Sfera-perm.ru

Сфера Пермь
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Объясните тепловое действие электрического тока

Электрические. люди

Для того чтобы изучать аномальные явления, иной раз совершенно нет нужды бегать за зелеными человечками, караулить летающие тарелки или пытаться отыскать порталы в иное время или иное измерение.

Достаточно посмотреть вокруг — на людей. Потому что очень часто люди сами являются ходячим аномальным явлением. Например, так называемые «электрические люди».

В истории человечества их считанные единицы. Их дар заключается в чрезвычайной электрической активности организма, в результате чего на поверхности тела сосредотачивается значительный электрический заряд, не влияющий на их здоровье, но осложняющий им жизнь по причине влияния этого неизвестно откуда взявшегося электричества на окружающих людей, вещи и домашних животных.

Исторические данные говорят, что такого рода феномены наблюдались и ранее, до наступления эпохи электричества. Однако только с ее наступлением им стали придавать истинное значение. Так, например, в 1869 г. во Франции появился на свет младенец, который был постоянно насыщен статическим электричеством. Матери было достаточно прикоснуться к нему, как она ощущала сильный удар током.

Кормление же грудью превращалось в настоящую пытку: удары следовали один за другим. Но между тем сам ребенок, казалось, ничего не чувствовал. В темноте от его пальцев исходили какие-то лучи и даже небольшие молнии, а в воздухе возле него всегда пахло озоном. Было также отмечено, что небольшие предметы начинали спонтанно двигаться, когда ребенок к ним тянулся. Через восемь месяцев несчастный младенец умер. То, что в его смерти было виновато его внутреннее электричество, несомненно.

Аналогичная ситуация сложилась с уже взрослой девушкой из Канады, которая также била током всех, кто к ней прикасался или даже подходил близко. Кроме электрических явлений, с ней происходили и магнитные, называемые в наши дни биопритяжением: мелкие и даже крупные предметы, включая те, что изготовлены из немагнитных материалов, намертво прилипали к ее коже

В те же годы в одном медицинском журнале сообщалось о 29-летней парижанке, которая с детства была насыщена электричеством: от ее волос в темноте летели искры, пальцы притягивали к себе мелкие предметы, а нижнее белье приставало к телу так сильно, что его невозможно было снять, не повредив кожу.

Первое научное исследование феномена было произведено профессором французской академии наук Франсуа Араго в 1846 г., когда появились слухи о некой парижанке Анжелике Коэн, обладающей способностью «искрить» и отталкивать предметы. Достаточно ей было слегка прикоснуться рукой или краем платья к тяжелой мебели, как она принималась прыгать по комнате, отскакивая от девушки.

«Электрическая сила» временами воздействовала и на саму девушку: она начинала биться в судорожном припадке, а частота пульса возрастала до 120 ударов. Однако если Анжелика разряжалась, опуская руки в проточную воду или даже прикасаясь к дереву, то с ней такого не происходило.

В своем научном отчете Араго не без стеснения писал, что изучение данного феномена поставило его в тупик, поскольку наука еще не созрела для того, чтобы понять природу электричества в человеке. Однако даже в наш просвещенный век аналогичные электрические явления в человеке сопровождаются полной беспомощностью науки, пытающейся объяснить данное явление или хотя бы найти ему причину.

Так, некая англичанка Ники Хайд-Палли неожиданно для себя превратилась в настоящую «машину», производящую электричество. Случилось это после удара молнии. К счастью, она осталась жива, но превратилась в монстра, поражающего людей и предметы электростатическими разрядами. В ее присутствии сами собой переключались каналы телевизора, перегорали лампочки и другая бытовая техника, а компьютер превратился в кучу хлама. От нее постоянно исходили искры, болезненно действующие на окружающих людей.

Мало того, от этих электрических ударов страдает и сама Ники, причем и чисто физически. В результате полной невозможности супружеской жизни от нее ушел муж. Он был до того напуган, что даже проверил и свою новую подругу на предмет наличия в ней электричества. Сама же Ники превратилась в полную затворницу, а выходя на улицу или в магазин, надевает на руки резиновые перчатки, носит обувь на толстой подошве, не пропускающей электричества, и т.д.

