Электрические явления в контактах

1.

Электрические явления в контактах
Явление Пельтье
QП
I
M1
M2
QП q
I
Явление Пельтье – при прохождении через контакт
двух проводников электрического тока помимо
джоулева тепла выделяется или поглощается (в
зависимости от направления тока) дополнительное
тепло QП – тепло Пельтье.
q – количество прошедшего электричества
– коэффициент Пельтье
Причина явления Пельтье
1. Наличие контактной разности потенциалов (электроны ускоряются или
замедляются под действием контактной разности потенциалов );
2. Различие кинетической энергии теплового движения электронов,
образующих ток, в разных металлах.

2.

Электрические явления в контактах
Контакт двух полупроводников
Случай одинаковой основы полупроводников
p
–
–
–
+
+
+
При контакте произойдет диффузия электронов в p
полупроводник и дырок в n полупроводник.
Возникает приконтактная область (ПО), обедненная
основными носителями тока.
n
R RПО
–
n
p
+
Поле вытягивает электроны и дырки из ПО. Ее размер
и, следовательно, сопротивление увеличивается.
Ток практически не идет.
RПО
+
n
p
RПО
–
Поле насыщает ПО электронами и дырками. Ее размер
и, следовательно, сопротивление уменьшается.
Ток возрастает быстрее, чем приложенное напряжение.

3.

Электрические явления в контактах
Контакт двух полупроводников
Полупроводниковый диод
Вольтамперная характеристика
I
p
идеализированная
n
U0
U
0.6 В для кремниевых диодов
U0
0.3 В для германиевых диодов

4.

Электрические явления в контактах
Контакт двух полупроводников
Схема выпрямителя на полупроводниковом диоде
Uн
C
Uн
Rн
с конденсатором
без конденсатора
t

5.

Электрические явления в контактах
Контакт двух полупроводников
Биполярные транзисторы
n–p–n
p–n–p
К
К
n
p
К
Б
Б
Б
p
n
К
Б
n
Э
Э
p
Э
Э
К – коллектор
Э – эмиттер
Б – база

6.

Электрические явления в контактах
Контакт двух полупроводников
Принцип работы БТ
UК 0
1. UБ < 0
Оба p–n перехода (БЭ, БК) закрыты, IБ , IЭ , IК ≈ 0.
Транзистор закрыт.
UЭ 0
2. UБ > 0 (UБ < UК)
p–n переход БЭ открыт, БК – закрыт.
Электроны из эмиттера инжектируются в базу.
LD – длина диффузии (за время жизни) электронов в базе,
lБ – толщина базы.
Так как lБ << LD , то большинство электронов достигают
коллектора и переходят в него как основные носители.
Поэтому IК ≈ IЭ и IБ ≈ 0.
n
UБ
p
n
Таким образом,
IК
I Э (U БЭ )
как для диода

7.

Электрические явления в контактах
Контакт двух полупроводников
Схема усилителя на БТ
U
RК
U вых
U вх
При Uвх > 0.6 В (кремниевые БТ)
транзистор открыт и
UЭ = UБ – 0.6 В
IК = IЭ
RЭ
U К
RК
KU
U Б
RЭ
– коэффициент
усиления

8.

Магнитное поле в вакууме
Электромагнитное поле. Сила Лоренца и уравнения Максвелла
Электростатика. Закон Кулона в полевой форме
F qE
div E 0
rot E 0
Уравнения описывают взаимодействие
неподвижных зарядов и не применимы в случае
движущихся зарядов.
Рассмотрим два неподвижных заряда. Один из них q’
в некоторый момент времени пришел в движение.
Пример:
r
q
q
В силу конечности скорости распространения
взаимодействия, заряд q “почувствует” движение
заряда q’ спустя время t = r/c , где c – скорость света.
Закон Кулона в динамике не выполняется!

9.

Магнитное поле в вакууме
Электромагнитное поле. Сила Лоренца и уравнения Максвелла
Обобщение закона Кулона
K
K
F, F
q
, j
V
Рассмотрим две инерциальные системы K и K .
1. В системе K заряды неподвижны (j = 0),
в системе K они движутся с постоянной
скоростью V.
Причем, согласно СТО, .
2. Сила, действующая на заряд в системе K ,
равна
F qE
при любой скорости заряда q
(что является следствием отсутствия в
природе магнитных зарядов).

