Чому незаряджене тіло притягується до зарядженого. Електричні взаємодії

Напівпровідниками називають речовини, що займають електропровідність. проміжне положенняміж хорошими провідниками та хорошими ізоляторами (діелектриками).

Напівпровідниками є і хімічні елементи(германій Ge, кремній Si, селен Se, телур Te), та сполуки хімічних елементів (PbS, CdS та ін.).

Природа носіїв струму різних напівпровідниках різна. У деяких із них носіями зарядів є іони; в інших носіями зарядів є електрони.

Власна провідність напівпровідників

Існує два види власної провідності напівпровідників: електронна провідність та діркова провідність напівпровідників.

1. Електронна провідність напівпровідників.

Електронна провідність здійснюється спрямованим переміщенням у міжатомному просторі вільних електронів, що залишили валентну оболонку атома внаслідок зовнішніх впливів.

2. Діркова провідність напівпровідників.

Діркова провідність здійснюється при спрямованому переміщенні валентних електронівна вакантні місця у парно-електронних зв'язках – дірки. Валентний електрон нейтрального атома, що знаходиться в безпосередній близькості до позитивного іону (дірці), притягаючись до дірки, перескакує в неї. При цьому на місці нейтрального атома утворюється позитивний іон(Дірка), але в місці позитивного іона (дірки) утворюється нейтральний атом.

У ідеально чистому напівпровіднику без будь-яких чужорідних домішок кожному вільному електрону відповідає утворення однієї дірки, тобто. число електронів і дірок, що беруть участь у створенні струму, однаково.

Провідність, при якій виникає однакове числоносіїв заряду (електронів та дірок), називається власною провідністю напівпровідників.

Власна провідність напівпровідників зазвичай невелика, тому що невелика кількість вільних електронів. Найменші слідидомішок докорінно змінюють властивості напівпровідників.

Електрична провідність напівпровідників за наявності домішок

Домішками в напівпровіднику вважають атоми сторонніх хімічних елементів, які у основному напівпровіднику.

Домішна провідність- це провідність напівпровідників, обумовлена ​​внесенням до їх кристалічних ґрат домішок.

В одних випадках вплив домішок проявляється в тому, що «дірковий» механізм провідності стає практично неможливим, і струм у напівпровіднику здійснюється переважно рухом вільних електронів. Такі напівпровідники називаються електронними напівпровідникамиабо напівпровідниками n - типу(від латинського слова negativus – негативний). Основними носіями заряду є електрони, а чи не основними - дірки. Напівпровідники n – типу – це напівпровідники з донорними домішками.

1. Донорні домішки.

Донорними називають домішки, які легко віддають електрони, і, отже, збільшують кількість вільних електронів. Донорні домішки постачають електрони провідності без виникнення такої кількості дірок.

Типовим прикладомДонорної домішки в чотиривалентному германії Ge є пятивалентні атоми миш'яку As.

В інших випадках практично неможливим стає рух вільних електронів, і струм здійснюється лише рухом дірок. Ці напівпровідники називаються дірочними напівпровідниками або напівпровідниками p - типу(Від латинського слова positivus - позитивний). Основними носіями заряду є дірки, а чи не основними - електрони. . Напівпровідники р-типу - це напів-провідники з акцепторними домішками.

Акцепторними називають домішки у яких освіти нормальних парноелектронних зв'язків бракує електронів.

Прикладом акцепторної домішки в німецькій Ge є тривалентні атоми галію Ga

Електричний струм через контакт напівпровідників р-типу і n-типу p-n перехід- це контактний шар двох домішкових напівпровідників p-типу та n-типу; p-n перехід є межею, що розділяє області з дірковою (p) провідністю та електронною (n) провідністю в тому самому монокристалі.

Прямий p-n перехід

Якщо n-напівпровідник підключений до негативного полюса джерела живлення, а позитивний полюс джерела живлення з'єднаний з р-напівпровідником, то під дією електричного поляелектрони в n-напівпровіднику та дірки в р-напівпровіднику рухатимуться назустріч один одному до межі розділу напівпровідників. Електрони, переходячи кордон, «заповнюють» дірки, струм через р-n-перехід здійснюється основними носіями заряду. Внаслідок цього провідність всього зразка зростає. При такому прямому (пропускному) напрямку зовнішнього електричного поля товщина замикаючого шару та його опір зменшуються.

У цьому напрямі струм проходить через кордон двох напівпровідників.

