Проводники, полупроводники, диэлектрики.
Проводни́к — тело, в котором имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этого тела. Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны металлы, полуметаллы, углерод (в виде угля и графита). Пример проводящих жидкостей при нормальных условиях — ртуть, электролиты, при высоких температурах — расплавы металлов. Пример проводящих газов — ионизированный газ (плазма). Некоторые вещества, при нормальных условиях являющиеся изоляторами, при внешних воздействиях могут переходить в проводящее состояние, а именно проводимость полупроводников может сильно варьироваться при изменении температуры, освещённости, легировании и т. п.
Полупроводни́к — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.[1]
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.
Диэлектрик (изолятор) — вещество, практически не проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 см−3. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.
К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стёкла, различные смолы, пластмассы, многие виды резины.
Электрический ток.
Электри́ческий ток — направленное движение заряженных частиц под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах — ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях — электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость).
Ток проводимости. Конвекционный ток.
Ток проводимости — это направленное движение на большие расстояния свободных зарядов (например, ионов или свободных электронов). В случае, если этот ток идёт не в веществе, а в свободном простанстве, нередко вместо термина «ток проводимости» употребляют термин «ток переноса». Иначе говоря, ток переноса или ток конвекции обусловлен переносом электрических зарядов в свободном пространстве заряженными частицами или телами под действием электрического поля.
КОНВЕКЦИОННЫЙ ТОК - перенос электрич. зарядов, осуществляемый перемещением заряж. макроскопич. тела. С точки зрения электронной теории, любой перенос зарядов в конечном счёте обусловлен конвекцией (перемещением) заряж. микрочастиц.
24. Магни́тная инду́кция — векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд , движущийся со скоростью .
Более конкретно, — это такой вектор, что сила Лоренца , действующая со стороны магнитного поля на заряд , движущийся со скоростью , равна
Также магнитная индукция может быть определена[2] как отношение максимального механического момента сил, действующих на рамку с током, помещенную в однородное поле, к произведению силы тока в рамке на её площадь.
Является основной фундаментальной характеристикой магнитного поля, аналогичной вектору напряжённости электрического поля.
В системе СГС магнитная индукция поля измеряется в гауссах (Гс), в системе СИ — в теслах (Тл)
1 Тл = 104 Гс
Магнитометры, применяемые для измерения магнитной индукции, называют тесламетрами.
25. Напряжённость магни́тного по́ля (стандартное обозначение Н) — векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности M.
Например, если поле создаётся катушкой с током, в которую вставлен железный сердечник, то напряжённость магнитного поля H внутри сердечника совпадает (в СГС точно, а в СИ — с точностью до постоянного размерного коэффициента) с вектором B0, который был бы создан этой катушкой при отсутствии сердечника и который в принципе может быть рассчитан исходя из геометрии катушки и тока в ней, без всякой дополнительной информации о материале сердечника и его магнитных свойствах.
При этом надо иметь в виду, что более фундаментальной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B. Именно он определяет силу действия магнитного поля на движущиеся заряженные частицы и токи, а также может быть непосредственно измерен, в то время как напряжённость магнитного поля H можно рассматривать скорее как вспомогательную величину (хотя рассчитать её, по крайней мере, в статическом случае, проще, в чём и состоит её ценность: ведь H создают так называемые свободные токи, которые сравнительно легко непосредственно измерить, а трудно измеримые связанные токи — то есть токи молекулярные и т. п. — учитывать не надо).
Правда, в обычно используемое выражение для энергии магнитного поля (в среде) B и H входят почти равноправно, но надо иметь в виду, что в эту энергию включена и энергия, затраченная на поляризацию среды, а не только энергия собственно поля[1]. Энергия магнитного поля как такового выражается только через фундаментальное B. Тем не менее видно, что величина H феноменологически и тут весьма удобна.
26.
Зако́н Ампе́ра —
закон взаимодействия электрических
токов. Впервые был установлен Андре
Мари Ампером в 1820 для
постоянного тока. Из закона Ампера
следует, что параллельные проводники с
электрическими токами, текущими в одном
направлении, притягиваются, а в
противоположных — отталкиваются.
Законом Ампера называется также закон,
определяющий силу, с которой магнитное
поле действует на малый отрезок
проводника с током. Выражение для силы 
,
с которой магнитное поле действует на
элемент объёма 
проводника
с током плотности 
,
находящегося в магнитном поле с
индукцией 
,
в Международной
системе единиц (СИ) имеет вид:
.
параллельные проводники с постоянными токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположном — отталкиваются.
27. Магнитное поле движущегося заряда может возникать вокруг проводника с током. Так как в нем движутся электроны, обладающие элементарным электрическим зарядом. Также его можно наблюдать и при движении других носителей зарядов. Например, ионов в газах или жидкостях. Это упорядоченное движение носителей зарядов, как известно, вызывает в окружающем пространстве возникновение магнитного поля. Таким образом, можно предположить, что магнитное поле независимо от природы тока его вызывающего возникает и вокруг одного заряда находящегося в движении.
Общее же поле в окружающей среде формируется из суммы полей создаваемых отдельными зарядами. Этот вывод можно сделать исходя из принципа суперпозиции. На основании различных опытов был получен закон, который определяет магнитную индукцию для точечного заряда. Это заряд свободно перемещается в среде с постоянной скоростью.
