Для того, чтобы по проводнику шел ток, в нем должны присутствовать свободные носители заряда. Это могут быть электроны, ионы или другие частицы. Самыми распространенными проводниками считаются металла, которые имеют электронную проводимость. Она возникает в результате того, что у атомов металлов на внешнем энергетическом уровне имеются свободные электроны, которые достаточно просто вырываются под действием электрической силы, а разность потенциалов направляет их. В качестве проводников так же можно использовать электролиты, заряженными частицами в них являются положительные и отрицательные ионы.
Электрический ток в металлах протекает благодаря свободным электронам, которые начинают свое движение под действием внешнего электрического поля. В случае, если температура металла повышается, частицы начинают беспорядочно двигаться, что приводит к ухудшению прохождения электрического тока. В данном случае с ростом температуры сопротивление также увеличивается.
Ток в электролитах. Стоит отметить, что поваренная соль, а также очищенная от примесей вода, являются диэлектриками, то есть не проводят ток. Однако, если данные вещества соединить, то такой тандем станет отличным проводником. В результате появления электрического поля в растворах электролитов возникает электролитическая диссоциация, то есть происходит распад элементов на положительные и отрицательные ионы. В результате этого появляются свободные носители заряда. Если начать пропускать ток через электролит, в котором имеется ионы, то положительные из них будут стремиться осесть на катоде, а отрицательные - на аноде.
С помощью закона Фарадея можно рассчитать, какое количество элементов осядет на поверхности электродов: 
. Именно посредством электролиза происходит покрытие некоторых деталей необходимыми элементами. К такой детали подводят ток необходимой полярности, в зависимости от знака иона, и на ней начинают оседать необходимые элементы.
Диэлектрики не способны проводить электрический ток из-за отсутствия носителей зарядов. Все структурные частицы диэлектриков находятся в устойчивом положении в узлах решетки. Поэтому, если некоторый диэлектрик поместить в электрическое поле - никаких изменений не произойдет.
Электрический ток в газах. Газы являются плохими диэлектриками, которые при обычных условиях считаются плохими проводниками. Однако в результате ионизации, в газах появляются свободные носители зарядов. Ионизация может происходить в результате различных излучений или резких изменений других характеристик среды. Примером появления тока в газах является молния, корона на острых частях высоких деревьев, гор, пиков на сооружениях. В результате ионизации происходит коронный разряд, образованный полем между проводниками. Часто такой разряд можно встретить между высоковольтными проводами.
Полупроводники. Кроме основного разделения на проводники и диэлектрики, существует некие промежуточные вещества. Удельное сопротивление таких проводников такое же или даже меньше, чем у проводников. К данным видам материалов относятся германий, кремний и другие элементы. Данным веществам характерно уменьшения сопротивления вследствие повышения температуры или же освещенности. Это значит, что в обычном состоянии такие вещества ничем не отличаются от обыкновенных диэлектриков, но при соответствующих условиях становятся отличными проводниками. Изменение сопротивления вследствие изменения температуры графически можно представить следующим образом:
Из данной зависимости можно сделать вывод, что такое свойство особенным образом отличает полупроводники от проводников тем, что у вторых при повышении температуры сопротивление наоборот растет. Почему же меняются свойства во время увеличения температуры? Повышение температуры приводит к увеличению скорости частиц, что приводит к образованию свободных носителей. Основным отличием строения полупроводников является ковалентная связь атомов, которая является единственной причиной, по которой они удерживаются на своих местах в кристаллической решетке.
Строение кремния. Чтобы разобраться в проводимости кремния и других полупроводников, следует изучить их строение.
Каждый атом имеет четыре соседа, это объясняется тем, что элемент кремний имеет валентность, равную четырем.
