Реферат: Кристаллы в природе

   Величина термо-э.д.с. в полупроводниковых термоэлементах больше, чем у металлических термопар, не только за счёт меньшей теплопроводности полупроводников. Основная причина состоит в том, что в полупроводниках нагревание увеличивает не только кинетическую энергию электронов и дырок, но и их концентрацию.

  В результате повышения концентрации основных носителей тока – электронов в полупроводнике n–типа (рис37) и дырок в полупроводнике р-типа(рис 38) и увеличение энергии их движения изменяется распределение зарядов в внутри полупроводника: основные носители тока «устремляются» к холодному концу, «обнажая» ионы примеси. Такое перераспределение зарядов влечёт за собой образования внутреннего электрического поля, которое по мере возрастания замедляет движение зарядов от горячего конца к холодному. В результате совместного действия этого поля и соответствующей разности температур устанавливает равновесие, характеризуемое определённой разностью потенциалов между нагретым и холодным концами полупроводника. Если включить такой полупроводник в цепь и замкнуть её, то в цепи появится ток.

                                        рис. 37                                           рис. 38

  При прохождении тока через цепь, состоящую из двух спаянных металлов, наблюдается эффект, обратный явлению термоэлектричества, т.е. температура одного из контактов повышается, а другого -  понижается. Этот эффект был обнаружен в 1834 году французским физиком Пельтье. Изменив направление тока в термобатареи, можно холодильник превратить в генератор. На основе явления Пельтье разработан термоэлектрический способ отоплений.

5.10. Зависимость сопротивления контакта от внешнего                                                                                                                          напряжения   

 Двойной электрический слой, возникающий вдоль поверхности соприкосновения двух металлов, двух полупроводников или металла и полупроводника, обладает ещё способностью изменять  электрическое  сопротивление в зависимости от направления внешнего электрического поля источника тока.

  Подсоединим контакт двух металлов 1 и 2(рис 39) к источнику постоянного тока. Если к металлу 1 подсоединить плюс, а к металлу 2 – «-» источника, то тогда направление электрического поля источника и направление внутреннего электрического поля в двойном электрическом слое будут одинаковыми. Суммарное электрическое поле ещё больше затруднит движение электронов в контактном слое.

                                                                                      рис. 39

 Толщина двойного слоя и контактная разность потенциалов возрастут. Можно сказать, что увеличилось сопротивления контактного слоя, так как ток в цепи уменьшится.

  Если к металлу 2 присоединить положительный, а к металлу 1-отрицательный полюс источника, то направление внешнего электрического поля и электрического поля контактного слоя будут противоположны. Суммарное электрическое поле напряжённостью Е=Евнеш-Евнут  оказывает меньшее тормозное воздействие на движущиеся электроны, и преимущественное движение электронов из металла 1 в металл 2 станет более активным. Толщина двойного электрического слоя и контактная разность потенциалов уменьшатся, что равносильно уменьшению электрического сопротивления контакта.

  Приложенное внешнее напряжение источника тока называют прямым, если оно уменьшает сопротивление контакта, и обратным, если оно увеличивает его сопротивление.

   Однако при контакте двух металлов изменение концентрации электронов при прямом и обратном напряжении не очень заметно. Ведь концентрация электронов в металлах огромна – порядка 1028м-3. Поэтому явление зависимости сопротивления двойного электрического слоя от приложенного напряжения особенно ярко проявляется при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости.

  Если внешнее электрическое поле направить навстречу внутреннему, то под действием сил этого поля основные носители зарядов устремляются к р-n-переходу, внедряются в него, насыщают его(рис40). В результате этого сопротивления р-n-перехода уменьшается. В цепи установится значительный ток, созданный основными носителями тока.

    Если к р-n-переходу приложить внешнее напряжение так, чтобы напряжённость тока, была направлена в ту же сторону, что и напряжённость двойного слоя, то часть основных носителей тока под действием сил этого поля уйдёт из приконтактной области к соответствующим полюсам и нейтрализует там (рис41)

                                      рис. 40                                              рис. 41

Следовательно, приконтактная область ещё больше обеднится  основными носителями тока, а это означает сопротивления р-n-перехода значительно возрастёт. Ток во всей цепи будет очень малым, так как он определяется лишь движением не основных носителей тока, которых немного по сравнению с основным.