В числе «электрических людей» следует назвать и ныне живущего в Украине пенсионера В.Т.Максютинского, который также является источником статического электричества. Однако среди односельчан он известен более как человек, нечувствительный к электрическому току.

Так, например, в процессе одного из экспериментов Максютинский без особых болезненных ощущений для себя и без вреда для своего здоровья выдерживал в течение нескольких минут воздействие электрическим напряжением 850 вольт!

Похож на него и другой пенсионер — но уже китайский, по имени Чжан Дэкэ из города Алэтай. Он регулярно устраивает своему телу «атлетические упражнения», пропуская через него ток, напряжение которого составляет 220 вольт! При этом тело Дэкэ не только служит проводником электричества, но и удерживает его некоторое время в себе.

Этого бывает достаточно, чтобы за две минуты буквально поджарить на ладонях небольшую рыбу! Очень часто этот «трюк» служит причиной спонтанных экскурсий: люди не верят, что такое бывает на самом деле, и приезжают в Алэтай посмотреть на чудо-пенсионера.

Читайте так же:
Устройство провода для теплого пола

Впрочем, Дэкэ не только жарит рыбу на ладонях благодаря своему дару, но и занимается. лечением. Тем, что он регулярно пропускает через себя ток, он успешно лечит ревматизм, артрит и поясничные боли. Тем не менее специалисты настоятельно советуют ему не слишком увлекаться «электротерапией»: мало ли что! Они, в общем-то, правы: феномен не изучен, и неизвестно, как такое лечение повлияет на ход болезни. Однако пока еще никто не жаловался.

Чжан Дэкэ является объектом пристального внимания ученых. Недавно он проходил обследование в Академии наук Китая, но его результаты не дали полного объяснения феномену.

«Дружит» с оголенными электрическими проводами, находящимися под напряжением, и 51-летний Константин Крайю из румынского города Бузау. Кроме того, он утверждает, что может засунуть два пальца в розетку и только почувствовать, что они становятся теплее.

Он может чинить электропроводку, сломанные электроприборы, не отсоединяясь от источника питания. На глазах у журналистов Крайю засунул два провода в розетку и, используя свое тело как проводник, включил лампочку.

Не боится дотрагиваться до оголенных проводов и житель Ингушетии Леча Ватаев. Ватаев спокойно держит в руках оголенные провода и разъемы с напряжением в 220 вольт и при этом даже не шелохнется. Однако дотрагиваться до тела Ватаева в это время смертельно опасно. До тех пор, пока в его руках электрический ток, он — проводник высокого напряжения.

Как сообщал недавно один из российских телеканалов, специалисты-электрики с любопытством проверяли и наблюдали наличие тока в его организме с помощью индикаторов. Когда индикатор подносили к левому уху и к языку «чудо-человека», лампочка загоралась, т.к. это был «плюс», а когда подносили к правому — не загоралась, т.к. это оказался «минус». Очевидцы были ошеломлены.

Двенадцатилетний подросток Джо Фальчитано из штата Нью-Йорк приводит компьютеры в негодность, просто дотрагиваясь до них. Кроме того, парень вполне может «подвесить» на длительное время компьютер или игровую приставку.

Эксперты, которые провели над парнем уже не один десяток тестов, все еще ломают голову над его «загадочными способностями», однозначно утверждая лишь, что Джо является т.н. «носителем биоэлектричества».

Английский астрофизик Майкл Шаллис в течение четырех лет занимался изучением шестисот носителей экстремального биоэлектричества, но так до конца и не выяснил причину появления электрического потенциала в телах исследуемых. Тем не менее, многие из его подопечных могли бы попасть в Книгу рекордов Гиннесса. Некоторые и попали.

Среди испытуемых Шаллиса есть совершенно удивительные люди. Например, Шейла. Так случилось, что служащие одного из банков в Бирмингеме чем-то ее обидели, и она в отместку чуть не довела банкиров до разорения. Женщине достаточно было прикоснуться к розетке или к месту скрытой электропроводки в стене холла, чтобы компьютеры в банке начинали давать искаженную информацию, стирать из памяти различные данные или вообще отключаться.