Каждый атом кремния имеет внешние 4 свободных электрона, к каждому из которых присоединяются аналогичные элементы. При этом, стоит отметить, что электроны способны свободно передвигаться и переходить к соседним атомам и становится его собственностью. Именно такое передвижение между соседними атомами и приводит к появлению тока. А чем выше температура, тем легче перемещаются электроны. Стоит отметить, что электроны не только способны ускорять свое движение в кристалле под действием температуры, но и начинается разрушение ковалентных связей. Чем больше таких связей разорвалось, тем больше становится значение электрического тока. Когда связь разрушается, а электрон выходит из своего места, там появляется дырка - это место, куда стремится попасть соседний электрон при наличии внешней силы. Когда электрон путешествует по полупроводнику, он переходит с одной дырки в другую, в результате чего дырка также перемещается. Если на полупроводник действует повышенная температура, то дырки и электроны блуждают в произвольном порядке, но когда полупроводник помещается в электрическое поле, дырки начинают двигаться в направлении, обратном напряженности.
Примеси. В результате введения дополнительных примесей в полупроводник, происходит изменение его свойств. В таком случае полупроводники будут иметь не только собственную проводимость, но и способность примесей проводить электрический ток. Например, если к четырехвалентному кремнию добавить мышьяк, который имеет валентность, равную пяти, то такое соединение будет иметь лишний электрон в кристаллической решетке. И к чему же приводит такой электрон? К появлению свободных носителей зарядов. В таком случае такой полупроводник будет иметь значительную проводимость даже при комнатной температуре, поскольку свободный электрон не имеет достаточной силы взаимодействия с кремнием, поэтому способен спокойно перемещаться по полупроводнику. Отличием такого соединения является то, что свободный электрон и его движение не сопровождается появлением дырки. Однако, как и прежде между атомами кремния связь разрывается и образуются так же электроны и дырки. Проводимость, при которой свободных электронов больше, чем дырок за счет примесей, называется донорной, а полупроводники получили название n-полупроводники.
Если два полупроводника, которые имеют различную проводимость привести в контакт, то на месте их разделения появится P-n-переход. На рисунке слева находится полупроводник, где преобладают дырки, а справа - электронная проводимость. В результате свободного движения одни носители перемещаются в другую часть полупроводника, что приводит к их смешению, однако в тех местах, где существует граница - остается заряд, что не был скомпенсирован. Если через полупроводники пропустить ток, то он будет способствовать движению частиц, что приведет к увеличению перехода, что способствует снижению проводимости. Если ток направить в обратном направлении, то ситуация существенно изменится. P-n-переход начнет уменьшаться, что приведет к увеличению проводимости. Таким образом, можно сделать вывод, что два полупроводника с различной проводимостью будет проводить ток только в одном направлении. 
Такой принцип и строение используется в полупроводниковых диодах. На рисунке диод изображен таким образом, что ток может бежать слева направо, но ни в коем случае не в обратном направлении.
ЛЕКЦИЯ 3. Магнитное поле.
Достаточно давно людьми был открыт элемент, который имел магнитные свойства. Он был назван в честь города Магнесия, неподалеку от которого имели залежи железной руды. Этот элемент мог взаимодействовать с другими телами по средствам магнитной силы.
Тела, которые обладают магнитными свойствами, называются магнитами. Свойства магнитов таковы:
1. Любой магнит имеет два полюса (N, S).
2. Если два магнита расположить так, что два одноименных полюса будут направлены друг к другу, то такие магниты будут отталкиваться. Если же разноименные, то - притягиваться.
3. Нельзя создать магнит с одним полюсом. Даже, если разрезать его по линии разделения полюсов (средней линии), в итоге получатся два магнита с двумя полюсами, но меньшего размера.
4. Сила действия магнита становится слабее или полностью ослабевает в результате его нагревания.
5. Если приложить большую направленную силу, свойства магнита ослабевают.
Магнитное поле
Вокруг магнитов имеется поле, называемое магнитным. Примером действия магнитного поля является компас. Его стрелка изменяет свое положение в результате наличия и направления магнитного поля в той или иной местности. Земля так же является большим магнитом. Однако её полюса противоположны географическим. Наличие магнитного поля Земли объясняется тем, что Земля имеет металлическое расплавленное ядро, которое имеет магнитные свойства.
