- •Лекция №1
- •Введение
- •Закон сохранения электрического заряда
- •Взаимодействие точечных зарядов. Закон Кулона
- •Электрическое поле. Напряженность электрического поля.
- •Напряженность поля точечного заряда
- •Линии напряженности.
- •Потенциальная энергия пробного заряда в поле точечного заряда (потенциальная энергия системы двух точечных зарядов). Потенциал электрического поля.
- •Работа по перемещению заряда в электрическом поле. Условие потенциальности электрического поля.
- •Эквипотенциальные поверхности.
- •Вектор градиента потенциала электрического поля. Связь напряженности и градиента потенциала.
- •Графическое изображение электрических полей.
- •Поток вектора напряженности электрического поля.
- •Теорема Гаусса
- •Дивергенция векторного поля
- •Теорема Гаусса в дифференциальном виде
- •Применение теоремы Гаусса для расчёта электрических полей
- •Поле бесконечной, равномерно заряженной плоскости
- •Две бесконечные плоскопараллельные разноименно заряженные плоскости
- •Бесконечный равномерно заряженный цилиндр (нить)
- •Два коаксиальных бесконечных равномерно заряженных цилиндра
- •Заряженная сфера
- •Концентрические равномерно заряженные сферы
- •Поле равномерно заряженного шара Принцип суперпозиции полей
- •Электрический диполь. Электрический (дипольный) момент
- •Поле точечного диполя
- •Энергия диполя в поле
- •Момент сил, действующих на диполь. Сила, действующая на диполь в неоднородном поле.
- •Электрическое поле в диэлектриках
- •Механизмы поляризации
- •Поверхностные и объёмные связанные заряды
- •Электростатическое поле в диэлектрике
- •А следовательно, . Таким образом, физической причиной ослабления поля в диэлектрике является поляризация его и появление собственного поля поляризационных связанных зарядов.
- •Вектор электрической индукции (электрического смещения)
- •Связь между векторами и .
- •Поведение векторов и на границе двух сред
- •Сегнетоэлектрики
- •В зависимости от сегнетоэлектрика петля может быть широкой или узкой.
- •Пьезоэлектрики
- •Проводники в электрическом поле
- •Поле заряженного проводника
- •Электроемкость уединенного проводника. Электроемкость проводящего шара
- •Конденсаторы. Емкость конденсаторов
- •Емкость плоского конденсатора
- •Емкость сферического конденсатора
- •Емкость цилиндрического конденсатора
- •Соединение конденсаторов
- •Энергия системы точечных зарядов
- •Энергия заряженного проводника
- •Энергия конденсатора
- •Энергия электрического поля
- •Законы постоянного тока Электрический ток
- •Плотность тока
- •Сторонние силы. Эдс сторонних сил. Напряжение.
- •Закон Ома для однородного участка цепи. Сопротивление проводника.
- •Закон Ома в дифференциальной форме
- •Закон Джоуля — Ленца
- •Закон Ома для замкнутой цепи. Закон Ома для неоднородного участка цепи
- •Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа
- •Работа и мощность тока
- •Электронная теория проводимости металлов (классическая теория Друде — Лоренца)
- •Закон Ома в электронной теории
- •Закон Джоуля — Ленца в электронной теории
- •Закон Видемана — Франца в электронной теории
- •Затруднения классической электронной теории металлов
- •Сверхпроводимость
- •Работа выхода электрона из металла Работа, которую нужно затратить для удаления электрона из твердого тела в вакуум, называется работой выхода.
- •Контактная разность потенциалов
- •Термоэлектрические явления и их применение
- •Явление Зеебека.
- •Явление Пельтье.
- •3.Явление Томсона
- •Термоэлектронная эмиссия
- •Квантовая теория. Энергетические состояния электронов в твердых телах. Энергия Ферми
- •Классификация твердых тел по зонной теории
- •Объяснение затруднений классической теории металлов. Как справилась с затруднениями квантовая теория?
- •Полупроводники Собственная проводимость полупроводника
- •Примесная проводимость полупроводников
- •Полупроводник типа n
- •Полупроводник типа p
- •Объяснение p-n перехода с квантовой точки зрения
3.Явление Томсона
Вильям Томсон (Кельвин) пришел к заключению, что при прохождении тока по неравномерно нагретому проводнику должно происходить дополнительное выделение (поглощение) теплоты, аналогичной теплоте Пельтье. Это явление получило название явление Томсона.
Термоэлектронная эмиссия
Термоэлектронной эмиссией называется испускание электронов нагретыми металлами.
Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двух электродной лампы –диод.
Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять вольтамперную характеристику, то она не является линейной. В области малых положительных значений U описывается законом трех вторых — закон Богуславского-Ленгмюра:
,.где В—коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, взаимного расположения.
При увеличении анодного напряжения ток достигает насыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод достигают анода. Плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода. Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона-Дешмана, выведенной на основе квантовой статистики: , где А— работа выхода электронов из катода. С — постоянная, одинаковая для всех металлов. Уменьшение А приводит к резкому увеличению плотности тока насыщения. Поэтому применяют оксидные катоды (покрытые оксидом щелочноземельного металла) работа выхода которых 1—1,5 эВ.
Явление термоэлектронной эмиссии используется в электронных лампах, рентгеновских трубках, электронных микроскопах, в радиотехнике, автоматике, телемеханике, для выпрямления переменного тока, усиления электрических сигналов, генерирования электромагнитных колебаний.
Квантовая теория. Энергетические состояния электронов в твердых телах. Энергия Ферми
Квантовую теорию металлов создали в 30-х годах нашего столетия Френкель (СССР) и Зоммерфельд (Германия).
При квантомеханическом описании, напротив, оказывается, что ряд величин (энергия, импульс) может принимать только дискретные значения. Если, например, изобразить на диаграмме энергию, которую может иметь электрон в атоме, то получается набор линий, представляющий собой энергетические уровни свободного атома. Изолированный атом имеет дискретный энергетический спектр. Электроны подчиняются принципу запрета, сформулированному швейцарским физиком Паули:
На каждом энергетическом уровне может быть не более двух электронов с противоположно направленными спинами.
Spin— крутиться, собственный механический момент импульса электрона (связано с вращением электрона вокруг своей оси).
По этой причине при переходе от атома к атому происходит постепенное заполнение энергетических уровней.
Теперь представим себе, что расстояние r между атомами уменьшается на столько, что на каждый электрон будет теперь действовать не только ядро собственного атома, но и ядра соседних атомов. Притягивая электрон, эти ядра ослабляют связь его в атоме, в результате чего возникает движение электронов от атома к атому, что приводит к обобществлению всех электронов на одном и том же энергетическом уровне. Взаимодействующие атомы представляют собой единую квантовую систему, в пределах которой действует принцип запрета Паули. При этом энергетические уровни расщепляются в почти непрерывные энергетические зоны. Больше всего подвержены возмущению внешние валентные электроны. При расщеплении валентных уровней образуется валентная зона.
Ширина зоны получается порядка нескольких электрон-вольт. Если N = NA, то расстояние между подуровнями в зоне ~10-23 эВ.
Обозначим энергию дна зоны через Wmin, потолка зоны через Wmax.
Wf — энергия уровня Ферми.
Уровень Ферми — это уровень, на котором находятся электроны, обладающие максимальной энергией в валентной зоне при Т = 0 К, т.е. это самый высокий уровень из занятых в валентной зоне.