Зворотний р-n-перехід

Якщо n-напівпровідник з'єднаний з позитивним полюсом джерела живлення, а р-напівпровідник з'єднаний з негативним полюсом джерела живлення, то електрони в n-напівпровіднику та дірки в р-напівпровіднику під дією електричного поля переміщатимуться від межі розділу в протилежні сторони, Струм через р-n-перехід здійснюється неосновними носіямизаряду. Це призводить до потовщення замикаючого шару і збільшення його опору. Внаслідок цього провідність зразка виявляється незначною, а опір – великим.

Утворюється так званий замикаючий шар. При такому напрямку зовнішнього поляелектричний струм через контакт р- та n-напівпровідників практично не проходить.

Таким чином електронно-дірковий перехід має односторонню провідність.

Залежність сили струму від напруги – вольт – амперна характеристика р-n переходузображена на малюнку (вольт - амперна характеристика прямого р-nпереходу зображена суцільною лінієювольт - амперна характеристика зворотного р-nпереходу зображено пунктирною лінією).

Напівпровідникові прилади:

Напівпровідниковий діод - для випрямлення змінного струму, у ньому використовують один р - n - перехід з різними опорами: у прямому напрямку опір р - n - переходу значно менше, ніж у зворотному.

Фоторезистори - для реєстрації та вимірювання слабких світлових потоків. З їхньою допомогою визначають якість поверхонь, контролюють розміри виробів.

Термістори – для дистанційного вимірювання температури, протипожежної сигналізації.

За значенням питомого електричного опору напівпровідники займають проміжне положення між хорошими провідниками та діелектриками. До напівпровідників відносяться багато хімічних елементів (германій, кремній, селен, телур, миш'як та ін.), велика кількістьсплавів та хімічних сполук. Майже все неорганічні речовининавколишнього світу – напівпровідники. Найпоширенішим у природі напівпровідником є ​​кремній, що становить близько 30% земної кори.

Якісна відмінність напівпровідників від металів проявляється насамперед залежно від питомого опору від температури. Зі зниженням температури опір металів падає (див. рис. 1.12.4). У напівпровідників, навпаки, зі зниженням температури опір зростає і поблизу абсолютного нулявони майже стають ізоляторами (рис. 1.13.1).

Такий перебіг залежності ρ ( T) показує, що у напівпровідників концентрація носіїв вільного зарядуне залишається постійною, а збільшується із зростанням температури. Механізм електричного струмуу напівпровідниках не можна пояснити у межах моделі газу вільних електронів. Розглянемо якісно цей механізм з прикладу германію (Ge). У кристалі кремнію (Si) механізм аналогічний.

Атоми германію на зовнішньої оболонкимають чотири слабо пов'язані електрони. Їх називають валентними електронами . У кристалічних ґратах кожен атом оточений чотирма найближчими сусідами. Зв'язок між атомами в кристалі германію є ковалентної , Т. е. здійснюється парами валентних електронів. Кожен валентний електрон належить двом атомам (рис. 1.13.2). Валентні електрони в кристалі германію пов'язані з атомами набагато сильніше, ніж у металах; тому концентрація електронів провідності при кімнатній температуріу напівпровідниках набагато порядків менше, ніж в металів. Поблизу абсолютного нуля температури кристалі германію все електрони зайняті у освіті зв'язків. Такий кристал електричного струму не проводить.

При підвищенні температури деяка частина валентних електронів може отримати енергію, достатню для розриву ковалентних зв'язків. Тоді кристалі виникнуть вільні електрони (електрони провідності). Одночасно у місцях розриву зв'язків утворюються вакансії, які зайняті електронами. Ці вакансії отримали назву дірок . Вакантне місце може бути зайняте валентним електроном із сусідньої пари, тоді дірка переміститься на нове місце у кристалі. При заданій температурі напівпровідника за одиницю часу утворюється певну кількістьелектронно-діркових пар. В теж час йдезворотний процес – при зустрічі вільного електрона з діркою відновлюється електронний зв'язокміж атомами Німеччини. Цей процес називається рекомбінацією . Електронно-діркові пари можуть народжуватись також при освітленні напівпровідника за рахунок енергії електромагнітного випромінювання. У відсутність електричного поля електрони провідності та дірки беруть участь у хаотичному тепловому русі.

Якщо напівпровідник помістити в електричне поле, то до впорядкованого руху залучаються не тільки вільні електрони, а й дірки, які поводяться як позитивно заряджені частинки. Тому струм Iу напівпровіднику складається з електронного I nта діркового I pструмів:

Концентрація електронів провідності у напівпровіднику дорівнює концентрації дірок: n n = n p. Електронно-дірковий механізм провідності проявляється лише у чистих (тобто без домішок) напівпровідників. Він називається власною електричною провідністю напівпровідників.

