Электрический ток в металлах и полупроводниках

Природа носителей тока в металлах

Для выяснения природы носителей тока в металлах был поставлен ряд опытов. Прежде всего отметим опыт Рикке, осуществленный в 1901 г. Результаты опыта Рикке свидетельствовали о том, что перенос заряда в металлах осуществляется не атомами, а какими–то частицами, входящими в состав всех металлов. Такими частицами могли быть открытые в 1897 г. Томсоном электроны.

Чтобы отождествить носители тока в металлах с электронами, нужно было определить знак и величину удельного заряда носителей. Опыты, поставленные с этой целью, основывались на следующих рассуждениях. Если в металле имеются легко перемещающиеся заряженные частицы, то при торможении металлического проводника эти частицы должны некоторое время продолжать двигаться по инерции, в результате чего в проводчике возникнет импульс тока и будет перенесен некоторый заряд.

Ток в металлах можно вызвать весьма малой разностью потенциалов. Это дает основание считать, что носители тока – электроны – перемещаются по металлу практически свободно. К тому же выводу приводят и результаты опыта Толмена и Стюарта.

Элементарная классическая теория металлов

Исходя из представлений о свободных электронах, Друде разработал классическую теорию металлов, которая затем была усовершенствована Лоренцем. Друде предположил, что электроны проводимости в металле ведут себя подобно молекулам идеального газа. В промежутках между соударениями они движутся совершенно свободно, пробегая в среднем некоторый путь. Правда, в отличие от молекул газа, пробег которых определяется соударениями молекул друг с другом, электроны сталкиваются преимущественно не между собой, а с ионами, образующими кристаллическую решетку металла. Эти столкновения приводят к установлению теплового равновесия между электронным газом и кристаллической решеткой.

Таким образом, даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения зарядов (u) в 10⁸ раз меньше средней скорости теплового движения ( ). Поэтому при вычислениях модуль результирующей скорости | v + u | всегда можно заменить модулем скорости теплового движения | v |.

Закон Ома.

I=U/R

I=e/R+r

E-эдс

R-сопротивление

r-сопротивление

Закон Джоуля – Ленца.

Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля

Математически может быть выражен в следующей форме:

w=j*E=сигма E^2

МАГНЕТИЗМ.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВАКУУМЕ.

Взаимодействие токов. Закон Ампера для длинных проводников.

Электрические токи взаимодействуют между собой. Экспериментальный факт: два тонких прямолинейных параллельных проводника, по которым текут токи (прямые токи) одинакового направления притягивают друг друга и взаимно отталкиваются, если направление токов противоположное.

Эксперимент (Ампер, 1820 г.) показывает, что сила взаимодействия, приходящаяся на единицу длины каждого из параллельных проводников, пропорциональна величинам токов в них i₁ и i₂ и обратно пропорциональна расстоянию b между ними: f=k

Единица силы тока в СИ – ампер – определяется как сила постоянного тока, проходящего в вакууме по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения. Расстояние между проводниками 1 м, сила взаимодействия между ними 2×10^–7 Н на каждый метр длины.

Кулон определяют как заряд, проходящий за 1 сек через поперечное сечение проводника, по которому течет постоянный ток силой в 1 а. В рационализованном виде формула (38.1) записывается следующим образом: f=(и латинская/4pi)((2I1I2/b)

где m₀ – так называемая магнитная постоянная.

Магнитное поле

Магни́тное по́ле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения[1], магнитная составляющая электромагнитного поля[2]

Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, хотя в заметно меньшей степени) (постоянные магниты).

Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времени электрического поля.

Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B (вектор индукции магнитного поля). С математической точки зрения B — векторное поле Нередко вектор магнитной индукции называется для краткости просто магнитным полем (хотя, наверное, это не самое строгое употребление термина).

магнитным моментом контура Pm=IS

магнитная индукция B=M(вращ мом)/Pm