь возможность представить электрическое поле наглядно, можно зарисовать векторы напряженности поля в разных точках пространства.

Если же нарисовать линии, исходящие из источника поля и распространяющиеся по пространству, при этом касательные к линиям в любой точке будут направлены так же, как и векторы напряженности, то мы получим довольно четкую образную картину распределения поля в пространстве.

Такие линии называют силовыми линиями электрического поля. Иное их название линии напряженности электрического поля. По направлению силовых линий всегда можно определить направление вектора напряженности, а по их густоте где напряженность поля больше.

Следует понимать, что силовые линии нереальны, как и любые другие воображаемые объекты. Это лишь вспомогательный инструмент для наглядного представления картины напряженности поля.

Однако в ряде экспериментов силовые линии можно сделать видимыми. Так же как и в случае с магнитным полем, при помощи которого можно распределить металлические опилки вдоль магнитных линий, так и частички изолятора в густой проводящей жидкости при помещении их внутрь электрического поля, выстроятся вдоль линий напряженности.

Электрическое поле в подавляющем большинстве своем неоднородно его интенсивность уменьшается при удалении от источника поля, а силовые линии расходятся в пространстве в разные стороны.

Однако поле может быть и однородным в некоторых случаях. Например, между двумя расположенными рядом, параллельными, разноименно заряженными пластинами силовые линии будут располагаться параллельно, а напряженность поля в каждой точке будет практически одинаковой. В таком случае поле называют однородным.

Следует помнить, что силовые линии электрического поля не замкнуты, они берут начало на положительных зарядах, а оканчиваются на отрицательных. Также силовые линии не пересекаются и не прерываются.

Напряжённость поля заряженного шара
В случае, когда мы имеем заряженный проводящий шар, то картина распределения силовых линий поля вокруг шара будет идентична картине распределения силовых линий вокруг точечного заряда.

Заряд равномерно распределяется по поверхности шара, а силовые линии направлены вдоль продолжений радиусов. Напряженность поля заряженного шара вне границ шара также совпадает с напряженностью поля точечного заряда, помещенного в центр сферы.

То есть, чтобы описать картину напряженности поля и силовых линий вокруг заряженного шара можно условно поместить в центр шара точку и нарисовать картину поля вокруг точки, но только вне границ шара. Внутри шара напряженность поля в каждой точке равна нулю.

[Галлямова З.Р.]

Напряжённость электрического поля и принцип суперпозиции


Как мы обнаруживаем любую силу или взаимодействие? По результату воздействия. Мы стукнули по мячу у мяча изменилась скорость. Земля притягивает нас мы не можем оттолкнуться ногами и улететь, а всегда приземляемся обратно. К сожалению

Так и с электрическим полем недостаточно просто знать, что оно есть, необходимо найти какую-то его характеристику, которая будет описывать результат его воздействия.

Мы знаем, что поле воздействует на заряд. Собственно, мы и можем обнаружить электрическое поле только по его действию на заряд. Соответственно, мы должны ввести величину, характеризующую силу этого воздействия.

Напряженность как характеристика электрического поля
При помещении в постоянное электрическое поле различных зарядов удалось обнаружить, что величина действия на заряд силы всегда прямо пропорциональна величине этого заряда.

По закону Кулона все верно. Ведь поле создается зарядом q_1, следовательно, при неизменной величине заряда q_1, созданное им поле будет действовать на помещенный в него заряд q_2 кулоновской силой, пропорциональной величине заряда q_2.

Поэтому отношение силы действия поля на помешенный в него заряд к этому заряду будет величиной, не зависящей от величины заряда, создающего это поле.

Такую величину можно рассматривать в качестве характеристики поля. Ее назвали напряженностью электрического поля:

E =F /q ,

где E напряженность электрического поля, F сила, действующая на точечный заряд, q помещенный в поле заряд.

Напряженность поля величина векторная, направлен вектор напряженности в любой точке поля всегда вдоль прямой, соединяющей эту точку и помещенный в поле заряд. Вектор напряженности всегда совпадает по направлению с вектором силы, действующей на заряд.

Принцип суперпозиции полей
Мы знаем, что если на тело действует несколько различных сил, направленных в разные стороны, то результирующая этих сил будет равна их геометрической сумме: F =F_1+F_2+...+F_n.

Направление воздействия этой силы находится по правилу сложения векторов. В случае, когда мы имеем заряд, находящийся в зоне действия нескольких электрических полей, то на него будут действовать несколько сил.

Величина и направление каждой отдельно взятой силы будет зависеть от напряженности каждого поля в отдельности. Результирующая же этих сил, как и в случае с телом, будет равна их геометрической сумме.

Логично предположить, что тогда и результирующая напряженность поля для нашего заряда будет складываться из напряженностей всех полей, присутствующих в этой точке. В этом суть принципа суперпозиции полей.

Этот принцип был подтвержден экспериментально: если в данной точке пространства различные заряженные частицы создают электрические поля, напряженности которых E_1,E_2,…,E_n, то результирующая напряженность поля в этой точке равна сумме напряженностей этих полей:

E=E_1+E_2+...+E_n .

При этом, напряженность каждого отдельного поля находится так, как если бы других полей в этой точке не существовало. Направление результирующей напряженности поля находится по правилу сложения векторов.