Существует ряд аналогий, которые можно проложить между электрическим и магнитным полем. Как одно, так и второе характеризуется благодаря силовым линиям.
1. Магнитные линии - это линии в пространстве. Если поместить среди данных линий компас, то он сместит свое направление по касательной к линиям.
2. Линии магнитного поля всегда выходят из северного полюса и заходят в южный.
3. В отличие от линий электрического поля, которые заканчиваются на бесконечности, линии магнитного поля всегда замкнуты, поэтому проходят, как вне магнита, так и в его середине.
Опилки железной стружки, то если их слегка потрусить, то они лягут вдоль силовых линий магнитного поля.
Опыт Эрстеда
Магнитные свойства некоторых веществ известны людям достаточно давно. Однако не столь давним открытием стало то, что магнитные и электрические природы веществ связанны между собой. Эту связь показал Эрстед, проводивши опыты с электрическим током. Совершенно случайно рядом с проводником, по которому бежал ток, находится магнит. Он достаточно резко менял свое направление в то время, когда ток бежал по проводам, и становился в исходное положение, когда ключ схемы был разомкнут. С данного опыта был сделан вывод, что вокруг проводника, по которому бежит ток, образуется магнитное поле. То есть можно сделать вывод: электрическое поле вызывается всеми зарядами, а магнитное - только вокруг зарядов, которые имеют направленное движение.
Магнитное поле проводника.
Если рассматривать поперечное сечение проводника с током, то его магнитные линии будут иметь окружности различного диаметра вокруг проводника. Чтобы определить направление тока или линий магнитного поля вокруг проводника, следует воспользоваться правилом правого винта: если правой рукой обхватить проводник и направить большой палец вдоль него по направлению тока, то согнутые пальцы покажут направление линий магнитного поля.
Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция. Иногда линии магнитного поля называют линиями индукции. Индукция обозначается и измеряется следующим образом: [В] = 1Тл (Тесла)
Для силовой характеристики электрического поля был справедлив принцип суперпозиций, то же самое можно сказать и для магнитного поля. То есть результирующая индукция поля равна сумме векторов индукции в каждой точке: 
.
Виток с током. Как известно, проводники могут иметь различную форму, в том числе состоять из нескольких витков. Вокруг такого проводника также образуется магнитное поле. Для его определения следует воспользоваться правилом: если рукой обхватить витки так, чтобы четыре согнутых пальца их обхватывали, то большой палец покажет направление магнитного поля.
Сила Ампера.
Существенным отличием от электрического поля, где сила взаимодействия зависит только от величины заряда и расстоянием между ними, в магнитном поле существует ряд факторов, а также несколько сих, которые действуют на проводник с током и частицы в магнитном поле. Одной из таких сил является сила Ампера. Данная сила действует на любой проводник, по которому бежит ток. Вокруг всех частиц, которые имеют направленное движение, действуют силы, в результате чего на весь проводник действует некоторая сила. Для определения направления данной силы используют следующее правило левой руки: положите проводник мысленно на левую руку так, чтобы направление тока, который по нему бежит, совпадал с направлением четырех пальцем; линии магнитного поля должны мысленно входить вовнутрь ладони; в таком случае направление силы Ампера совпадет с большим пальцем.
Для определения величины силы Ампера следует воспользоваться следующей формулой:
, где
FA – модуль силы Ампера,
В – магнитная индукция поля,
I – сила тока в проводнике,
- длина прямолинейного отрезка проводника,
α – угол между вектором магнитной индукции и направлением тока в проводнике.
Можно сделать вывод, что сила зависит не только от величины магнитной индукции и тока, но и от размеров и расположения проводника относительно линий магнитного поля.
Следует отметить, что проводники, по которым бежит ток, выполняют роль магнитов. Поэтому логично будет предположить, что два таких проводника будут некоторым образом взаимодействовать. Если ток по проводникам бежит в одном направлении, то проводники притягиваются, если в разных, то отталкиваются. Стоит отметить, что если взять проводник в форме рамки, то силы, которые будут направлены противоположно друг к другу, заставят рамку вращаться.
Сила Лоренца.
На любую частицу, которая имеет заряд, в магнитном поле действует некоторая сила, которая называется силой Лоренца. Данная величина зависит от того, насколько быстро передвигается частица в поле, от величины поля, от заряда частицы, а также от угла между скоростью и полем:
, где
FL – модуль силы Лоренца,
|q| - модуль заряда частицы,
v – скорость частицы,
В – магнитная индукция поля,
α – угол между вектором магнитной индукции и вектором скорости заряженной частицы.
Если рассматривать индукцию и скорость, то можно отметить, что величины лежат в одной плоскости. Сила Лоренца всегда направлена перпендикулярно к плоскости магнитного поля.
Определить направление силы Лоренца можно с помощью следующего правила, аналогичного правилу для нахождения силы Ампера: четыре пальца левой руки должны быть направлены в ту же сторону, куда двигается частица; линии магнитного поля проникают в ладонь; отогнутый на 900 большой палец укажет на направление силы Лоренца, действующую на положительно заряженную частицу. Скорость отрицательной частицы направлена в противоположную сторону.
Электромагнитная индукция.
М.Фарадей доказал, что магнитное поле способное породить электрическое поле. Ученый провел достаточно интересный эксперимент. Он взял деревянную основу, на которую намотал одну катушку, а между её витками - вторую. При этом обе катушки не соприкасались друг с другом. Первая была подключена к источнику тока, а вторая к гальванометру. Когда первая замыкалась, на второй наблюдались небольшие изменения, то есть по ней начинал двигаться ток. Однако стоит отметить, что данное наблюдение имело место только в случае с переменным током в первой катушке, если по ней бежал постоянный ток, никаких изменений во второй катушке не наблюдалось. Так же стоит обратить внимание на то, что кратковременные импульсы во второй катушке также наблюдались в момент подключения и отключения первой катушки к источнику тока. Причем направление тока второй катушки менялось. После проведенного эксперимента ученый сделал вывод, что в случае изменения магнитного поля на проводнике, который подключен к источнику тока, возникает индукционный ток. В случае, если ток на первой катушке возрастал, то индукционный ток второго проводника бежал в одном направлении, а в случае уменьшения первого, второй начинал бежать в противоположном направлении. Это явление называется электромагнитной индукцией.
Описываемое явление так же можно наблюдать и при использовании магнита. Если изменять положение магнита относительно катушки, подключенной к гальванометру, то его показания будут меняться. И чем быстрее происходит перемещение, тем больше они изменяются.
Магнитный поток характеризует плотность линий магнитного поля. Данная величина определяется магнитной индукцией, а также площадью, ограниченной контуром. Обозначается и измеряется магнитный поток следующим образом:
, где
S= площадь контура,
α – угол между плоскостью контура и линиями магнитной индукции.
Единицей измерения магнитного потока является Вебер (ВБ).
Самопроизвольно заряды не могут получить направленного движения, поэтому существуют некоторые сторонние силы, влияющие на изменение потенциал проводник. Поэтому во время возникновения тока в проводнике в случае изменения магнитного поля можно говорить, что в проводнике возникает ЭДС. С данном случае эта сила называется ЭДС индукции. Данная величина характеризует необходимую работу, которая была выполнена измененным магнитным полем, для перемещения заряда: 
.
Опыты Фарадея доказали, что величина индукционного тока выше в том случае, когда происходит большее изменение магнитного потока в контуре. То есть чем большее изменение магнитного потока за минимальный интервал времени, тем больше становится ток. При этом мы знаем, что ток вызван ЭДС индукции, поэтому по данному утверждению можно сделать вывод: ЭДС вызывает скорость изменения потока. ЭДС индукции есть производная функции изменения магнитного потока по времени.
Данная формула и есть закон электромагнитной индукции Фарадея. Если происходит изменение магнитного потока, то это вызывает ЭДС индукции, равной скорости изменения этого потока.
Дата: 2019-07-31, просмотров: 375.