Ни один специалист не мог определить, что происходит с аппаратурой. Однако после ухода Шейлы из банка все компьютеры опять исправно работали. Иными словами, в данном случае феномен заключается не только в нечувствительности к электротоку, но и в способности воздействовать на информацию, хранящуюся в компьютерах, причем не в техническом, так сказать, аспекте, а в качественном: информация не исчезала, она менялась!

А что же по этому поводу говорит официальная наука? Физикам, биофизикам и биоэнергетикам давно известно, что электрические явления происходят в человеческом организме постоянно. Более того, от их наличия зависит все наше существование. Всем известны такие диагностические методики, как ЭКГ и ЭЭГ, определяющие состояние работы сердца и, соответственно, мозга по качеству электрических импульсов.

Другой вид электрической активности имеется в т.н. каналах или меридианах внутри тела человека, а также в биологических активных точках. Его вырабатывает любой организм — за счет наличия в живых тканях и клетках электронов, ионов и заряженных макромолекул, движение которых и создает разность потенциалов. При определенных условиях эти потенциалы могут вызвать биотоки во внутренней среде организма.

Но величина биопотенциалов в человеческом организме исчисляется всего лишь тысячными долями вольта, т.е. оказываются настолько незначительными, что определяются только с помощью особо чувствительных приборов. Поэтому приводить в пример «микротоки» среднестатистического человеческого организма в данном случае бесполезно — не тот, что называется, масштаб.

Может быть, стоит обратиться к животным? В природе, как известно, имеются и виды, способные продуцировать и накапливать в себе электрический разряд большой мощности, например, электрический скат. Но это, скорее, исключение из правил. Да и мощность у того ската — по сравнению хотя бы с вышеописанными пенсионерами — смехотворна.

И официальная современная наука заявляет: продуцирование или накапливание в человеческом теле электрической энергии подобной мощности не просто невозможно, но и смертельно опасно. Вот так! Невозможно и смертельно опасно. Однако все «электрические люди» (за небольшим исключением) живы и здоровы и реально существуют. Но наука утверждает именно так, и других точек зрения не имеет.

Читайте так же:
Формула количества теплоты в физике через силу тока

По мнению медиков, электрические токи большой интенсивности чаще всего возникают при сбоях в работе человеческого организма. Резко поднимается температура тела, появляется шум в ушах, проявляются другие симптомы, свидетельствующие о нарушениях каких-то процессов, происходящих в человеческом теле.

Но все это совершенно не объясняет самого феномена. Откуда берется в человеке электрический ток и почему он не приводит к фатальным последствиям — по-прежнему загадка.

Классическая электронная теория проводимости Друде-Лоренца

Классическая теория электропроводности металлов

Теория Друде была разработана в 1900 году, через три года после открытия электрона. Затем теория была доработана Лоренцом, и сейчас она является классической и актуальной теорией проводимости металлов.

Электронная теория Друде-Лоренца

Согласно теории, носителями тока в металлах являются свободные электроны.

Друде предположил, что электроны в металле подчиняются и могут быть описаны уравнениями молекулярно-кинетической теории. Другими словами, свободные электроны в металле подчиняются законам МКТ и образуют «электронный газ».

Двигаясь в металле, электроны соударяются между собой и с кристаллической решеткой (это и есть проявление электрического сопротивления проводника). Между соударениями электроны, по аналогии с длиной свободного пробега молекул идеального газа, успевают преодолеть средний путь λ .

Без действия электрического поля, ускоряющего электроны, кристаллическая решетка и электронный газ стремятся к состоянию теплового равновесия.

Приведем основные положения теории Друде:

  1. Взаимодействие электрона с другими электронами и ионами не учитывается между столкновениями.
  2. Столкновения являются мгновенными событиями, внезапно меняющими скорость электрона.
  3. Вероятность для электрона испытать столкновение за единицу времени равна 1 τ .
  4. Состояние термодинамического равновесия достигается благодаря столкновениям.

Важно.

