3.6. Элементы зонной теории

В основе зонной теории лежит представление, что электроны движутся в поле неподвижных ядер кристаллической решетки. Взаимодействие электрона с другими электронами вещества заменяется действием на него стационарного периодического поля. Таким образом, многоэлектронная задача сводится к задаче о движении одного электрона во внешнем электрическом поле – поле всех ядер и электронов. Известно, что атом обладает набором значений энергии, энергетическими уровнями, и взаимодействие между атомами приводит к тому, что энергетические уровни расщепляются, смещаются, расширяются в зоны, образуя зонный энергетический спектр.

На рис. 3.10 видно, как расщепляются и расширяются лишь уровни внешних, валентных электронов, слабо связанных с ядром. Уровни внутренних электронов совсем не расщепляются или расщепляются очень слабо. Энергия внешних электронов может принимать различные значения в пределах областей, называемых разрешенными энергетическими зонами.

Разрешенные зоны разделены зонами запрещенных значений энергии – запрещенными зонами, где электрон находиться не может.

Зонная теория позволила с единой точки зрения объяснить проводимость металлов, полупроводников, диэлектриков.

1. Валентная зона свободного атома образована из энергетических уровней внутренних электронов и заполнена электронами полностью.

2. Зона проводимости (свободная зона) либо частично заполнена электронами, либо свободна и образована из энергетических уровней внешних электронов изолированных атомов.

В зависимости от степени заполнения зон электронами и ширины запрещенной зоны возможны четыре случая, изображенные на рисунке 3.13. В металлах (рис. 3.13 а, б) валентная зона частично заполнена (в ней имеются вакантные уровни) или перекрывается с зоной проводимости. Электрон даже за счет теплового движения может перейти в зону проводимости. Если ширина запрещенной зоны невелика (рис 3.13 в), как в полупроводниках ( ~ ), то электроны из валентной зоны в зону проводимости могут перейти сравнительно легко путем теплового возбуждения или за счет энергии внешнего источника. Если ширина запрещенной зоны кристалла порядка нескольких , то тепловое движение не может перебросить электроны в зону проводимости, и кристалл является диэлектриком при всех реальных температурах (рис.3.13 г).

4. Магнитное поле

4.1. Магнитное поле и его характеристики

Вокруг проводника с током или постоянного магнита существует магнитное поле, которое можно обнаружить по действию его на магнитную стрелку или рамку с током. Магнитное поле является силовым, и его изображают с помощью силовых линий – линий магнитной индукции. Линии магнитной индукции замкнуты и имеют направление.

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции , который в каждой точке поля направлен по касательной к силовой линии. Направление силовых линий определяется по правилу правого винта: головка винта, ввинчиваемого по направлению тока, вращается в направлении линий магнитной индукции. Линии магнитной индукции можно проявить с помощью железных опилок, которые располагаются в магнитном поле подобно маленьким магнитным стрелкам (рис. 4.1).

Магнитное поле характеризуется еще с помощью вектора напряженности , который связан с соотношением , где –магнитная постоянная, равная , – магнитная проницаемость среды, показывающая, во сколько раз магнитная индукция в среде больше, чем в вакууме .

Единица измерения магнитной индукции – 1 Тл.