Формула 1 — закон электромагнитной индукции для движущегося точечного заряда
Где r радиус-вектор, идущий от заряда к точке наблюдения
Q заряд
V вектор скорости движения заряда
Формула 2 — модуль вектора индукции
Где альфа это угол между вектором скорости и радиус вектором
Эти формулы определяют магнитную индукцию для положительного заряда. Если ее необходимо рассчитать для отрицательного заряда то нужно подставить заряд со знаком минус. Скорость движения заряда определяется относительно точки наблюдения.
Чтобы обнаружить магнитное поле при перемещении заряда можно провести опыт. При этом заряд не обязательно должен двигаться под действием электрических сил. Первая часть опыта состоит в том, что по проводнику круговой формы проходит электрический ток. Следовательно, вокруг него образуется магнитное поле. Действие, которого можно наблюдать при отклонении магнитной стрелки находящейся рядом с витком.
28.
из опыта известно, что магнитное поле
оказывает действие не только на проводники
с током, но и на отдельные заряды, которые
движутся в магнитном поле. Сила, которая
действует на электрический заряд Q,
движущийся в магнитном поле со скоростью v,
называется силой
Лоренца и
задается выражением
(1)
где В —
индукция магнитного поля, в котором
заряд движется.
Чтобы
определить направление силы Лоренца
используем правило
левой руки:
если ладонь левой руки расположить так,
чтобы в нее входил вектор В,
а четыре вытянутых пальца направить
вдоль вектора v (для
Q>0 направления I и v совпадают,
для Q<0 — противоположны), то отогнутый
большой палец покажет направление силы,
которая действует на положительный
заряд. На рис. 1 продемонстрирована
взаимная ориентация векторов v, В (поле
имеет направление на нас, на рисунке
показано точками) и F для
положительного заряда. Если заряд
отрицательный, то сила действует в
противоположном направлении. Модуль
силы Лоренца, как уже известно,
равен
гдеα—
угол между v и В.
Подчеркнем
еще раз, что магнитное
поле не оказывает действия на покоящийся
электрический заряд.
Этим магнитное поле существенно
отличается от электрического. Магнитное
поле действует только на движущиеся в
нем заряды.
Зная
действие силы Лоренца на заряд можно
найти модуль и направление вектора В,
и формула для силы Лоренца может быть
применена для нахождения вектора
магнитной индукции В.
Поскольку
сила Лоренца всегда перпендикулярна
скорости движения заряженной частицы,
то данная сила может менять только
направление этой скорости, не изменяя
при этом ее модуля. Значит, сила Лоренца
работы не совершает. Другими словами,
постоянное магнитное поле не совершает
работы над движущейся в этом поле
заряженной частицей и, следовательно,
кинетическая энергия этой частицы при
движении в магнитном поле не изменяется. В
случае, если на движущийся электрический
заряд вместе с магнитным полем с
индукцией В действует
еще и электрическое поле с напряженностью Е,
то суммарная результирующая сила F,
которая приложена приложенная к заряду,
равна векторной сумме сил — силы,
действующей со стороны электрического
поля, и силы Лоренца:
Это
выражение носит название формулы
Лоренца.
Скорость v в
этой формуле есть скорость заряда
относительно магнитного поля.
29.
Сила Лоренца — сила,
с которой электромагнитное
поле согласно
классической (неквантовой) электродинамике
действует на точечную заряженную частицу.
Иногда силой Лоренца называют силу,
действующую на движущийся со
скоростью 
заряд 
лишь
со стороны магнитного
поля,
нередко же полную силу — со стороны
электромагнитного поля вообще[1],
иначе говоря, со
стороны электрического 
и магнитного 
полей.
Выражается в СИ как:
Названа в честь голландского физика Хендрика Лоренца, который вывел выражение для этой силы в 1892 году. За три года до Лоренца правильное выражение было найдено Хевисайдом[2].
Макроскопическим проявлением силы Лоренца является сила Ампера.
Применение силы Лоренца
Эксперимент, показывающий воздействие силы Лоренца на заряженные частицы
Пучок электронов, движущихся по круговой траектории под воздействием магнитного поля. Свечение вызвано возбуждением атомов остаточного газа в баллоне
В электроприборах
Основным применением силы Лоренца (точнее, её частного случая — силы Ампера) являются электрические машины (электродвигатели и генераторы). Сила Лоренца широко используется в электронных приборах для воздействия на заряженные частицы (электроны и иногда ионы), например, в телевизионных электронно-лучевых трубках, а также в масс-спектрометрии и МГД генераторах.
В ускорителях заряженных частиц
Сила Лоренца также используется в ускорителях заряженных частиц, задавая орбиту, по которой движутся эти частицы.
30. Поток вектора магнитной индукции, пронизывающий площадку S - это величина, равная:
Поток вектора магнитной индукции (магнитный поток) измеряется в веберах (Вб)
Магнитный поток - величина скалярная.
Поток вектора магнитной индукции (магнитный поток) равен числу линий магнитной индукции, проходящих сквозь данную поверхность.
Поток вектора магнитной индукции (магнитный поток) сквозь произвольную замкнутую поверхность равен нулю:
