Электрический ток. Полупроводники. Магнитное поле

Электрический ток

Электрический ток – направленное движение заряженных частиц. Эти частицы называются носителями тока. За направление электрического тока принимается направление движения положительных зарядов. Например, в металлах, где носителями тока являются электроны (отрицательно заряженные), направление тока противоположно направлению их упорядоченного движения.

Сила тока (I) – физическая величина, равная отношению заряда  Dq, перенесенного через поперечное сечение проводника за интервал времени  Dt, к величине этого интервала.

Постоянный ток – электрический ток, сила которого со временем не изменяется.

Условия, необходимые для существования электрического тока: 1) наличие в веществе свободных заряженных частиц. Если положительные и отрицательные заряды связаны внутри нейтрального атома или молекулы, то их перемещение не приведет к появлению электрического тока; 2) наличие внутри вещества силы, действующей на все заряды одного знака в одинаковом направлении. Как правило, такая сила действует на свободные заряды со стороны электрического поля. Если внутри проводника имеется электрическое поле, то концы проводника имеют разные потенциалы (между концами проводника существует разность потенциалов или напряжение).

Единица электрического сопротивления в СИ – ом (1 Ом = 1 В/А).

Сторонние силы – силы не электростатической природы, действие которых приводит к перемещению зарядов в направлении, противоположном их перемещению под действием электрического поля

Источник тока – устройство, в котором сторонние силы разделяют заряды (перемещают положительные заряды к положительной клемме, а отрицательные – к отрицательной) и поддерживают постоянное напряжение между клеммами.

Электродвижущая сила (e) – физическая величина, равная отношению работы сторонник сил по перемещению заряда в источнике тока к значению этого заряда.

Электрический ток совершает работу не только во внешней цепи, но и внутри источника тока. В нем выделяется количество теплоты, равное  ,  где  r – внутреннее сопротивление источника тока.

Если внутреннее сопротивление пренебрежимо мало по сравнению с внешним (r << R), то напряжение на резисторе (на зажимах источника) приблизительно равно ЭДС:  U = IR » e. При коротком замыкании (R ® ¥) сила тока в цепи определяется внутренним сопротивлением  .

Сила тока (определение)  .  Плотность тока  .  Связь силы тока с его плотностью  .  Связь плотности тока с дрейфовой скоростью  .  ЭДС (определение)  .  Работа всех сил на участке эл. Цепи  .  Напряжение (определение)  .  Закон Ома для однородного участка цепи  . Закон Ома для неоднородного участка цепи  .  Закон Ома для замкнутой цепи  .  Связь сопротивления цилиндрического проводника с удельным сопротивлением  . Закон Ома в дифференциальной форме  .  Зависимость сопротивления металла от температуры (для средних температур) .  Работа электрического тока на участке цепи (работа сил поля по перемещению зарядов) .  Мощность электрического тока  .  Закон Джоуля-Ленца в интегральной форме  . Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме  .  Правила Кирхгофа: ;  .  Закон Ричардсона-Дешмана (термоэлектронная эмиссия)  .  Сопротивление последовательно соединенных проводников  .  Сопротивление параллельно соединенных проводников  .  Закон Богуславского-Ленгмюра (плотность тока в ненасыщенном диоде)  .

Полупроводники

Полупроводники – вещества, удельное сопротивление которых много больше удельного сопротивления типичных металлов и много меньше удельного сопротивления типичных диэлектриков. Под полупроводниками понимают не просто "плохие проводники", а особый класс веществ, дополнительно обладающих следующими основными свойствами:

1) с повышением температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается;

2) удельное сопротивление полупроводников уменьшается при их освещении;

3) контакт двух полупроводников различного типа может обладать односторонней проводимостью.

Дырка – вакантное место с недостающим электроном в полупроводнике, образующееся при разрыве ковалентной связи. На самом деле никаких особых частиц, называемых дырками, не существует; это просто удобный способ описания некоторых процессов, происходящих в полупроводнике. В дырке имеется избыточный положительный заряд.

Типичные полупроводники – кристаллические кремний (Si) и германий (Ge).

Собственная проводимость полупроводников – тип проводимости в полупроводнике, при которой электрический ток создается движением равного количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок.

Примесная проводимость полупроводников – тип проводимости в полупроводнике, при которой электрический ток создается движением носителей в основном одного типа (электронов или дырок); эти носители в большинстве образуются за счет наличия в веществе особых примесей. Те носители, которые составляют в полупроводнике подавляющее большинство называются основными, а другие носители – неосновными.

Донорные примеси – примеси, наличие которых приводит к образованию свободных электронов без возникновения такого же количества дырок. Донорными примесями могут служить атомы мышьяка, фосфора и т. п. Они замещают в узлах кристаллической решетки некоторые атомы. Четыре из пяти валентных электронов атома образуют с соседями четыре ковалентные связи, а пятый электрон остается незанятым в связях.