- •«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
- •Физика, часть 2
- •1.Электростатика
- •1.1.Электрические заряды и электрическое поле. Принцип суперпозиций полей
- •1.2.Понятие о плотности заряда
- •1.3.Применение принципа суперпозиции к расчету электростатических полей. Электростатическое поле на оси заряженного кольца
- •Подставим выражение (1.14) в формулу (1.13) и вынесем за знак интеграла постоянные величины, получим:
- •1.4.Геометрическое описание электрического поля. Поток вектора напряжённости
- •1.7. Применение теоремы Остроградского-Гаусса к расчёту электростатических полей
- •1.6.Теорема Остроградского-Гаусса
- •2. Поле двух бесконечных параллельных плоскостей, заряженных разноимённо.
- •3.Поле бесконечного равномерно заряженного по поверхности цилиндра
- •4.Поле равномерно заряженной по поверхности сферы
- •1.8. Работа сил электростатического поля. Потенциал
- •Подставим выражения (1.47) и (1.48) в формулу (1.46), получим:
- •1.9. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля
- •1. 10. Связь между напряженностью электростатического поля и потенциалом
- •1.11. Вычисление потенциала по напряженности поля
- •2.Электрическое поле в веществе
- •2.1.Электрическое поле в диэлектриках. Диполь и дипольный момент. Поляризованность
- •Внутреннее электрическое поле в диэлектрике (микрополе) достигает величины Евнутр.1011в/м. Внешние поляЕвнеш..107в/м.
- •Поляризованность диэлектрика определится выражением:
- •Безразмерная величина показывает, во сколько раз напряженность поля в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Она называетсяотносительной диэлектрической проницаемостью вещества.
- •2.2.Виды диэлектриков и механизм поляризации
- •2.3. Сегнетоэлектрики и их свойства
- •2.4. Пьезоэлектрический эффект
- •2.5. Вектор электрического смещения. Теорема Гаусса для электрического поля в диэлектрике
- •2.5. Проводники в электрическом поле
- •2.6. Электроемкость уединенного проводника. Конденсаторы.
- •2.6. Параллельное и последовательное соединение конденсаторов
- •2.7. Энергия электрического поля
- •3. Постоянный электрический ток
- •3.1.Характеристики электрического тока
- •3.2.Законы Ома и Джоуля-Ленца для однородного проводника
- •Разность потенциалов на концах цилиндра равна
- •Сопротивление цилиндра выражается формулой
- •3.3.Сторонние силы. Э.Д.С. Закон Ома для неоднородного участка цепи
- •Второй интеграл равен разности потенциаловна концах участка:
- •Это выражение называется законом Ома для неоднородного участка цепи.
- •3.4. Правила Кирхгофа
- •3.5. Классическая электронная теория металлов
- •Вывод закона Ома на основе электронной теории
- •Вывод закона Джоуля-Ленца на основе электронной теории
- •Вывод закона Видемана-Франца на основе электронной теории
- •3.6. Достоинства и затруднения классической электронной теории металлов Классическая электронная теория металлов (как и любая другая теория) имеет свои достоинства и недостатки.
- •3.7. Работа выхода электронов из метала. Термоэлектронная эмиссия
- •4. Магнитное поле в вакууме
- •4.1. Магнитная индукция. Закон Ампера.
- •4.2. Магнитное поле в вакууме. Закон Био-Савара - Лапласа.
- •4.3. Магнитное поле прямолинейного проводника с током
- •4.4. Магнитное поле кругового тока
- •4.5. Магнитный момент витка с током
- •4.6. Магнитное поле движущегося заряда
- •4.7. Вихревой характер магнитного поля. Циркуляция вектора магнитной индукции. Закон полного тока
- •Из рисунка следует, что
- •4.8. Применение закона полного тока. Магнитное поле соленоида и тороида
- •Подставляя (4.43) в (4.42) и производя сокращения, получим: . (4.44)
- •4.9. Сила Лоренца
- •4.10. Движение заряженных частиц в магнитном поле
- •Период обращения частицы по окружности равен:
- •4.11. Эффект Холла
- •4.12. Механическая работа в магнитном поле
- •4.14. Контур с током в однородном магнитном поле
- •4.15. Контур с током в неоднородном магнитном поле
- •5. Магнитное поле в веществе
- •5.1. Намагничивание вещества. Вектор намагниченности
- •5.2. Закон полного тока для магнитного поля в веществе
- •5.3. Магнитные моменты электронов и атомов
- •Движущийся по орбите электрон обладает моментом импульса:
- •5.4. Влияние магнитного поля на орбитальное движение электронов. Объяснение диамагнетизма
- •5.5. Парамагнетизм
- •5.6. Классификация магнетиков
- •5.7. Ферромагнетики и их свойства
- •5.8. Доменная структура и механизм намагничивания ферромагнетиков
- •5.9. Антиферромагнетизм. Ферримагнетизм. Ферриты
- •6. Электромагнитная индукция
- •6.1. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца.
