книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

Эта температура фазового перехода «полупроводник — металл» сопровождается скачком электропроводности. Явление объясняется тем, что в оксиде (диоксиде) ванадия электроны движутся синхронно друг с другом подобно жидкости, то есть это не отдельные свободно блуждающие частицы, как в металлах. В обычных металлах свобод- ные электроны эффективно передают тепло, потому что у них есть множество различных возможных микроскопических конфигураций хаотичного движения. Теплопроводность с помощью таких свобод- ных электронов обеспечивается их случайным хаотичным (тепловым) движением.

Скоординированное же движение электронов, что имеет место в диоксиде ванадия, препятствует теплопередаче, поскольку суще- ствует меньше таких возможностей для движения электронов. При этом электропроводность практически не меняется.

Исследователи смешивали оксид (диоксид) ванадия с другими ме- таллами и смогли «настраивать» прохождение количества электри- чества и тепла в разных соотношениях. Например, когда эксперты добавили вольфрам к оксиду ванадия, то сделали его лучшим прово- дником тепла. Это может быть техническим преимуществом в буду- щих применениях.

Полупроводники с очень высоким температурным коэффициен- том сопротивления (с отношением изменения сопротивления по- лупроводника при его нагревании на 1о С к его первоначальному со- противлению) называют термосопротивлениями, термисторами или терморезисторами.

Терморезисторы изготавливаются из материалов с высоким тем- пературным коэффициентом сопротивления (ТКС), который обычно на порядки выше, чем ТКС металлов и металлических сплавов.

Резистивный элемент терморезистора изготавливают методом по- рошковой металлургии из оксидов и галогенидов некоторых металлов.

По типу зависимости сопротивления от температуры различают терморезисторы с отрицательным и положительным температурным коэффициентом сопротивления: у положительных (из твёрдых рас- творов на основе BaTiO3) —с ростомтемпературы растёт их сопротив- ление, у отрицательных (из оксидов VO2, MnO, CuO) — сопротивление падает.

Применяются в качестве чувствительных термометров сопротив- ления, названных болометрами. Чувствительность терморезисторов позволяет измерять интенсивность очень слабых излучений.

Кристаллический кремний (второй по распространённости эле- мент после кислорода) наиболее востребованный полупроводник, его электропроводность значительно возрастает при освещении или на- гревании.

150

Кремний широко используется в микроэлектронике, для изготов- ления солнечных батарей фотоэлементов, фотодиодов, полупрово- дниковых лазеров.

Полупроводники n- и p-типа, как полупроводники, имеющие про- тивоположные качества одного рода,способны образовыватьпри сое- динении важное для Электроники техническое преимущество.

В месте их контакта возникает так назы- ваемый «p–n-переход», сопровождающийся рядом ценных явлений.

Награницесоприкосновенияпротивопо- ложныхмеханизмовпроводимостиэлектро- ны полупроводника n-типа диффундируют

вполупроводник p-типа,адырки полупроводника p–типадиффунди- руютв полупроводник n-типа (за счётразличия зарядов).В результате образуется двойной электрический слой, то есть, на границе сопри- косновения в полупроводнике p-типа собирает отрицательный заряд (за счётпритока электронов),а в полупроводнике n-типа собираетпо- ложительный заряд (за счёт притока дырок).

Подобный двойной электрический слой образуется при электриза- ции трением пар разнородных диэлектриков: янтаря, шелка, шерсти, сургуча, стекла, эбонита, резины.

Возникшее электрическое поле в образовавшемся двойном элек- трическом слое противодействует диффузии электронов и дырок до наступления равновесия, при этом направлено оно от полупрово- дникаn-типакполупроводникуp-типа(тоестьпротивкачестводного рода полупроводников).

Если соединить «плюс» источника электричества с полупроводни- ком p-типа, а «минус» — соответственно с полупроводником n-типа (рисунок ниже),то электроны и дырки устремятся в двойной электри- ческий слой навстречу друг другу и сопротивление слоя уменьшится, аток в этом направлении будетмаксимальным.Если полюса источни- ка электричества поменять местами, то внешнее электрическое поле будет двигать электроны и дырки от двойного электрического слоя

впротивоположные стороны, обедняя его носителями зарядов и об- разуя запорную область, сопротивление которой резко увеличится, а ток станет ничтожно малым.