Несмотря на множество допущений, теория Друде-Лорецна хорошо объясняет эффект Холла, явление удельной проводимости и теплопроводность металлов. Именно поэтому она актуальна по сей день, хотя ответы на многие вопросы (например, почему в металле существуют свободные ионы и электроны) смогла дать только квантовая теория твердого тела.

В рамках теории Друде объясняется сопротивление металлов. Оно обусловлено соударениями электронов с узлами кристаллической решетки.

Выделение тепла, согласно закону Джоуля-Ленца, также происходит по причине соударения электронов с ионами решетки.

Теплопередача в металлах также осуществляется электронами, а не кристаллической решеткой.

Терия Друде не объясняет многих явлений, как например сверхпроводимость, и не применима в сильных магнитных полях, в слабых магнитных полях может терять применимость из-за квантовых явлений.

Среднюю скорость электронов можно вычислить по формуле для идеального газа:

» open=» v = 8 k T π m

Здесь k — постоянная Больцмана, T — температура металла, m — масса электрона.

При включении внешнего электрического поля, на хаотичное движение частиц «электронного газа» накладывается упорядоченное движение электронов под действием сил поля, когда электроны начинают упорядоченно двигаться со средней скоростью » open=» u . Величину этой скорости можно оценить из соотношения:

где j — плотность тока, n — концентрация свободных электронов, q — заряд электрона.

При больших плотностях тока рассчеты дают следующий результат: средняя скорость хаотичного движения электронов во много раз ( ≈ 10 8 ) больше скорости упорядоченного движения под действием поля. При вычислении суммарной скорости полагают, что

Формула Друде

Формула Друде выводится из кинетического уравнения Больцмана и имеет вид:

Здесь m * — эффективная масса электрона, τ — время релаксации, то есть время, за которое электрон «забывает» о том, в какую сторону двигался после соударения.

Друде вывел закон Ома для токов в металле:

Опыт Толмена и Стюарта

В 1916 году опыт Толмена и Стюарта дал прямое доказательство тому, что носителями тока в металлах являются электроны.

Суть опыта была в следующем.

Опыт Толмена и Стюарта

Проводящая катушка с проводом длиной L вращалась вокруг своей оси с большой скоростью, а ее концы были замкнуты на гальванометр. Когда катушку резко тормозили, свободные электроны в металле продолжали двигаться по инерции, и гальванометр регистрировал импульс тока.

Считая, что свободные электроны подчиняются законам механики Ньютона, можно записать, что при остановке проводника электрон приобретает ускорение v ‘ (в катушке направлено вдоль проводов). При этом на электрон действует сила, направленная противоположно ускорению.

Под воздействием этой силы электрон ведет себя так, как если бы на него действовало поле E = — m v ‘ q . Эдс, возникающую в катушке при торможении можно записать, как:

ε = ∫ L E d l = — m v ‘ q ∫ L d l = — m v ‘ q L

Считая, что ускорение одинаково в каждом витке, можно записать закон Ома для катушки, а затем вычислить заряд, проходящий в ней за время d t :

d q = I d t = — m L d v q R d t d t = — m L d v q R

Заряд, прошедший от момента начала торможения до остановки:

q = — m L q R ∫ v 0 0 d v = — m L v 0 q R

Опыт Толмена и Стюарта получил хорошее согласование с теорией, полученное экспериментально отношение q m соответствовало отношению заряда электрона к его массе.

При T = 300 К вычислите среднюю скорость теплового движения свободных электронов.

Вычислим среднюю скорость, применяя формулу для идеального газа:

» open=» v = 8 k T π m

Читайте так же:
Тепловая пушка пусковые токи

k = 1 , 38 · 10 — 23 Д ж К

m = 9 , 31 · 10 — 31 к г

Подставляем значения и вычисляем:

» open=» v = 8 · 1 , 38 · 10 — 23 · 3 · 10 2 3 , 14 · 9 , 31 · 10 — 31 ≈ 10 5 м с

Влияние электромагнитных полей на здоровье человека и способы защиты от их вредного воздействия