За наявності домішок електрична провідністьнапівпровідників сильно змінюється. Наприклад, добавка до кристалу кремнію домішок фосфору в кількості 0,001 атомного відсотка зменшує питомий опірбільш ніж п'ять порядків. Таке сильний впливдомішок можна пояснити з урахуванням викладених вище уявлень про будову напівпровідників.

Необхідною умовоюрізкого зменшення питомого опору напівпровідника під час введення домішок є відмінність валентності атомів домішки від валентності основних атомів кристала.

Провідність напівпровідників за наявності домішок називається домішковою провідністю . Розрізняють два типи домішкової провідності - електроннуі дірочну.

Електронна провідністьвиникає, коли кристал германію з чотиривалентними атомами введені пятивалентные атоми (наприклад, атоми миш'яку, As).

На рис. 1.13.3 показаний п'ятивалентний атом миш'яку, що опинився у вузлі кристалічних ґратНімеччина. Чотири валентні електрони атома миш'яку включені в утворення ковалентних зв'язків з чотирма сусідніми атомами германію. П'ятий валентний електрон виявився зайвим; він легко відривається від атома миш'яку і стає вільним. Атом, що втратив електрон, перетворюється на позитивний іон, розташований у вузлі кристалічних ґрат. Домішка з атомів з валентністю, що перевищує валентність основних атомів напівпровідникового кристала, називається донорною домішкою . Внаслідок її введення в кристалі з'являється значна кількість вільних електронів. Це призводить до різкого зменшення питомого опору напівпровідника – у тисячі та навіть мільйони разів. Питомий опір провідника з великим змістомдомішок може наближатися до питомого опору металевого провідника.

У кристалі германію з домішкою миш'яку є електрони та дірки, відповідальні за власну провідністькристала. Але основним типом носіїв вільного заряду є електрони, що відірвалися від атомів миш'яку. У такому кристалі n n >> n p. Така провідність називається електронної, а напівпровідник, що володіє електронною провідністю, називається напівпровідником n-типу .

Діркова провідністьвиникає, коли кристал германію введені тривалентні атоми (наприклад, атоми индия, In). На рис. 1.13.4 показаний атом індію, який за допомогою своїх валентних електронів створив ковалентні зв'язки лише з трьома сусідніми атомами Німеччини. На утворення зв'язку з четвертим атомом германію атом індію не має електрона. Цей недостатній електрон може бути захоплений атомом індію з ковалентного зв'язку сусідніх атомів германію. У цьому випадку атом індія перетворюється на негативний іон, розташований у вузлі кристалічних ґрат, а в ковалентному зв'язку сусідніх атомів утворюється вакансія. Домішка атомів, здатних захоплювати електрони, називається акцепторною домішкою . В результаті введення акцепторної домішки в кристалі розривається безліч ковалентних зв'язків та утворюються вакантні місця (дірки). На ці місця можуть перескакувати електрони із сусідніх ковалентних зв'язків, що призводить до хаотичного блукання дірок кристалом.

Наявність акцепторної домішки різко знижує питомий опір напівпровідника за рахунок появи великої кількостівільних дірок. Концентрація дірок у напівпровіднику з акцепторною домішкою значно перевищує концентрацію електронів, що виникли через механізм власної електропровідності напівпровідника: n p >> n n. Провідність такого типу називається дірковою провідністю. Домішний напівпровідник з дірковою провідністю називається напівпровідником p-типу . Основними носіями вільного заряду у напівпровідниках p-типу є дірки.

Слід наголосити, що дірочна провідність насправді обумовлена ​​естафетним переміщенням по вакансіях від одного атома германію до іншого електронів, які здійснюють ковалентний зв'язок.

2. Завдання по темі "Рух тіла по колу з модулем швидкості, що зберігається".

Кулька на нитці довжиною 80 см обертається навколо вертикальної осіз постійною швидкістю. Якщо кут відхилення нитки від вертикалі 60 про то з якою швидкістю обертається кулька.

3. Експериментальне завдання. Визначення внутрішнього опоругальванічний елемент.

Білет № 25-Б

1. Ядерні реакції. Ланцюгові ядерні реакції. Ядерний реактор.

Ядерна реакція- це процес взаємодії атомного ядраз іншим ядром або елементарною частинкою, що супроводжується зміною складу та структури ядра та виділенням великої кількостіенергії. Вперше ядерну реакцію спостерігав Резерфорд в 1919 році, бомбардуючи α-частинами ядра атомів азоту, вона була зафіксована за появою вторинних іонізуючих частинок, що мають пробіг у газі більше пробігу α-часток та ідентифікованих як протони. Згодом камерою Вільсона були отримані фотографії цього процесу.

