Магнітні властивості твердих тіл
Протягом тисячоліть людина використовував магнітні властивості твердих тіл, не розуміючи фізичної природи цього явища. На початку XIX ст., В 1820 р., Ерстед виявляє магнітне поле навколо провідника зі струмом. Це був важливий момент не тільки магнетизму, а й всієї фізики. Через 11 років Фарадей "перетворює" магнетизм в електрику. Внутрішня єдність двох фізичних явищ було встановлено. З'являється перша наукова теорія магнітних властивостей - теорія "молекулярних" струмів Ампера. Теорія Дж. Максвелла показала,що струм провідності, конвекційний струм і струм зміщення володіють магнітним дією. Струм провідності пов'язаний з рухом електричних зарядів усередині провідника. Конвекційний струм породжується рухом заряджених тел. Струм зміщення виникає при всякому зміні в часі електричного поля, його специфічною особливістю є те, що він не обов'язково пов'язаний з рухом електричних зарядів, і може існувати у вакуумі. Мікроскопічна електронна теорія Г. Лоренца дозволила провести деякі кількісні теоретичні розрахунки з магнетизму. Великий внесок в експериментальне вивчення магнітних властивостей заліза вніс А. Столетов. Поряд з речовинами, що володіють такими ж магнітними властивостями, як залізо, кобальт, нікель і інші, виявляються речовини, магнітні властивості яких істотно відрізняються. Виявилося, що принципово всі речовини в тій чи іншій мірі магнітні. Їх розділили на три групи:
|
|
|
1) ферромагнетики - залізо, кобальт, нікель, гадоліній, тербій,
діспрозій, гольмій і ряд сплавів;
2) парамагнетики - платина, кисень, 2 3 4 Fe O, NiSO та ін;
3) Діамагнетик - мідь, вісмут, алмаз, германій, кремній, селен та ін
Залежно від чисельного значення μ всі речовини можна поділити на три
групи: Діамагнетик, парамагнетики і феромагнетики. Як вже зазначалося,
речовини, для яких μ<1, називаються діамагнетиками. До них відносяться висмут, мідь, ртуть, срібло, золото, хлор, інертні гази та ін.Стрижень з твердого діамагнетиків або ампула з рідким (газоподібним)діамагнетиком, поміщеними в однорідне магнітне поле, встановлюються перперпендикулярно лініям індукції поля. У неоднорідному магнітному полі надіамагнетик діє сила, яка прагне виштовхнути його за межі поля.
Відносна магнітна проникність діамагнетиків є величиноюпостійною і не залежить ні від індукції зовнішнього магнітного поля B0
, Ні від условий зовнішнього середовища (наприклад, температури, тиску тощо). Тому
залежність індукції магнітного поля в діамагнетиків від зовнішнього магнітного поле є лінійної (рис. 24.1).
Діамагнетизм властивий всім без винятку речовинам, але виявляється вінтільки в тих речовинах, сумарний магнітний момент атомів яких дорівнює
|
|
|
нулю. Якщо така речовина внести в зовнішнє магнітне поле, то на власне
рух електронів в атомах накладається додатковий рух,викликане полем. У результаті цього в кожному з атомів діамагнетиківіндукується додатковий струм, магнітне поле якого відповідно з правилом Ленца спрямоване проти зовнішнього поля. Тому індукція результірующего магнітного поля в діамагнетиків B дорівнює різниці індукції зовнішнього поля B0і внутрішнього поля B’:
B=Bo-B’
При виключенні зовнішнього магнітного поля індукційні «атомні струми»зникають, тобто діамагнетик розмагнічується.Речовини, відносна магнітна проникність яких
μ>1, називаються парамагнетиками. До них, зокрема, відносятся натрій, калій, магній, кальцій, марганець, платина,розчини деяких солей та ін
Зразок парамагнетика в однорідному зовнішньому магнітному полі встановлюється вздовж ліній індукції цього поля. В неоднорідному магнітному полі на парамагнетик діє сила, яка прагне втягнути його в область більш сильного поля. Відносна магнітна проникність парамагнетиків, як і діамагнетиків, не залежить від зовнішнього магнітного поля. Тому залежність індукції магнітного поля парамагнетика від зовнішнього магнітного поля також є лінійною (рис. 24.2).
|
|
|
Парамагнетиками є речовини, орбітальні магнітні моменти атомів яких відрізняються від нуля, а спінові магнітні моменти атомів дорівнюють нулю. Під дією зовнішнього магнітного поля орбітальні магнітні моменти атомів парамагнетика орієнтуються в напрямку цього поля. Тому внутрішнє магнітне поле парамагнетика, обумовлене «атомними струмами», спрямовані в ту ж сторону, що і зовнішнє намагнічене полі. З цієї причини індукція магнітного поляв парамагнетикахB=Bo-B’Оскільки тепловий рух атомів заважає орієнтації їх магнітних моментів у напрямку зовнішнього поля, то відносна магнітна проникність парамагнетиків зменшується зі збільшенням температури.
