Реферат: Кристаллы в природе
5.9 Термоэлектрические явления
К сожалению, контакт двух металлов с его разностью потенциалов ∆φ нельзя использовать как источник электрической энергии не потому, что ∆φ мало, а потому, что в замкнутой цепи, составленной из различных металлов, находящихся при одинаковой температуре, сумма всех контактных разностей потенциалов равна нулю.
Сформулированный выше вывод справедлив лишь при условии, что температуры контактирующих металлов одинаковы.
Но если в замкнутом контуре, составленном из двух металлических проводников, контакты имеют различные температуры, то сумма контактных разностей потенциалов будет отлична от нуля. Это означает, что в контуре будет действовать электродвижущая сила, которую называют термоэлектродвижущей, а в замкнутом контуре установится электрический ток, называемый термоэлектрическим.
Термоэлектродвижущая сила ε пропорциональна разности температур контактов: ε =α(Т1-Т2).
Явление термоэлектричества было открыто около 150 лет назад голландским физиком Зеебеком и давно используется в лабораторной технике для измерения температур. Принципиальная схема термоэлектрического термометра показана на рис (35).
рис.35
Металлы 1 и 2, составляющие термопару, подбирают так, чтобы чувствительность её была наибольшей. Один спай помещают в место, температуру которого нужно измерить, а температуру другого спая поддерживают постоянной. При не очень точных измерениях второй спай находится просто в воздухе. При точных измерениях его погружают в сосуд Дьюара, заполненный, например, жидким азотом или тающим льдом. К клеммам аб подключают чувствительный гальванометр. Термопары позволяют измерять как очень высокие, так и очень низкие температуры, которые невозможно измерить обычным жидкостным термометром.
Для увеличения чувствительности вместо одной термопары берут несколько термопар, соединенных последовательно. Э.д.с. полученной термобатареи равна сумме э.д.с. отдельных термопар. Термостолбики монтируют так, что все нечётные спаи находятся на поддерживающей рамке, а все чётные - в середине рамки. Рамка с термобатареей помещена внутрь закрытого металлического кожуха, имеющего небольшое оконце, через которое падающее на термостолбик излучение нагревает чётные спаи термобатареи. Если подсоединить такой термостолбик к проекционному гальванометру, то можно убедится, что он обнаруживает тепловое излучение человеческой руки, удалённой от него на расстоянии нескольких метров. Такое излучение вызывает разность температур спаев лишь около миллионной доли градуса.
Термоэлемент можно использовать для превращения тепла, нагревающего горячий спай, в электрическую энергию. Однако при этом значительная часть тепла отдаёт холодным спаем окружающей среде, теряет за счёт хорошей теплопроводности металлов, поэтому доля тепла, превращаемого в электрическую энергию, невелика. Величина же термоэлектродвижущей силы таких элементов незначительна, так как у металлов число свободных электронов и их энергия практически не зависят от температуры. К.п.д. таких термоэлементов не превышает 0,5% . Поэтому они непригодны в качестве генераторов электрической энергии.
Дальнейший шаг на пути создания термоэлементов с более высоким к.п.д. - создание термоэлемента из двух полупроводников. Идея создания полупроводниковых термоэлементов принадлежит советскому физику академику А.Ф.Иоффе.
Конструктивно полупроводниковый термоэлемент может быть оформлен так, как показано на рисунке 36
рис.36
верхние концы полупроводниковых брусочков 1 и 3 с разным типом проводимости замкнуты медной пластинкой 2. П-образные, стальные пластины радиатора 4 предназначены для отвода теплоты и поддержания необходимой разности температур при работе термоэлемента. Медная пластина 2, замыкающие горячие концы полупроводников, не оказывает влияния на величину термо-э.д.с. такого термоэлемента, так как оба конца её находятся при одной и той же температуре.
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.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11