  Зависимость тока в цепи, содержащей р-n-переход, от напряжения источника тока изображена на рисунке 42.

                                      рис.42

 При прямом напряжении сила, начиная с некоторого значения, почти линейно зависит от напряжения. Следовательно сопротивления р-n-перехода сначала постепенно уменьшается, а затем остаётся почти постоянным. При обратном напряжении на некотором участке ток почти не зависит от приложенного напряжения. Это говорит о том, что сопротивление р-n-перехода возрастает пропорционально приложенному напряжению. Обратный ток, созданный не основными носителями, незначителен: он будет тем меньше, чем меньше не основных носителей в полупроводнике.

  При больших обратных напряжениях, порядка нескольких сотен вольт, сила тока резко возрастает, наблюдается  пробор р-n-перехода. Толщина запорного слоя очень мала (10-5см), а напряжённость поля в нем достигает тысяч вольт на метр. Столь сильное поле может освобождать связанные электроны, вырывая их из кристаллической решётки, что вызывает резкое увеличение числа не основных носителей тока. Запорный слой разрушается, и обратный ток резко возрастает.

5.11. р-n-р-переход. Транзисторы.

Полупроводниковые приборы используют для усиления и генерации переменных токов и напряжений. Таки приборы получили названия кристаллических триодов или транзисторов. Чаще всего для устройства полупроводниковых триодов применяют германий и кремний. Это связано с тем, что длина свободного пробега электронов в них больше, чем в других полупроводниках. Кроме этого, кристаллы германия и кремния обладают большой механической прочностью, химической устойчивостью. Важным свойством этих полупроводников является относительно медленная рекомбинация дырок и электронов, поэтому запряжённые частицы противоположных знаков проникают сквозь тонкие слои этих кристаллов без воссоединения друг с другом.

  Наиболее распространённым типом транзистора является плоскостной триод. Для изготовления плоскостного триода в монокристалл германия или кремния вводят соответствующие примеси таким образом, что создают прослойку дырочного полупроводника между двумя слоями  электронного.  В зависимости от этого различают триоды на основе

п-полупроводников (тип р-п-р) (рис43).

  При соединении полупроводников с разным типом проводимости на границе раздела образуется область, обедненная носителями

                           рис. 43                                                                  рис.44

тока (запирающий слой). Наличие трёх полупроводников в плоскостном триоде приводит к образованию двух запорных слоёв по обе стороны среднего полупроводника. Таки образом, полупроводниковый триод в отличие от диодов содержит два электронно-дырочных перехода. Он как бы представляет собой два диода, соединённых последовательно, навстречу друг другу.

  Но нельзя представить себе транзистор как простую совокупность двух обычных полупроводниковых диодов. Дело в том, что у транзистора ток, текущий через второй переход, в то время как у двух отдельных диодов ток в каждом из их зависит только от величины и полярности приложенного к нему напряжения и совсем не зависит от состояния другого диода.

   Для того чтобы полупроводник триод начал усиливать, его надо соединить с двумя внешними источниками тока так, чтобы один электронно-дырочный переход был включён в прямом направлении, а второй - в обратном (рис44).

  Переход, включаемый в пропускном направлении, называют эмиттерным, а переход, включаемый в запорном направлении – коллекторным.

   Электроды называют соответственно эмиттером и коллектором. Электрод, соединённый со средним проводником, называют основанием или базой.

                                 VI   Магнитные свойства вещества.

6.1 Элементарные носители магнетизма

В первой половине XIX в. французский физик Ампер предложил, что особого магнитного поля, не обусловленного электрическими токами, вообще не существуют. По мысли Ампера, магнитные свойства вещества связаны с текущими внутри молекул вещества молекулярными токами. В веществе как бы существуют элементарные магнитики - замкнутые молекулярные токи. Их взаимное расположение и ориентация определяют магнитные свойства вещества.

   В настоящее время гипотеза Ампера получила убедительное обоснование и вскрыта физическая сущность этих элементарных «магнитиков».

   Атомы вещества обладает магнитными свойствами, в частности, потому, что в нём вокруг положительно заряжённого ядра обращаются электроны. Движущиеся вокруг ядра электроны можно представить как элементарные «магнитики», так как круговой электрический ток создаёт магнитное поле, аналогичное магнитному полю постоянного магнита.