Природа подарила человечеству чистый, прозрачный воздух, водоемы и естественный электромагнитный фон, излучаемый как планетой и окружающим космосом, так и животным и растительным миром. Однако, с развитием цивилизации, естественный геомагнитный фон усилился техногенным воздействием. Человек при помощи радиотехнических и радиоэлектронных приборов создал невидимую электромагнитную паутину, в которой мы все находимся. Мощные линии электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения, многочисленные радио- и телепередающие станции, космические станции спутниковой связи вызывают электромагнитное загрязнение среды обитания человека. Воздействие ЭМП происходит дома, на работе и даже во время отдыха на природе. Электробытовые приборы, предназначенные облегчить нашу жизнь, стены домов и квартир, пронизанные электрическими проводами, распространяют ЭМП не безвредные для здоровья человека.

Биологическое действие ЭМП.Данные как отечественных, так и зарубежных исследователей свидетельствуют о высокой биологической активности ЭМП во всех частотных диапазонах. ЭМП высокой частоты приводят к нагреву тканей организма.

Многочисленные исследования в области биологического действия ЭМП определили наиболее чувствительные системы организма: нервную, иммунную, эндокринную, половую. Биологический эффект ЭМП в условиях многолетнего воздействия накапливается, вследствие чего возможно развитие отдаленных последствий дегенеративных процессов в центральной нервной системе, новообразований, гормональных заболеваний. К электромагнитным полям особенно чувствительны дети, беременные, люди с нарушениями в сердечно-сосудистой, гормональной, нервной, иммунной системах.

Влияние на нервную систему.Нарушается передача нервных импульсов. В результате появляются вегетативные дисфункции(неврастенический и астенический синдром), жалобы на слабость, раздражительность, быструю утомляемость, нарушение сна нарушается высшая нервная деятельность — ослабление памяти, склонность к развитию стрессовых реакций.

Влияние на сердечно-сосудистую систему.Нарушения деятельности этой системы проявляются, как правило, лабильностью пульса и артериального давления, склонностью к гипотонии, болями в области сердца. В крови отмечается умеренным снижением количества лейкоцитов и эритроцитов.

Влияние на иммунную и эндокринную системы.Установлено, что при воздействии ЭМП нарушается иммуногенез, чаще в сторону угнетения. У животных организмов, облученных ЭМП, отягощается течение инфекционного процесса. Влияние электромагнитных полей высокой интенсивности проявляется в угнетающем эффекте на Т-систему клеточного иммунитета. Под действием ЭМП увеличивается выработка адреналина, активизируется свертываемость крови, снижается активность гипофиза.

Влияние на половую систему. Многие ученые относят электромагнитные поля к тератогенным факторам. Наиболее уязвимыми периодами являются обычно ранние стадии развития зародыша. Наличие контакта женщины с электромагнитным излучением может привести к преждевременным родам, повлиять на развитие плода и, наконец, увеличить риск врожденных уродств.

Основные источники ЭМП и способы защиты от их воздействия.

Источниками электромагнитных полей являются атмосферное электричество, геомагнитные поля, промышленные установки, радиолокация, радионавигация, средства теле- и радиовещания, бытовые приборы, внутренние электрические сети в домах. Излучаемое ими поле разнится в зависимости от конкретных моделей — чем выше мощность прибора, тем больше создаваемое им магнитное поле.

Достаточно актуальным является вопрос биологической безопасности сотовой связи. Однозначного ответа на него ученые до сих пор не дали. Можно отметить лишь одно: за все время существования сотовой связи ни один человек не получил явного ущерба здоровью из-за ее использования. Исходя из технологических требований построения системы сотовой связи, основная энергия излучения (более 90%) сосредоточена в довольно узком луче, который всегда направлен в сторону и выше прилегающих построек. В режиме разговора излучение сотового телефона гораздо выше, чем в режиме ожидания. Поле, возникающее вокруг его антенны, усиливается в метро, во время разговора в автомобиле, усиливает его действие металлическая оправа очков.