151

На свойстве односторонней проводимости действует электриче- ский вентиль или полупроводниковый диод, применяемые в устрой- ствах выпрямления переменного тока.

Изполупроводниковn-иp-типаможносоздатьдва«p-n-перехода» (биполярность), например, две области из полупроводников p- или n-типа, а между ними добавлена область соответственно с противо- положным полупроводником n-или p-типа (см. ниже).

Такое соединение или сочетание полупроводников,имеющих про- тивоположные качества одного рода, образует полупроводниковое устройство, названное транзистором (биполярным транзистором), способное усиливать электрические токи.

На использовании полупроводников с противоположными меха- низмами проводимости создаётся техническое преимущество усиле- ния и регулирования величины тока по сравнению, например, с ваку- умной усилительной электронной лампой.

Это меньшие размеры, значительно меньшее электрическое пита- ние и большой срок эксплуатации.

Тиристор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более «p–n-переходами» и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние — состоя- ние с низкой проводимостью и открытое — состояние с высокой про- водимостью. Рисунок ниже.

Основное предназначение тиристоров заключается в управлении мощнойнагрузкойспомощьюслабогосигнала,подаваемогонауправ- ляющий электрод.

Предельным сочетанием полупроводников, имеющих противо- положные качества одного рода, являются гетероструктуры (гетеро с греч. «иной, разно-структурные»).

152

Гетероструктура — это выращенная на монокристаллической по- лупроводниковой пластине (подложке) слоистая структура из различ- ных полупроводников, отличающихся шириной запрещённой зоны (области значений энергии недоступных электрону).

Между двумя различными материалами формируется так назы- ваемый гетеропереход (контакт пары противоположных полупро- водников), в котором возможна повышенная концентрация носите- лей зарядов. Формируется облако частиц с возможностью движения в двух направлениях,в третьем направлении имеется для них энерге- тическая потенциальная яма или потенциал, ограничивающий дви- жение электронов (то есть, формируется вырожденный двухмерный электронный газ с высокой подвижностью).

Пример полупроводниковой гетероструктуры с гетеропереходами показан справа.

Гетеропереходы обычно используются для создания потенциальных ям для элек- тронов и дырок в многослой- ных полупроводниковых ге- тероструктурах.

Гетероструктуры в на- нотехнологическом произ- водстве предназначены для

выпуска солнечных батарей (устройств, прямо преобразующих сол- нечную энергию в постоянный электрический ток) и светодиодов (светоизлучающих диодов, вырабатывающих оптическое излучение при пропускании через них электрического тока в прямом направле- нии).

Светодиоды, благодаря своей простоте и низкой стоимости, рас- пространены значительно шире, чем лазерные диоды (известные как лазерные указки и дальномеры).

Устройство светодиода и механизм образования излучения пока- заны ниже.

153

Принцип работы светодиода основан на излучающей рекомбина- ции носителей заряда в активной области гетерогенной структуры при пропускании через неё тока. Носители заряда (электроны и дыр- ки) проникают в активный слой (в гетеропереход) из прилегающих пассивных слоев (p- и n-слоёв). После подачи напряжения на p–n- структуру они испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровожда- ющуюся излучением света.

Светодиод содержит: 1 — полупроводниковый кристалл; 2 — проводящую подложку; 3 — катод; 4 — анод; 5 — отражатель; 6 — корпус. Обозначается:

Магнетизм и электрический ток

Магнетизм (диамагнетизм) это общее свойство всех веществ. Раз- личают тела с парамагнитными и диамагнитными свойствами (схоже сразличиемвеществнапроводникиидиэлектрикивЭлектростатике). В парамагнитных веществах (алюминий, вольфрам, олово, хром, пла- тина),помещённыхвовнешнеемагнитноеполе,элементарныекруго- выетоки создаютвнутреннее магнитное поле,силовыелинии которо- го устанавливаются ему параллельно и по его направлению, усиливая его. Элементарные круговые токи в них не полностью компенсируют другдруга,сохраняямагнитныесвойствавцелом,внешнеемагнитное поле лишь упорядочивает их расположение, ориентируя направление элементарных круговых токов преимущественно по направлению тока источника магнитного поля, поэтому парамагнитное тело при- тягивается к источнику магнитного поля.