 На рисунке 45,а изображён простейший атом, состоящий из ядра и обращающегося вокруг него электрона. Электрический ток, эквивалентный движению электрона (рис 45,б).

                                     а                                                   б             рис. 45

На этом же рисунке показано и соответствующее круговому току магнитное поле. Направление линий индукции определяется правилом буравчика.

  Однако магнитные свойства атома связаны не только с орбитальным движением электронов. Элементарные частицы, электроны, протоны и нейтроны, входящие в состав атома, сами обладают магнитными свойствами. Все они в свою очередь представляют собой тоже элементарные «магнитики», но разные по своим магнитным свойствам.

    Магнитные свойства изолированного атома определяются магнитными свойствами в первую очередь электронов, хотя определённую лепту вносят протоны и нейтроны. В случае же твёрдого тела, представляющего совокупность огромного числа атомов, магнитные свойства его определяются не только элементарными частицами, принадлежащими данному атому, но и взаимодействием частиц атомов.

    6.2. Орбитальные и спиновые магнитные моменты электрона

   Для характеристики магнитного поля электрона, движущегося  по замкнутой орбите, вводят понятие орбитального  магнитного момента Р0. Это векторная величина, измеряемая произведением элементарного тока I на величину обтекаемой им площади S (Р0=SI). Направление орбитального магнитного момента Р0 определяется правилом буравчика.

  Электрон, движущийся по орбите, обладает также и механическим моментом импульса L0.

   Движущаяся со скоростью v материальная точка массы m обладает импульсом Р=mvr. Величина этого вектора L, а направление его определяется правилом буравчика.

  Электрон кроме орбитального магнитного момента обладает и орбитальным механическим моментом, при этом Р0 и L0 направлены в противоположные стороны.

  Величину Горб, равную отношению Р0 к L0, называют гиромагнитным отношением. Для электрона, обращающегося по орбите вокруг ядра, Горб=е/2m, где е - заряд электрона, а m - его масса.

  В настоящее время доказано, что электрон, помимо орбитальных магнитных и механических моментов, обладает ещё и собственными магнитными и механическими моментами, получившими название спиновых моментов Рспин и Lспин.

  Первоначально спиновые моменты связывали с вращением электрона вокруг своей оси. Благодаря этому и возник термин «спин». Но оказалось, что такое представление неправомерно. Величина спинового магнитного момента Рспин, рассчитанная по значению заряда  электрона и скорости его предполагаемого вращения, не совпадает со значением Рспин, полученным экспериментально. Законы движения электронов более сложны и не могут быть описаны на основе классических представлений.

  Электрон обладает рядом свойств, которые характеризуются не только его зарядом и массой, но также спиновым магнитным моментом и собственным механическим моментом; Рспин и Lспин  электрона такие же неотъемлемые характеристики электрона, как его заряд е и масса m.

Рспин и Lспин  характеризуются спиновым гиромагнитным отношением:     Гспин=   Рспин/ Lспин=е/m, т.е. Гспин=2Горб.

   Собственным магнитным моментом обладают также протоны и нейтроны. Но их собственные магнитные моменты на три порядка меньше спинового магнитного момента электрона. Естественно, в первом приближении можно пренебречь  магнитными моментами протонов и нейтронов, т.е. магнитным моментом ядра. В электронной теории магнетизма считают, что магнитные свойства атома целиком определяются электронами.

  Полный магнитный момент атома Рат представляет собой геометрическую сумму  орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов, принадлежащих данному атому. Если в атоме Z электронов, то Рат=∑z1P0+∑z1Рспин.

  В случае твёрдых тел результаты этого сложения зависят т взаимодействия частиц в твёрдом теле. Разные вещества обладают различными магнитными свойствами.

6.3 Классификация тел по магнитным свойствам

Cамое простое деление тел по магнитным свойствам сводится к выделению слабомагнитных и сильномагнитных тел. известно также деление веществ по магнитным свойствам на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

  Впервые деление веществ по магнитным свойствам предложил уже более ста лет назад М.Фарадей. Он помещал образцы различных веществ в неоднородное магнитное поле и обнаружил, что часть из них втягивается из области с малой индукцией в область большей индукции и устанавливается вдоль линии индукции поля, а часть выталкивается из области магнитного поля с большим значением индукции, устанавливаясь поперёк линии индукции. первую группу он назвал парамагнетикой(вдоль), вторую- диамагнетикой(поперёк).