10.

Магнитное поле в вакууме
Электромагнитное поле. Сила Лоренца и уравнения Максвелла
3. В системе K сила, действующая на этот же
заряд согласно СТО, равна
F
dp
,
dt
по формулам
преобразования
силы
F qE qv B
где p mv – релятивистский импульс
1
1 v 2 c2
div E 0
В свою очередь
rot E
B
t
2
7
где 0 1 0c 4 10 Гн/м
div B 0
rot B 0 j
1 E
c 2 t
магнитная
постоянная

11.

Магнитное поле в вакууме
Электромагнитное поле. Сила Лоренца и уравнения Максвелла
Таким образом, переменное поле характеризуется двумя векторами E и B.
Вектор E называется напряженностью электрического поля.
Вектор B называется индукцией магнитного поля.
Само поле в этой связи называется электромагнитным полем.
Обобщая на произвольное движение зарядов, получаем уравнения:
F qE qv B
– сила Лоренца
div E 0
rot E
B
t
– уравнения Максвелла
div B 0
rot B 0 j
1 E
c 2 t

12.

Магнитное поле в вакууме
Сила Ампера
Магнитная составляющая силы Лоренца
B
I
FB qv B
Сила передается проводнику
dF
q dV
u – скорость носителей заряда
dF u B dV
j u
j B dV
dF
I dl B
– сила Ампера

13.

Магнитное поле в вакууме
Сила Ампера
Формулы перехода
1) дискретный элемент тока
2) линейный элемент тока
I
q
v
Idl
qv
dl
qv ( Sdl ) u Idl
3) объемный элемент тока
4) поверхностный элемент тока
j
dS
jdV
h
dV
qv ( dV )u jdV
i
idS
qv ( dSh )u idS
qv I dl j dV i dS

14.

Магнитное поле в вакууме
Закон Био–Савара
Уравнения Максвелла для стационарного электромагнитного поля
div E 0
rot E 0
div B 0
rot B 0 j
– уравнения магнитостатики
Согласно векторному анализу:
A
1 (div A) r
1 (rot A) r
dV
dV
4 r 3
4
r3
B
0 j r
dV
4 r 3

15.

Магнитное поле в вакууме
Закон Био–Савара
На основании принципа суперпозиции для магнитного поля
для объемного элемента тока
0 j r
dB
dV
3
4 r
dB
– закон Био-Савара
0 I dl r
4 r 3
для линейного элемента тока
I
dl
dB
r

16.

Магнитное поле в вакууме
Магнитное поле прямого и кругового тока
Прямой ток
2
dB
0 I dl sin
,
2
4
r
dB
0 I
sin d
4 b
I
b
dB
r
b
sin
b
dl
d
2
sin
r
l b ctg
Так как вектора dB направлены одинаково, поэтому
dl
1
I
I
B 0 sin d 0 (cos 1 cos 2 )
4 b 1
4 b
2
Переобозначая как угол между направлением на точку поля и проводником
B
0 I
(cos 1 cos 2 )
4 b
B
0 I
2 b
– бесконечный
прямой ток

17.

Магнитное поле в вакууме
Магнитное поле прямого и кругового тока
Круговой ток
z
B
dB
dBz
dB
r
B Bz
R
I
dl
I
z 0: B 0 ,
2R
dBz dB sin
B dBz
sin
0 I dl
sin
2
4 r
0 I 2 R
sin
4 r 2
R
r
R
R2 z2
0 I
R2
B
2 ( z 2 R 2 )3 2
0 IR 2
z R : B
2z3

18.

Магнитное поле в вакууме
Магнитное поле прямого и кругового тока
Взаимодействие параллельных проводников с током
I1
dF I 2 dl B1
I2
dl B1
r
B1
dF
dl
B1
0 I1
2 r
dF I 2 B1 dl
dF 0 I1 I 2
dl
2 r
0 I1 I 2
dl
2 r
I1 ↑↑ I2 – притяжение
I1 ↑↓ I2 – отталкивание