В противоположность у диамагнитных веществ (золото, серебро, медь,цинк,вода),помещённых во внешнее магнитное поле,элемен- тарные круговые токи создают внутреннее магнитное поле, силовые линии которого устанавливаются против внешнего поля, ослабляя его. Элементарные круговые токи в таких веществах являются преи- мущественно индуцированными,поэтому направление у них проти- воположно направлению тока источника магнитного поля (согласно правилу Ленца) и диамагнитное тело отталкивается от источника магнитного поля.

Диамагнетизм и парамагнетизм имеют в молекулярных токах противоположные качества одного рода, а именно: элементарные

154

круговые токи у них соответственно индуцированные и не индуци- рованные.

Характерным признаком электрического тока является его маг- нитное действие: взаимодействие с магнитным телом, с магнитным полем Земли, взаимодействие пары проводников с током, намагни- чивание железа и стали.

Омагничивающее свойство электрического тока указывает на тож- дественностьмагнитногодействия электрическоготока и магнетизма постоянного магнита (полосового, подковообразного).

Эту тождественность заметил ещё датский физик Г.-Х. Эрстед (1820 г.), причём случайно во время своей лекции. Заинтересовав- шись этим явлением, он обнаружил, что проводник с током, уста- новленный по меридиану, оказывает влияние на магнитную стрел- ку, поворачивая её под прямым углом к себе, то есть ведёт себя как магнит (с магнитной стрелкой можно работать, когда она ориенти- рована по меридиану в направлении на север). Открытие, сделанное Эрстедом, заключалось в том, что магнит взаимодействует с прово- дником, по которому течёт электрический ток. То есть, указывало на то, что вокруг всякого тока зарядов возникает магнитное поле, которое поворачивает магнитную стрелку под прямым углом к себе, а также оно как магнит может притягивать или отталкивать другой проводник с током.

Электрический ток и магнетизм, при всей их непохожести, при- сущи физическим состояниям твёрдых, жидких и газообразных тел, содержащих противоположные качества одного рода характеризую- щегося движением зарядов (электронов и ионов).

Рассматривая электростатические и магнитные явления, обнару- живается сходство заряженных и магнитных тел: у них есть полю- са, нейтральная зона и они создают поля — электрическое и магнит- ное. У заряженных тел полюса это «+» и «–». У магнитных тел — это северный (N) полюс или положительный, из которого выходят си- ловые линии, и южный (S) полюс или отрицательный, в который силовые линии входят. Как взаимодействие точечных зарядов под- чиняется закону Кулона, так ему же подчиняется взаимодействие (притяжение и отталкивание) точечных полюсов магнитных тел (F = k . M . m/r 2). Как количеством электричества является величи- на заряда (величина запаса носителей заряда), так и количеством магнетизма на полюсах (магнитная масса на полюсах) определяет- ся величиной элементарных носителей магнетизма (элементарных круговых токов). Различие между заряженным и магнитным телами заключается в том, что заряженное тело можно разделить на знаки полюсов, тогда как магнит разделить на полюса невозможно, всегда образуются магниты с обоими полюсами.

155

Линия связи явлений электричества и магнетизма представляет- ся следующим образом: пара распределённых зарядов (диполь) ——> множество пар распределённых зарядов (дипольные области,поляри- зация) ——> разнесённая пара областей с избытком и недостатком за- ряда (разностьэлектрических потенциалов,электрическое поле) ——> направленное упорядоченное движение заряженных частиц к про- тивоположным полюсам электрического поля (электрический ток, электрическая и электролитическая диссоциация) ——> круговое маг- нитное поле ——> круговой виток электрона (элементарный магнит) ——> разделённая нейтральной областью пара полюсов магнитного поля ——> упорядоченное множество витков движущихся электронов (магнит, соленоид, электромагнит).

Подробное описание природы явлений магнетизма дала гипотеза А.-М. Ампера, которая представляла собой первое упрощённое пони- мание атомного строения веществ (о чём в те времена и не подозре- вали).

Элементарные круговые, замкнутые токи, названные «амперовы- ми», это отдалённое приближение к форме вращающих движений электронов вокруг положительного ядра. Элементарным магнитом является круговой виток тока, созданный вращением электрона во- круг ядра. С одной стороны плоскости такого элементарного магнита формируется северный, а с другой — южный полюс магнетизма. Маг- нитное поле элементарного кругового тока имеет форму эллипсоида, ось которого перпендикулярна плоскости витка тока. На выпуклостях эллипсоида по обе стороны отплоскости круговоготока формируются полюсные области магнетизма.

Магнитные силовые линии замкнуты сами на себя и имеют на- правление вдоль главной оси эллипсоида. Линия оси между полюс- ными областями совпадает с элементарной результирующей силовой линией магнитного поля элементарного кругового тока.

Если размножить количество элементарных круговых токов,и рас- положить их параллельно друг другу, то это приведёт к образованию результирующего внешнего магнитного поля или к намагничиванию кристаллической решётки,той структуры,где эти токи находятся.По- следовательность из элементарных круговых токов образует продол- жающуюся в пространстве и замыкающуюся на эту последователь- ность магнитную силовую линию.

В отличие от электрического поля, в котором силовые линии на- чинаются на одном заряде и заканчиваются на другом (для защиты отэлектрическогополядостаточноиметьвнешнююоболочкуизочень тонкого проводящего материала), магнитные силовые линии всегда замкнуты сами на себя и проходят через толщу вещества магнита или других материалов. Поэтому магнитная защита требует достаточно

156

толстых стенок из ферромагнитного материала (железо, никель, ко- бальт и их сплавов), способного в результате намагничивания и при сложении с внешним магнитным полем существенно его ослабить внутри защищаемого пространства до почти исчезновения, а, вовсе не уничтожив или оборвав магнитные силовые линии.

Для полной защиты от действия внешнего магнитного поля за- щищаемое пространство обматывают петлями изолированного про- водника и пропускают ток таким образом, чтобы возникающие маг- нитное поле было равным и противоположным внешнему полю. При сложении оба магнитных поля уничтожат друг друга.

Чем больше концентрация последовательностей элементарных круговых токов, тем больше густота магнитных силовых линий и со- ответственно больше напряжённость магнитного поля.

По этой причине не существует отдельных магнитных зарядов, а естьэлементарные электрические заряды,движущиеся по круговым траекториям, создающие магнетизм в узлах структуры магнитного вещества (узлы магнетизма).

И, главное: лишь движущиеся электрические заряды, незави-

симо от причин движения, взаимодействуют друг с другом толь- ко посредством магнетизма, магнитных свойств.

С помощью электрического тока можно создавать или возбуждать магнитные свойства у немагнитных тел и получат технические преи- мущества.

Любойзаряд,находящийсявпокое,необладаетмагнетизмом.Хао- тичное,тепловоедвижение свободных и связанных зарядов приводит к взаимному уравновешиванию действий их элементарных магнит- ных полей и в веществе не наблюдается магнетизм, оно остаётся раз- магниченным. Магнетизм создают электроны, связанные с атомами кристаллической решётки вещества,расположенные в ней параллель- но и упорядоченно.

Движущийся направлено независимо от причин движения элек- трический заряд создаёт вокруг себя замкнутое магнитное поле, не имеющее ни начала, ни конца, а только направление по круговой траектории. Форма магнитного поля вокруг движущегося элемен- тарного электрического заряда имеет вид бесконечно тонкого диска. Магнитные силовые линии у такого магнитного поля не имеют ни на- чала, ни конца, а только направление.

Если ввинчивать правый винт по направлению тока, то направ- ление его вращения совпадает с направлением магнитных силовых линий вокруг тока (правило «буравчика»). Для кольцевого тока, если ввинчивать правый винт вдоль направления магнитных силовых ли- ний,то направление его вращения совпадает с направлением кольце- вого тока.

157

Итак, всякое направленное движение элементарных электри- ческих зарядов является причиной появления магнетизма.

Движение магнита относительно неподвижного проводника, со- держащего свободно блуждающие электроны,приводит к взаимодей- ствию магнитного поля магнита с магнитными полями электронов и заставляет их двигаться направлено и упорядоченно,то есть движе- ние магнита или проводника приводит к возникновению электриче- ского тока в проводнике (опыты Фарадея).

Если направленное движение электронов приводит к образова- нию у тока (у самого себя) магнетизма, то и движение или измене- ние магнитного поля возбуждает электрический ток в другом прово- дящем теле, порождая в нём электричество. Движение магнитного поля независимо от способов его создания есть причина движения электричества в соседнем проводящем теле. На этих свойствах элек- трического тока и магнитного поля базируется явление электромаг- нитной индукции — явлений наведения электрического тока и на- магничивания.

Противоположные качества у магнита и электрического тока за- ключаются в том, что качество первого создано упорядоченными в пространстве элементарными круговыми вращениями электронов, а качество второго — линейным или направленным движением элек- тронов (носителей зарядов).

Соответственно, эллипсоидная форма элементарного магнитного поля с полюсными областями относится к качеству магнита, а диско- вая форма кругового магнитного поля без начала и конца —к качеству электрического тока.

Указанные противоположные качества могут переходить друг в друга и меняться местами, что позволяет создавать технические преимущества в объектах техники.

Напряжённость магнитного поля вокруг тока (потока зарядов) на всём протяжении пропорциональна величине тока.

Напряжённостьмагнитногополяпропорциональнасиле,скоторой данное магнитное поле действует на любой магнитный полюс проб- ного магнита, и обратно пропорциональна количеству (массе) магне- тизма этого полюса (H = F/m).

Из закона Кулона напряжённость магнитного поля, создаваемо- го полюсом M на расстоянии r от него, выражается как H = M/r 2, что по форме подобно выражению напряжённости электростатического поля E = q/r 2 отдельного заряда. Однако, полюс магнита лишь прибли- жённо ему соответствует, если пренебречь влиянием другого полюса того же магнита.

Магнитное поле может быть создано одним или несколькими раз- лично расположенными магнитами и проводниками с током.

158

Любое магнитное поле характеризуется напряжённостью или си- лой, с которой оно действует на магнитный полюс пробного (кон- трольного) магнита.

В однородном магнитном поле (напряжённость в разных точках одно и по величине и направлению) пробный магнит (магнитная стрелка) испытываетдействие пары сил,приложенных к его полюсам. Моментпары сил равен P = F . L . sin α,где L —длина пробного магнита, α — угол между направлением магнитного поля и положением проб- ного магнита.

Измерение вращающего момента даёт техническое преимущество при измерении величины напряжённости магнитного поля.

Неоднородное магнитное поле воздействует на пробный магнит

ивращающим моментом и движущим действием в определённом на- правлении. Напряжённости магнитных полей складываются по пра- вилу параллелограмма.

Для измерения напряжённости сильных магнитных полей (пре- восходящих в тысячу раз напряжённость магнитного поля Земли) применяют свойство висмута изменять своё электрическое сопро- тивление под действием магнитного поля. Плоская висмутовая спи- раль,сопротивлениекоторойпроградуировановединицахнапряжён- ности магнитного поля (эрстедах), помещается в исследуемое место,

ипозначениюэлектрическогосопротивленияопределяетсявеличина напряжённости магнитного поля.

Для измерения величины тока сконструированы гальванометры, основанные на взаимодействии магнитного поля тока и постоянного магнита. Например, такое взаимодействие используется в гальвано- метре с вращающейся лёгкой многовитковой рамкой из оченьтонкой изолированной медной проволоки, помещённой между полюсами подковообразного магнита. Рамка без тока расположена вдоль сило- вых линий магнитного поля подковообразного магнита и подвешена на удерживающих упругих закручивающихся пружинках. Ток под- водиться через скользящие тонкие контакты. Вращающий момент, возникающий на рамке, уравновешивается противоположным вра- щающим моментом упругих закручивающихся пружинок. Углы по- ворота рамки проградуированы в соответствующих значениях тока. При прохождении тока магнитное поле подковообразного магнита взаимодействует с магнитным полем рамки и отклоняет её на угол, соответствующий величине проходящего через рамку тока.

Впространстве вблизи магнита или проводника с током прояв- ляются механические силы, действующие на другие магниты и про- водники с током. Магнитное поле имеет многие проявления в виде влияния надругиетела,например,изменяетэлектрическое сопротив- ление (висмута), изменяет размеры тел.

159