Феромагнетики. Ферромагнетики - це речовини з великим значенням відносної магнітної проникності: μ1. До них відноситься невелика група кристалічних
твердих тіл таких, як залізо, кобальт, нікель, деякі рідкоземельні елементи, а також ряд сплавів. Спеціально озданние сплави, для яких m становить десятки тисяч одиниць, називають ферритами. Властивості феромагнетиків визначаються наявністю в них при відсутності зовнішнього поля областей мимовільної (спонтанної) намагніченості - доменів.Якщо в пара-і діамагнетиках намагніченість змінюється зі збільшенням напруженості поля лінійно, то в феромагнетиках ця залежність більш складна (рис. 24.3).
|
|
|
Вже при напруженості поля порядку 100 А / м намагнічування досягає насищенія.Для феромагнетиків характерне явище гістерезису.
Якщо ненамагніченого феромагнетик помістити в зовнішнє магнітне поле, яке послідовно будемо збільшувати від нуля до Ні, То залежність B=f(H) виразиться кривою ОА (рис. 24.4), яка називається первісною або основної кривої намагнічування.Якщо намагнічування довести до насичення (точка А,рис. 24.4), а після цього зменшувати напруженість магнітного поля, то зміна магнітної індукції B будевідбуватися по кривій АD, яка не збігається з АТ.
При H =0 магнітна індукція має значення ОD, яке називаєтся залишкової індукцією B iH Для того щобіндукція B стала дорівнювати нулю, необхідно докласти полепротилежного напрямку напруженістю Hi. Це значення напруженості називається коерцитивності полем.При подальшому збільшенні напруженості поля до - Hì феромагнетик намагнітиться в протилежному напрямку до насичення (-Bì). Якщо напруженість поля знову зменшити до нуля, будемо спостерігати залишкову індукцію (-BiH). При подальшому збільшенні H індукція знову досягнезначення Bì. Замкнута крива B=f(H) називається петлею гістерезису.
Контактні явища твердих тіл
Контактні явища на межі метал−напівпровідник та напівпровідник−напівпровідниквивчені досить добре та використовуються для виготовлення діодів Шотткі і електронно-діркових діодів та транзисторів.
Саме явище електронно-діркового переходу лежить в основі роботи більшостінапівпровідникових пристроїв. Це явище відкрили порівняно недавно. Вперше йогодосліджував Давидов у 1938 р., а сучасна теорія і методи утворення електронно-діркового переходу були розроблені Шоклі і його співробітниками у 1949 році.
Область на границі двох напівпровідників з різними типами електропровідностіназивається електронно-дірковим, або р-n-переходом.
Розглянемо фізичні процеси вp-n-переході. Розглянемонапівпровідник, що складається здвох частин (рис.7.4): перша − ценапівпровідник типу p, а друга −типу n. Нехай границя, що розділяє цідві частини, є різкою. Рух носіївзаряду через p-n-перехід привідсутності зовнішньогоелектричного поля буде носитихарактер дифузії. Концентраціяелектронів в n-області є більшою, ніж в p-області, в результаті чого електронидифундують в p-область, де рекомбінують з дірками. Дірки аналогічно дифундують вn-область, де рекомбінують з електронами. Ці процеси приводять до того, що n-напівпровідник біднішає на електрони і поблизу p-n-переходу в ньому утворюєтьсядодатній заряд. Також p-напівпровідник біднішає на дірки і поблизу p-n -переходу вньому утворюється від’ємний заряд. Внаслідок цього енергія електрона W в n-областізменшиться, а в р-бласті збільшиться. Енергія дірки − навпаки.
Таким чином, поблизу p-n -переходу утворюються протилежні за знаком просторовізаряди, що створюватимуть електричне поле, направлене протилежно до напрямкудифузії з n-області в p-область. Тому це поле прийнято називати потенціальнимбар’єром . Оскільки тут створюється різниця потенціалів, тому основним носіям заряду буде важче пройти через p-n -перехід і тут буде підвищений опір. Через це p-n -перехідще називають запірним шаром.