   Среди парамагнетиков бала обнаружена группа веществ, обладающая особо сильными свойствами, как бы сверхпарамагнетики. К ним в первую очередь относятся железо, никель и кобальт. впоследствии их выделили в особый класс ферромагнитных веществ.

   Все эти вещества характеризуются различной магнитной проницаемостью μ: для диамагнетиков μ<1, для парамагнетиков μ>1, но и в том и в другом случае μ лишь незначительно отличаются от единицы.  для ферромагнетиков μ>>1. Но не только в этом отличие ферромагнитных свойств.

   Магнитная проницаемость ферромагнетиков  μ не является постоянной величиной, а зависит от индукции внешнего поля В0. Характер данной зависимости приведён на рисунке 45в.

                                                                           рис.45в

  Ферромагнетики обладают остаточным магнетизмом, т.е. могут сохранять намагниченность и при отсутствии внешнего намагничивающего поля.

   Для ферромагнетиков характерен магнитный гистерезис - явление, возникающее при перемагничивании ферромагнитного образца. Сущность магнитного гистерезиса состоит в том, что изменение намагничивание образца I отстаёт от изменений индукции магнитного поля   В0. При этом I=В-В0=(μ-1)В0.  при некоторой температуре, называемой точкой Кюри, ферромагнетик теряет ферромагнитные свойства и превращается в обычный парамагнетик.  

6.4. Диамагнетизм. Влияние магнитного поля на орбитальное движение электронов

Атомы диамагнитных веществ, при отсутствии внешнего намагничивающего поля не имеют магнитного момента. Орбитальные и спиновые моменты всех электронов этих атомов скомпенсированы. Если же диамагнитное тело поместить в магнитное поле, то в нём возникнет дополнительный магнитный момент, направленный против поля. Как это объяснить?

    Объяснение основано на применении к атому, помещённому в магнитное поле, правило Ленца. В момент включения магнитного поля или внесении диамагнитного вещества в область, где поле уже есть, в атомах должны возникнуть индукционные токи. В действительности в атоме движутся электроны, а магнитное поле как-то изменяет движение этих электронов и эквивалентный этому движению электронов ток. Но для простоты объяснения будем говорить об индукционном токе. Согласно правилу Ленца направление индукционного тока таково, что поле, им созданное, направлено против намагничивание поля В0. Возникший дополнительный орбитальный магнитный момент электрона направлен против поля. Данный эффект продолжается и после исчезновения э.д.с. индукции, когда магнитное поле не меняется. Объясняется это отсутствием сопротивления движению электронов в атоме, вследствие чего индукционный ток в нём не затухнет и после исчезновения э.д.с.

   Если орбитальные магнитные моменты разных электронов в атоме могут скомпенсировать друг друга, то дополнительные магнитные моменты электронов, направленные у всех электронов против поля, суммируются, т.е. возникает суммарный дополнительный магнитный момент атома.

Возникновения диамагнетизма можно объяснить ещё и изменением частоты обращения электрона вокруг ядра.

  Рассмотрим случай, когда плоскость орбиты электрона перпендикулярна к вектору В0 магнитного поля (рис46). На электрон в этом случае, кроме кулоновской силы Fк, действует сила Лоренца Fл, равная evB0. Равнодействующая сила при этом равна либо сумме, либо разности Fк  и  Fл, поэтому и центростремительное ускорение в этих двух случаях различно. Оно или увеличится или уменьшится, соответственно изменяется и частота обращения электрона вокруг ядра.  Это изменение частоты и обусловливает появления дополнительного магнитного момента, так как изменяется сила эквивалентного тока.

                                                 рис. 46

   Во всех же других случаях происходит так называемая прецессия электронной орбиты в магнитном поле.

Диамагнитный эффект присущ всем атомам без исключения, но по величине он незначителен.  Обнаружить диамагнитный момент удаётся лишь в том случае, когда он не подавляется более сильным парамагнитным эффектом.

 Диамагнетиками являются все инертные газы, а также металлы (медь, серебро, золото, бериллий, цинк, кадмий, бор, галлий, свинец, сурьма, висмут и др.).