- •6.2. Природа электромагнитной индукции
- •6.3. Токи Фуко
- •. (6.11)
- •6.4. Явление самоиндукции. Э.Д.С. Самоиндукции. Индуктивность
- •6.5. Явление взаимной индукции. Взаимная индуктивность. Трансформаторы
- •6.6. Токи при размыканиии и замыкании цепи
- •Задача об исчезновении тока при размыкании цепи
- •Задача об установлении тока при замыкании цепи
- •6.6. Энергия магнитного поля. Объёмная плотность энергии
4.11. Эффект Холла
Эффектом Холла называют возникновение поперечного электрического поля в пластинке из полупроводника или металла, помещённой в магнитное поле, при пропускании через неё тока в продольном направлении. Объясняется это явление действием силы Лоренца, которая отклоняет носители заряда.
Рассмотрим
движение электронов в прямоугольной
пластинке из однородного полупроводника
в магнитном и электрическом полях,
направленных взаимно перпендикулярно
(рис. 4.18). При наложении внешнего
электрического поля
в пластинке
возникнет электрический ток, и электроны
приобретают дрейфовую скорость
.
В магнитном поле на движущийся электрон
действует сила Лоренца:
,
(4.59)
где
заряд электрона,
вектор
дрейфовой скорости электрона,
вектор индукции магнитного поля.
П
од
действием силы Лоренца электроны
отклоняются (на рис. 4.18 к левой грани
пластинки), заряжая её отрицательно. На
противоположной грани накапливаются
нескомпенсированные положительные
заряды. Это приводит к возникновению
поперечного электрического поля
и к появлению между гранями пластинки
разности потенциалов.
Электрическое
поле действует на электроны с силой
,
направленной противоположно силе
Лоренца
.
Заряды на боковых гранях пластины будут
накапливаться до тех пор, пока эти две
силы не уравновесят друг друга:
,
(4.60)
.
(4.61)
Величина
напряжённости однородного электрического
поля и разность потенциалов
связаны соотношением:
.
Тогда для разности потенциалов между
гранями пластинки получим:
,
(4.62)
где
ширина пластинки. Эту разность потенциалов
принято называть э.д.с.
Холла.
Плотность
тока в пластинке пропорциональна средней
скорости дрейфа
и определяется выражением:
,
(4.63)
где
концентрация электронов.
Сила тока равна:
,
(4.64)
где
- площадь поперечного сечения пластинки.
Из формул (4.63) и (4.64) следует, что средняя дрейфовая скорость электронов определится выражением:
.
(4.65)
Подставив выражение (4.65) в (4.62), получим формулу для э.д.с Холла:
.
(4.66)
Из формулы (4.66) следует, что э.д.с Холла тем больше, чем меньше концентрация носителей заряда и чем меньше толщина пластинки.
Введём обозначение
.
(4.67)
Тогда
.
(4.68)
Коэффициент
пропорциональности
называетсяпостоянной
Холла Она
определяется знаком движущихся носителей
заряда и их концентрацией.
В примесных полупроводниках электропроводность может быть обусловлена как движением электронов, так и движением квазичастиц "дырок", имеющих положительный заряд, равный по величине заряду электрона. Если основными носителями в полупроводнике являются дырки, то они также отклоняются силой Лоренца к левой грани пластинки. В этом случае левая грань зарядится положительно, а правая – отрицательно (рис 4.19).
П
остоянная
Холла в этом случае определяется
выражением:
,
(4.69)
где
концентрация дырок.
Таким образом, по направлению поперечного электрического поля (знаку э.д.с. Холла) можно определить тип носителей заряда, а по величине постоянной Холла вычислить концентрацию носителей.
Если концентрации электронов и дырок в полупроводнике сравнимы по порядку величины, то выражение для постоянной Холла имеет более сложный вид. Однако, в любом случае э.д.с. Холла (для не слишком больших полей) является линейной функцией тока и индукции магнитного поля.
Эффект
Холла применяется в так называемых
датчиках
Холла, которые
представляют из себя полупроводниковую
пластинку очень малых размеров, через
которую пропускают электрический ток.
Применение датчиков Холла основано на
том, что их выходной сигнал (
)
пропорционален произведению тока на
магнитную индукцию. Такие датчики
используются для измерения индукции
магнитного поля. Кроме того, как было
уже отмечено выше, эффект Холла
используется для определения типа
носителей заряда и их концентрации в
полупроводниках.