Якщо приєднати напівпровідник з p-n -переходом до джерела живлення, то ситуаціязміниться. Спочатку під’єднаємо n-напівпровідник до від’ємного полюса джерелаживлення, а p-напівпровідник до додатнього (рис.7.5). При цьому напруженістьзовнішнього електричного поля буде протилежною до напруженості внутрішньогоелектричного поля, в результаті чого воно ослабне. Тому збільшиться кількістьосновних носіїв заряду, що проходять через p-n -перехід. Внаслідок цього енергія електронів в n-області збільшиться, а а в р-області зменшиться, тобто знижується потенціальний бар’єр. При цьому збільшиться сила струму, а опір буде зменшуватисьіз збільшенням напруги. Такий перехід називається прямим.
Якщо змінити полярність джерела живлення, то ситуаціязміниться (рис.7.6). Електрони з n-області, і дірки з p- 
областібудуть рухатись від границі двох напівпровідників впротилежні сторони. Внаслідок цього запірний шар збіднієна основні носії заряду і його опір зросте. Струм через p-n -перехід буде дуже малим, бо переноситиметься неосновниминосіями заряду.Такий перехід називається зворотнім .
Ці процеси наглядноілюструє вольтампернахарактеристика p-n - 
переходу (рис.7.7). При зворотньомупереході струм в деякихмежах є величиноюпостійною. Але приподальшому збільшенінапруги, коли U>U првідбувається пробій p-n -переходу. Це відбувається тому, що електрони звільняються від ковалентних зв’язків іпроходять через p-n -перехід.
Властивості p-n -переходу залежать від багатьох умов: температури, освітлення та ін.
Рекомендована література
Для самостійного опрацювання
1. Гончаренко С.У. Фізика: Підруч. для 9 кл. серед. загальноосв. шк..- К.: Освіта, 2002.
2. Гончаренко С.У. Фізика: Підруч. для 10 кл. серед. загальноосв. шк..- К.: Освіта, 2002. – 319 с.
3. Гончаренко С.У. Фізика: Підруч. для 11 кл. серед. загальноосв. шк..- К.: Освіта, 2002. – 319 с.
4. Гончаренко С.У. Фізика: Пробн. навчальний посібник для ліцеїв та класів прородничо-наукового профілю. 10 клас.- К.: Освіта,1995.– 430с.
5. Гончаренко С.У. Фізика: Пробн. навч. посібник для 11 кл. ліцеїв та гімназій науково-природничого профілю.- К.: Освіта, 1995. – 448 с.
6. Коршак Є.В., Ляшенко О.І., Савченко В.Ф. Фізика. 9 кл.: Пробний підручник для загальноосвіт. шк. – К.: Ірпінь: ВТФ «Перун», 2000. – 232 с.
7. Коршак Є.В., Ляшенко О.І., Савченко В.Ф. Фізика. 10 кл.: Підруч. для загальноосвіт.навч. закл. – К.: Ірпінь: ВТФ «Перун», 2002. – 296с
8. Коршак Є.В., Ляшенко О.І., Савченко В.Ф. Фізика. 11 кл.: Підруч. для загальноосвіт.навч. закл. – К.: Ірпінь: ВТФ «Перун», …….
9. Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Фізика. Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів. – К.: Высшая школа, 1983.
10. Гельфгат І.М. та ін. Збірник різнорівневих завдань для державної підсумкової атестації з фізики. – Харків: Гімназія, 2003. – 80 с.
11. Ґудзь В.В. та ін. Фізика: Посібник для підготовки та проведення тематичного оцінювання навчальних досягнень.10 кл. – Тернопіль: Мандрівець, 2002. – 64с.
12. Кирик Л.А. Фізика – 10. Різнорівневі самостійні та контрольні роботи. Харків: «Гімназія», 2002. – 192 с.
13. Орлянський О.Ю. Фізика. Готуємось до тестування: Зб. задач для абітурієнтів / О.Ю. Орлянський, Р.С. Тутік. – Д.: Вид-во Дніпропетр. нац.ун-ту, 2006. – 232 с.
14. Пастушенко М.П. Фізика: самостійні та контрольні роботи. 8клас. – Тернопіль: Мандрівець, 1998. – 104с.
15. Гельфгат І.М. Колебошин В.Я.Збірник різнорівневих завдань для державної підсумкової атестації з фізики.+Харків: «Гімназія», 2002 - 104с.
Дата добавления: 2019-03-09; просмотров: 315; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!