Контрольные вопросы

1. Расскажите о земном магнетизме. Какого его происхождение? Какие вы знаете магнитные элементы^? В чем заключается практическое и теоретическое значение проблемы исследования земного магнетизма? В каких щитах горизонтальная составлявшая максимальна, в каких минимальна? Этот же вопрос для вертикальной составляющей земного магнитного поля.

2. Что такое плоскость магнитного меридиана?

3. Какие углы называются углами склонения и наклонения?

4. Закон Био-Савара-Лапласа (записать в скалярном и векторном виде).

5. Чему равна напряженность магнитного поля в центре кругового тока? Вывести формулу.

6. Почему катушка т-г делается всегда большего диаметра/ Z« 20см/.

7. Почему при отсчетах показания т-г нужно брать отчет по обоим концам стрелки?

8. Зачем нужно коммутировать ток в катушке т-г.?

9. Каким образом элементарные заряженные частицы из космического пространства улавливаются Землей/магнитная ловушка/?Что вы знаете о радиационных поясах вокруг Земли? Какова природа так называемого широтного эффекта?

Лабораторная работа №4 исследование температурной зависимости сопротивления проводника и полупроводника (термистора)

Цель работы: изучение методов термического коэффициента

сопротивления для проводников и полупроводников.

Приборы и принадлежности:

Кратрая теория

1. Все вещества в природе по своим электрическим свойствам делятся на проводники и диэлектрики (изоляторы). Диэлектрики - это вещества, которые практически тока не проводят (электроны все связаны). Проводники – вещества, хорошо проводящие ток. Различают проводники 1 рода (металлы) и проводники 2 рода (электролиты). Проводимость металлов обусловлена наличием свободных электронов в электролитах же-ионный тип проводимости.

Полупроводники в одних условиях ведут себя как проводники, а в других - как изоляторы. Проводимость полупроводника носит электронно-дырочный характер. Из электронной теории строения вещества известно, что положительной частицей является атом. Атом состоит из ядра, вокруг которого движутся электроны. Орбиты электронов не произвольны, а строго определены.

Орбиты подразделяются по слоям, причем энергия электронов, занимающих орбиты одного слоя, сравнительно близки друг другу. Энергия электронов, орбиты которых относятся к разным слоям, различаются уже на весьма большее величины. Электроны, движущиеся вокруг отдельных ядер на внутренних электронных оболочках, практически не меняются. Что же касается внешних электронных оболочек, то они в результате сближения отдельных атомов и возникающего при этом сильного взаимодействия между электронами перестраиваются. В одних случаях электроны продолжают удерживаться молекулам и ионам. В этом случае подвижность электронов ограничена, и вещество представляет собой твердый диэлектрик. Электроны (валентные) освобождаются, и приобретают подвижность в веществе, в этом случае представляет собой проводник – металл.

Валентные электроны обладают энергией. Электроны атома могут обладать только определенными значениями энергии. Эти значения называются энергетическими уровнями. Энергетические уровни объединяются в зоны, электроны внешней оболочки атома составляют валентные зоны. Существует число электронов, находящихся на более высоких энергетических уровнях. Эти уровни составляют зону проводимости. Электроны этой зоны называются электронами проводимости. Они совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим, то есть следующие уровни объединяются между собой и получают зону проводимости.

Энергетические зоны в металле (Рис.1). В полупроводниках зона проводимости отделена от валентной зоны, так называемой запрещенной зоной (Рис.2). В диэлектриках подобно полупроводникам присутствует широкая запрещенная зона (Рис.3).

2.Способность вещества проводить электрический ток характеризуется его проводимостью (G). Величина, обратная проводимости, называется сопротивлением (R). Сопротивление меняется при изменении температуры. Для большинства металлов сопротивление с повышением температуры увеличивается, с понижением - уменьшается.

Качественно это обстоятельство объясняет классическая теория проводимости металлов (Лоренц) тем, что при повышении температуры тепловое движение атомов мешает упорядоченному движению электронов. В результате сопротивление металлов увеличивается, а проводимость уменьшается.

Опыт показывает, что в первом приближении со противление проводника линейно возрастает с температурой по закону Rt = R₀ (1+αt) (1)

где R, R₀ - сопротивления при температуре и,

α - температурный коэффициент сопротивления, показывающий величину отно­сительного изменения сопротивления при нагревании на один градус.

α(2)

Величину термического коэффициента можно получить, не прибегая к измерению. Для этого достаточно формулу (1) записать для сопротивления при двух разных температурах и поделить одно выражение на другое:

; ( 3)

Как показывает теория и опыт, при температуре равной нулю Кельвинов сопротивление металлов стремится к нулю. Одним из затруднений классической электронной теории металлов является невозможность правильно объяснить температурную зависимость сопротивления. Согласно этой теории R , а не, как показывает опыт ( См. Г. А. Зисман. О. М. Тодес. «Курс обшей физики». т. 2. - М : Наука. 1971, параграфы 20 и 21)

3.Правильное объяснение температурной зависимости сопротивления дает современная теория проводимости металлов, созданная на основе квантовой механика физиком Я. И. Френкелем и немецким физиком А. Зоммерфельдом. Это так называемая зонная теория.

Согласно зонной теории и, что полностью согласуется с опытом.

В отличие от металлов, где имеются свободные электроны в полупроводниках (германий, кремний, селен в др.) электроны находятся в связном или полусвободном состоянии (ковалентные парно - ионные связи в атомной кристаллической решетке). Поэтому электропроводность полупроводников при обычных температурах очень мала, а сопротивление их достигает громадных значений. При нормальных условиях полупроводники проводят ток в миллионы раз хуже, чем металлические проводники. По сравнению с металлами полупроводники обладают важным свойством: сопротивление полупроводника чрезвычайно чувствительно к внешним воздействиям (освещение, нагревание и др.).

Например, с повышением температуры полупроводника его электрическое сопротивление резко падает, электропроводность сильно возрастает. Это свойство полупроводников используется в термисторах, которые широко применяются в практике.

Зависимость сопротивления полупроводника от температуры можно объяснить с точки зрения зонной теории. Суть ее заключается в том, что энергия электронов твердого тела распределяется по энергетическим зонам, соответствующим определенным состояниям атомов (рис.1).

Состояниям невозбужденных атомов соответствует валентная или заполненная зона (1). Эти уровни энергии электронов полностью заполнены при абсолютном нуле.

Возбужденным состояниям атомов соответствует свободам зона или зона проводимости (3). Имея такие значения энергии, электроны в зоне проводимости являются свободными.

В металлах зона проводимости непосредственно примыкает к заполненной зоне или перекрывает ее (рис. 1 а), поэтому электроны могут легко переходить с одного уровня на другой. Этим обусловлена хорошая проводимость металлов.

В отличие от металлов, в полупроводниках заполненная зона отделена от зоны проводимости, так называемой запрещенной зоной шириной <W (2)

Для того чтобы полупроводник стал проводить ток, необходимо электроны перебросить в зону проводимости из валентной зоны, преодолев потенциальный барьер (запрещенную зону) шириной <W, за счет поглощения какой-либо энергии. В беспримесной (чистом) полупроводнике в энергетической зоне проводимости (свободной зоне) при обычных температурах имеется незначительное число электронов, которые попадают сюда из заполненной зоны, за счет энергии флуктуации теплового движении.

С повышением температуры тепловое движение становится более интенсивным, число флуктуаций растет, а вместе с ним возрастает число электронов проводимости. Поэтому проводимость полупроводника с повышением температуры резко возрастает. Наоборот, с уменьшением температуры число флуктуаций уменьшается, а вместе с ними уменьшается число электронов проводимости. При абсолютном нуле температуры электроны заполняют только валентную зону.

4. При температуре стремящейся к нулю, R в металлах стремится к нулю. Для некоторых металлов и сплавов в близи абсолютного нуля температуры, наблюдается скачкообразное падение сопротивления практически до нуля. При этом проводник приходит в сверхпроводящее состояние.

Температурная зависимость сопротивления широко используется в технике для создания термометров сопротивления.

5. Различают собственную и примесную проводимости полупроводников.

Собственная возникает в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости. При этом в зоне проводимости появляется некоторое число носителей тока- электронов, занимающих уровни вблизи дна зоны; одновременно в валентной зоне освобождается такое же число мест на верхних уровнях. Также свободные от электронов места на уровнях заполненной при абсолютном нуле валентной зоны называют дырками.

Электроны и образовавшиеся в таком же числе дырки являются носителями тока.

Типичным полупроводником являются элементы IV (группы периодической системы Менделеева - германий, кремний. Они образуют решетку, в которой каждый связав ковалентными (попарно электронными) связями с четырьмя равностоящими от него соседними атомами. При достаточно высокой температуре тепловое движение две может разорвать отдельные пары, освободив один электрон. Покинутое электроном место перестает быть нейтральным, в его окрестности возникает избыточный положительный заряд + образуется дырка. На это место может перескочить электрон одной из соседних пар. Если свободный электрон встретиться с дыркой, они рекомбинируют (соединяются). Это означает, что электрон нейтрализует избыточный положительный заряд, имеющийся в окрестности дырки, и теряет свободу передвижения до тех пор, пока снова не получит от кристаллической решетки энергию для своего высвобождения. Рекомбинация приводит к одновременному исчезновению свободного электрона и дырки. Итак, в полупроводнике идут одновременно два процесса: рождение попарно свободных электронов и дырок и рекомбинация.

В отсутствие внешнего электрического поля электроны проводимости и дырки движутся хаотически. При включении поля на хаотическое движение накладывается упорядоченное движение: электронов против поля и дырок - в направлении поля. Собственная электропроводность обусловливается как бы носителями зарядов двух знаков - отрицательными электронами и положительными дырками. Собственная проводимость наблюдается во всех без исключения полупроводниках при достаточно высоких температурах.

Примесная проводимость возникает, если некоторые атомы данного полупроводника заместить в узлах кристаллической решетки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов. На рис.1 условно изображена решетка германия с примесью S-валентных атомов фосфора. Для образования ковалентных связей с соседями атому фосфора достаточно четырех электронов. Следовательно, пятый валентный электрон оказывается как бы лишним и легко отщепляется от атома за счет энергии теплового движения, образуя странствующий свободный электрон:

Образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентных связей, т.е. образованием дырки. В полупроводнике с S-валентной примесью имеется только один вид носителей тока - электроны. Такой полупроводник обладает электронной проводимостью или является полупроводником п- типа (от слова neqativ - отрицательный). Атомы примеси, поставляющие электроны проводимости, называются донорами. Примеси искажают поле решетки, что приводит к возникновению на энергетической схеме так называемых донорных уровней, расположенных в запрещенной зоне кристалла (рис.2). Любой уровень валентной зоны или зоны проводимости может быть занят электроном, находящимся в любой месте кристалла. Если донорные уровни не расположены недалеко от потолка валентной зоны, они не могут существенно повлиять на электрические свойства кристалла.

Если же расстояние таких уровней от дна зоны проводимости гораздо меньше, чем ширина запрещенной зоны, то дело обстоит иначе. В этом случае энергия теплового движения даже при обычных температурах оказывается достаточной для того, чтобы перевести электроны с донорного уровня в зону проводимости

На рис. 3 условно изображена решетка кремния с примесью 3-валентных атомов бора. Трех валентных электронов атома бора недостаточно для образования связей со своими четырьмя соседями. Поэтому одна из связей окажется не укомплектованной н будет представлять собой место, способное захватить электрон. При переходе на это место электрона одной из соседних пар возникает дырка, которая будет кочевать по кристаллу. Вблизи атома примеси возникает избыточный отрицательный заряд, но он будет связан с данным атомом н не может стать носителем тока. Таким образом, в полупроводнике с 3-валентной примесью возникают носители тока только одного вида-дырки.

Проводимость в этом случае называется дырочной, а о полупроводнике говорят, что он принадлежит к p-типу (от слова positiv - положительный). Примеси, вызывающие возникновение дырок, называются акцепторными. На схеме уровней (Рис. 4) акцептору соответствует расположенный в запретной зоне недалеко от ее дна акцепторный уровень. Образованию дырки отвечает переход электрона из валентной зоны на акцепторный уровень. Обратный переход соответствует разрыву одной из четырех ковалентных связей атома примеси и его соседями и рекомбинации образовавшегося при этом электрона и дырки.

С повышением температуры концентрация примесных носителей тока быстро достигает насыщения. Это означает, что практически освобождаются все донорные или заполняются электронами все акцепторные уровни. Вместе с тем по мере роста температуры все в большей степени начинает сказываться собственная проводимость полупроводника, обусловленная переходом электронов непосредственно из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, при высоких температурах проводимость полупроводника складывается из собственной и примесной. При низких температурах преобладает примесная, а при высоких - собственная проводимость.

6.Предположим для упрощения расчетов:

1.Что время между двумя последовательными соударениями электронов одинаково для всех электронов, обозначим его за .

2. При каждом соударении электронов, он передает решетке накопленную энергию полностью и поэтому начинает движение со скоростью = 0 Плотность тока возникшая в металле под действием электрического поля с напряженностью Е

(1), где

n - концентрация электронов

e - заряд электрона

- скорость упорядоченного движения электронов

На каждый электрон действует сила в 1 кл F = eE (2)

По закону Ома, т.к. электроны движутся равноускоренно,

но так же F = ma (3)

Из формул (2) и (3) следует, что e=ma (4),

а и формулы (4) следует, что a = (5)

Т.к. (6)(6)

Из формул (5) и (6) =≫ =(7)

Из формулы (7) (8)

Электроны между соударениями движутся равноускоренно, то средняя скорость (). Значение средней скорости равно половине максимального значения.

(9)

Из формул (9) и (8) =≫ (10)

Из формул (1) и (10) j = (11)

Из формулы (11) видно плотность тока пропорциональна напряженности тока. Закон Ома для полупроводников в дифференциальной форме:

j =