6.5. Парамагнетизм

 У парамагнетиков атомы и молекулы имеют постоянный магнитный момент, т.е. магнитные моменты частиц, их составляющих, не скомпенсированы. Такие атомы и молекулы в магнитном поле ведут себя как магнитная стрелка, устанавливаясь по полю.

  При рассмотрении поведения парамагнитных веществ в магнитном поле надо учитывать, что магнитное поле ориентирует магнитные моменты атомов, а тепловое движение, наоборот, оказывает дезориентирующее действие. В результате действия обоих факторов устанавливается некоторое распределение магнитных моментов тела.

На рисунке 48 показаны магнитные моменты атомов парамагнетика при отсутствии внешнего магнитного поля.

                                            рис. 48                                             рис. 49

Магнитные моменты отдельных атомов ориентированы равновероятно и по всем направлениям и средний магнитный момент всего тела равен нулю.

  На рис 49 показано, как при действии внешнего магнитного поля в парамагнетике возникает преимущественное направление элементарных магнитных моментов. Средний момент тела теперь отличен от нуля, и тело намагничивается по полю. Очевидно, что степень ориентации магнитных моментов по полю зависит от величины индукции поля.

  Для парамагнетиков характерна некоторая зависимость намагниченности от температуры.

  Парамагнитных веществ много, это некоторые газы (N2, О2 и др.), соли лантаноидов, железа, кобальта, никеля, а также многие металлы (щелочные металлы, магний, кальций, алюминий, хром, молибден, марганец, платина, палладий) и др.

6.6. Ферромагнетизм. Элементарные носители ферромагнетизма.

   Носители ферромагнетизма были установлены с помощью опытов по гиромагнитным явлениям. В этих опытах определялась гиромагнитное отношение Г.

  Рассмотрим один из самых интересных гиромагнитных опытов - опыт Эйнштейна и де Газа, осуществлённый в 1915г. В этом опыте железный цилиндр помещали в соленоид и подвешивали на тонкой кварцевой нити по оси соленоида (рис50).

 По соленоиду можно было пропускать ток. На кварцевой нити укрепляли зеркальце, на которое направляли луч света. После отражения от зеркальца этот луч попадал в виде «светового зайчика» на экране. При малейших закручиваниях нити поворачивалось и зеркальце, а световой зайчик на экране смещался. Получился весьма чувствительный индикатор закручивание нити.  Чтобы разобраться в опыте Эйнштейна и де Газа, необходимо уяснить сущность закона сохранения импульса. Оказывается, каждое вращающееся тело обладает некоторым моментом импульса Р, который определяется скоростями и расстояниями тел или частиц тел относительно оси вращения. Чем больше скорости v (или ω) и расстояние точки от оси вращения, тем больше величина Р.

Установлено, что если на тело не действуют никакие силы, способные изменять его вращения, то момент импульса Р сохраняется (Р=const). Ряд опытов и часто наблюдаемые в жизни  явления очень хорошо подтверждают законы сохранения момента импульса. Наиболее простой пример - вращение фигуриста. Если фигурист вращается, то стоит ему прижать руку к телу, как угловая скорость его вращения  возрастёт. Если же наоборот раскинет руки, то угловая скорость его вращения уменьшится. Дело в том, что момент импульса при вмещении фигуриста не должен изменяется. Но эта величина зависит от угловой скорости ω и расстояния от оси вращения r. Поэтому, когда фигурист прижимает руки, r уменьшается, ω - возрастает.

      Обратимся теперь к интересующему нас опыту Эйнштейна и де Газа. Если намагнитить стержень, пропустив по соленоиду ток определённого направления, то все орбитальные и спиновые моменты в сердечнике должны сориентироваться по полю.

                                                                                                   рис. 50                                                

Определённым образом должны сориентироваться и механические моменты атомов. Если же теперь сердечник перемагнитить, изменив направление тока в соленоиде, то должна произойти переориентация, как  магнитных моментов, так и их механических моментов. А стержень в результате этого должен вращаться. Однако  возникшие в опыте Эйнштейна и де Газа при такой его постановке эффект весьма незначителен и учёные усилили его, воспользовавшись явлением механического резонанса. На соленоид подавалось переменное напряжение, частота которого совпадала с частотой собственных крутильных колебаний системы. Световой зайчик в этом случае смещался вполне заметно.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8