За механізмом взаємодії ядерні реакції поділяються на два види:

· Реакції з утворенням складового ядра, це двостадійний процес, що протікає при невеликій кінетичній енергіїзіштовхуються частинок (приблизно до 10 МеВ).

· Прямі ядерні реакції, що проходять за ядерний час , необхідне у тому, щоб частка перетнула ядро. Головним чином такий механізм проявляється при великих енергіях частинок, що бомбардують.

Ланцюгова ядерна реакція- Послідовність одиничних ядерних реакцій, кожна з яких викликається часткою, що з'явилася як продукт реакції на попередній крокпослідовності. Прикладом ланцюгової ядерної реакціїє ланцюжкова реакціярозподілу ядер важких елементів, при якій основна кількість актів розподілу ініціюється нейтронами, отриманими при розподілі ядер у попередньому поколінні.

Ядерний реактор- це пристрій, призначений для організації керованої ланцюгової реакції поділу, що самопідтримується, яка завжди супроводжується виділенням енергії (1 МВт на 3·10 16 актів поділу в секунду). Інакше: ядерний реактор-це пристрій, призначений для здійснення керованої ядерної реакції.

Будь-який ядерний реактор складається з наступних частин:

· Активна зона з ядерним паливом та сповільнювачем;

· Відбивач нейтронів, що оточує активну зону;

· Теплоносій;

· Система регулювання ланцюгової реакції, у тому числі аварійний захист;

поточний стан ядерного реактораможна охарактеризувати ефективним коефіцієнтом розмноження нейтронів kабо реактивністю ρ , які пов'язані наступним співвідношенням:

Для цих величин характерні наступні значення:

· k> 1 - ланцюгова реакція наростає в часі, реактор знаходиться в надкритичномустані, його реактивність ρ > 0;

· k < 1 - реакция затухает, реактор - підкритичний, ρ < 0;

· k = 1, ρ = 0 - число поділів ядер постійно, реактор знаходиться в стабільному критичномустані.

Умови критичності ядерного реактора:

є частка повного числа нейтронів, що утворюються в реакторі, поглинених в активній зоні реактора, або ймовірність уникнути нейтрону витоку з кінцевого об'єму.

· k 0 - Коефіцієнт розмноження нейтронів в активній зоні нескінченно великих розмірів.

Звернення коефіцієнта розмноження в одиницю досягається збалансуванням розмноження нейтронів зі своїми втратами. Причин втрат практично дві: захоплення без поділу і витік нейтронів межі довкілля.

2. Завдання на тему "Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу".

У закритій посудині знаходиться ідеальний газ. Якщо середня квадратична швидкість молекул збільшиться на 20%, то як при цьому зміниться тиск газу в посудині.

3. Експериментальне завдання. Перевірка здійсненності "золотого правила механіки" для важеля.

________________________________________________________________

Білет № 26-Б

1. Електромагнітні хвилі. Властивості електромагнітних хвиль. Швидкість розповсюдження електромагнітної хвилі.

Коливальні переміщення електричного зарядутеж викликають хвилі змін електричного та магнітного полів. Справді, ці коливання заряду спочатку призведуть до періодичних змін електричного поля навколо, які, у свою чергу, згідно з гіпотезою Максвелла (див. §7), викличуть появу змінного. магнітного полятієї ж частоти. При цьому магнітне поле, що виникло, виходитиме за межі коливань електричного заряду, що його породили. Потім, магнітне поле, що змінюється, за законом електромагнітної індукціївикличе електричне ще на більшій відстанівід заряду, що коливається, і т.д. Таким чином, коливальні переміщення електричного заряду призводять до виникнення коливань електричного і магнітного полів, що поширюються в просторі хвиль. Такі хвилі називають електромагнітними.

Найважливішим результатом, який випливає із сформульованої Максвеллом теорії електромагнітного поля, Стало передбачення можливості існування електромагнітних хвиль. Електромагнітна хвиля- поширення електромагнітних полів у просторі та в часі.

Джерело електромагнітного поля – електричні заряди, що рухаються з прискоренням.

Електромагнітні хвилі, на відміну від пружних (звукових) хвиль, можуть поширюватися у вакуумі або будь-якій іншій речовині.

Електромагнітні хвилі у вакуумі поширюються зі швидкістю c = 299792 км / с, тобто зі швидкістю світла.

2. Завдання на тему "Закон взаємозв'язку маси та енергії".

Загальна потужність випромінювання Сонця становить 3,84 * 1026 Вт. Визначте, на скільки зменшується маса Сонця за рахунок випромінювання за добу.

3. Експериментальне завдання:

"Визначення рівнодіючої двох сил, спрямованих вздовж однієї прямої".