Персональные компьютеры давно превратились в одну из самых важных вещей в доме среднестатистического жителя любой из развитых стран мира. Очень часто приходится пользоваться компьютером по месту работы. По статистике, около 30% населения большую часть рабочего времени проводят за компьютером, кроме того, значительная часть пользователей имеет контакт с ПК дома. В связи с этим у многих возникает вопрос о вредных факторах, влияющих на человека при работе на компьютере и способах защиты от них. Считается, что наиболее опасно излучение монитора, являющегося источником электромагнитного, рентгеновского, инфракрасного, ультрафиолетового излучений. Однако, опасными в этом плане могут оказаться только довольно старые, выпущенные 5-7 лет назад мониторы. Они являются источниками ЭМИ сверхнизкой частоты, но не больше, чем другие электроприборы. Уровень рентгеновского излучения монитора намного меньше, чем естественный радиационный фон. А уровни инфракрасного и ультрафиолетового излучений монитора ничтожны по сравнению с электрическими лампами. Но даже в этом случае можно отдельно приобрести защитный экран. Современные жидкокристаллические (плоские) экраны и переносные компьютеры-ноутбуки вообще не излучают — у них другой принцип действия.

Для исключения или уменьшения уровней воздействия ЭМП на организм человека важно выполнять ряд простых рекомендаций:

Читайте так же:
Уксусная кислота проводит тепло ток или нет

— исключение длительного пребывания в местах с повышенным уровнем магнитного поля промышленной частоты

— грамотное расположение мебели для отдыха, обеспечивающие расстояние 2-3 метра до электрораспределительных щитов, силовых кабелей, электроприборов

— при приобретении бытовой техники обращайте внимание на информацию о соответствии прибора требованиям санитарных норм

— использование приборов меньшей мощности

— не пользоваться сотовым телефоном без необходимости, не разговаривать непрерывно более 3-4 минут

— использовать в автомобиле комплект hands-free, размещая его антенну в геометрическом центре крыши.

Люди уже не могут отказаться от электростанций, железных дорог, самолетов, автомобилей, от других завоеваний цивилизации, даже если идет речь о собственном здоровье. Задача состоит в том, чтобы минимизировать вредные техногенные воздействия на окружающую среду и ознакомить общество с конкретной экологической опасностью и выработать механизм защиты.

Полупроводники. Структура полупроводников. Типы проводимости и возникновение тока в полупроводниках.

23 Май 2013г | Раздел: Радио для дома

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. На сайте есть раздел посвященный начинающим радиолюбителям, но пока что для начинающих, делающих первые шаги в мир электроники, я толком ничего и не написал. Восполняю этот пробел, и с этой статьи мы начинаем знакомиться с устройством и работой радиокомпонентов (радиодеталей).

Начнем с полупроводниковых приборов. Но чтобы понять, как работает диод, тиристор или транзистор, надо представлять, что такое полупроводник. Поэтому мы, сначала изучим структуру и свойства полупроводников на молекулярном уровне, а затем уже будем разбираться с работой и устройством полупроводниковых радиокомпонентов.

Общие понятия.

Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.

Это большая группа веществ, применяемых в радиотехнике (германий, кремний, селен, окись меди), но для изготовления полупроводниковых приборов используют в основном только Кремний (Si) и Германий (Ge).

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

Свойства полупроводников.

Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры.
При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводники не проводят электрический ток, а с повышением температуры, их сопротивляемость току уменьшается.

Если на полупроводник навести свет, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников, были созданы фотоэлектрические приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи. А при введении в полупроводники примесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.

Строение атомов полупроводников.

Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только четыре валентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится положительным ионом.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.
На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов (положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.

Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.

В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих, и по одному, заимствованных от четырех соседних атомов. Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.

Электропроводность полупроводника.

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов. Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.

Читайте так же:
Производство теплостойкого обмоточного провода

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.

А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.

Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.
Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.

Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.

Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).

Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

Электронно-дырочная проводимость.

В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной.

Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.

Электронная проводимость.

Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов. Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним» – то есть свободным. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше окажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи.

Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.

Дырочная проводимость.

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.

Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.

На этом давайте остановимся, а в следующей части рассмотрим устройство, принцип работы диода, разберем его вольт-амперную характеристику и схемы включения.
Удачи!

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector