План ответа

1. Работа тока. 2. Закон Джоуля--Ленца 3. Элек-тродвижущая сила. 4. Закон Ома для полной цепи.

В электрическом поле из формулы определе-ния напряжения (U = A/q) легко получить выраже-ние для расчета работы переноса электрического за-ряда А = Uq, так как для тока заряд q = It, то работа тока: А = Ult, или А = I2R t = U2/R * t.

Мощность, по определению, N = A/t, следова-тельно, N = UI = I2 R = U2/R.

Русский ученый X. Ленц и английский уче-ный Джоуль опытным путем в середине прошлого века установили независимо друг от друга закон, который называется законом Джоуля--Ленца и чи-тается так. При прохождении тока по проводнику количество теплоты, выделившейся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы, тока, со-противлению проводника и времени прохождения тока.

Q = I2Rt.

Полная замкнутая цепь представляет собой электрическую цепь, в состав которой входят внеш-ние сопротивления и источник то-ка (рис. 18). Как один из участков цепи, источник тока обладает со-противлением, которое называют внутренним, г.

Для того чтобы ток проходил по замкнутой цепи, необходимо, чтобы в источнике тока зарядам сообщалась дополнительная энергия, она берется за счет работы по перемещению зарядов, которую про-изводят силы неэлектрического происхождения (сто-ронние силы) против сил электрического поля. Ис-точник тока характеризуется энергетической харак-теристикой, которая называется ЭДС -- электродви-жущая сила источника. ЭДС -- характеристика источника энергии неэлектрической природы в электрической цепи, необходимого для поддержания в ней электрического тока. ЭДС измеряется отноше-нием работы сторонних сил по перемещению вдоль замкнутой цепи положительного заряда к этому за-ряду о= Aст/q

Пусть за время t через поперечное сечение проводника пройдет электрический заряд q. Тогда работу сторонних сил при перемещении заряда мож-но записать так: Aст = о q. Согласно определению си-лы тока q = It, поэтому Aст = о I t. При совершении этой работы на внутреннем и внешнем участках це-пи, сопротивления которых R и г, выделяется неко-торое количество теплоты. По закону Джоуля-- Ленца оно равно: Q =I2Rt + I2rt. Согласно закону со-хранения энергии А = Q. Следовательно, о*= IR + Ir. Произведение силы тока на сопротивление участка цепи часто называют падением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи. Обычно это выражение записывают так: I = о/(R + r). Эту зависимость опытным путем получил Г. Ом, называется она законом Ома для полной цепи и читается так. Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи. При разомкнутой цепи ЭДС равна напряжению на зажимах источника и, следовательно, может быть измерена вольтметром.

Билет № 15

Магнитное поле, условия его существования. Действие магнитного поля на электрический заряд и опыты, подтверждающие это действие. Магнитная индукция

План ответа

1. Опыты Эрстеда и Ампера. 2. Магнитное по-ле. 3. Магнитная индукция. 4. Закон Ампера.

В 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается при пропус-кании электрического тока через проводник, нахо-дящийся около нее (рис. 19). В том же году француз-ский физик Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение, если ток течет по ним в одну сторону, и отталкивание, если токи текут в разные стороны (рис. 20). Явление взаимодействия токов Ампер назвал электродинамическим взаимодейст-вием. Магнитное взаимодействие движущихся элек-трических зарядов, согласно представлениям теории близкодействия, объясняется следующим образом:

всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле. Магнит-ное поле -- особый вид материи, который возникает в пространстве вокруг любого переменного электри-ческого поля.

С современной точки зрения в природе су-ществует совокупность двух полей -- электрического и магнитного -- это электромагнитное поле, оно представляет собой особый вид материи, т. е. су-ществует объективно, независимо от нашего созна-ния. Магнитное поле всегда порождается перемен-ным электрическим, и, наоборот, переменное элек-трическое поле всегда порождает переменное магнит-ное поле. Электрическое поле, вообще говоря, можно

рассматривать отдельно от магнитного, так как носи-телями его являются частицы -- электроны и прото-ны. Магнитное поле без электрического не существу-ет, так как носителей магнитного поля нет. Вокруг проводника с током существует магнитное поле, и оно порождается переменным электрическим полем движущихся заряженных частиц в проводнике.

Магнитное поле является силовым полем. Си-ловой характеристикой магнитного поля называют магнитную индукцию (В). Магнитная индукция -- это векторная физическая величина, равная макси-мальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока. В = F/II. Единич-ный элемент тока -- это проводник длиной 1 м и си-лой тока в нем 1 А. Единицей измерения магнитной индукции является тесла. 1 Тл = 1 Н/А * м.

Магнитная индукция всегда порождается в плоскости под углом 90° к электрическому полю. Вокруг проводника с током магнитное поле также существует в перпендикулярной проводнику плос-кости.

Магнитное поле является вихревым полем. Для графического изображения магнитных полей вводятся силовые линии, или линии индукции, -- это такие линии, в каждой точке которых вектор магнитной индукции направлен по касательной. На-правление силовых линий находится по правилу бу-равчика. Если буравчик ввинчивать по направлению тока, то направление вращения рукоятки совпадет с направлением силовых линий. Линии магнитной индукции прямого провода с током представляют со-бой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику (рис. 21).

Как установил Ампер, на проводник с током, по-мещенный в магнитное по-ле, действует сила. Сила, действующая со стороны, магнитного поля на провод-ник с током, прямо пропор-циональна силе тока. длине проводника в магнитном поле и перпендикулярной со-ставляющей вектора магнитной индукции. Это и есть формулировка закона Ампера, который записы-вается так: Fa = ПВ sin б.

Направление силы Ампера определяют по пра-вилу левой руки. Если левую руку расположить так, чтобы четыре пальца показывали направление тока, перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, то отогну-тый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера (рис. 22). В = В sin б.

Билет № 16

Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводниковые приборы

План ответа

1. Определение. 2. Собственная проводимость. 3. Донорная проводимость. 4. Акцепторная проводи-мость. 5. р-п переход. 6. Полупроводниковые прибо-ры. 7. Применение полупроводников.

Полупроводники -- это вещества, удельное со-противление которых убывает с повышением темпе-ратуры, наличия примесей, изменения освещен-ности. По этим свойствам они разительно отличают-ся от металлов. Обычно к полупроводникам относят-ся кристаллы, в которых для освобождения электро-на требуется энергия не более 1,5 -- 2 эВ. Типичны-ми полупроводниками являются кристаллы герма-ния и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объ-яснить указанные выше характерные свойства. При нагревании полупроводников их атомы ионизируют-ся. Освободившиеся электроны не могут быть захва-чены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действи-ем внешнего электрического поля могут перемещать-ся в кристалле, создавая ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализо-ваться, захватив электрон. Далее, в результате пере--

ходов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле мес-та с недостающим электроном. Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как пе-ремещение положительного заряда, называемого «дыркой». При помещении кристалла в электриче-ское поле возникает упорядоченное движение «ды-рок» -- ток дырочной проводимости.

В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип про-водимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводни-ков увеличивается.

На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают до-норные и акцепторные. Донорная примесь -- это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются лишние электроны. Проводимость станет электрон-ной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью п = 4 донорной примесью является мышьяк с валент-ностью п = 5. Каждый атом примеси мышьяка при-ведет к образованию одного электрона проводимости.

Акцепторная примесь -- это примесь с мень-шей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «ды-рок». Проводимость будет «дырочной», а полупро-водник называют полупроводником p-типа. Напри-мер, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью n = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».

Принцип действия большинства полупровод-никовых приборов основан на свойствах р-п перехо-да. При приведении в контакт двух полупроводнико-вых приборов р-типа и n-типа в месте контакта на-чинается диффузия электронов из n-области в p-область, а «дырок» -- наоборот, из р- в n-область. Этот процесс будет не бесконечный во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок».

р-п контакт полупроводников, подобно ваку-умному диоду, обладает односторонней проводи-мостью: если к р-области подключить «+» источника тока, а к n-области «-» источника тока, то запираю-щий слой разрушится и р-п контакт будет проводить ток, электроны из области n- пойдут в р-область, а «дырки» из p-области в n-область (рис. 23). В первом случае ток не равен нулю, во втором ток равен нулю. Т. е., если к p-области под-ключить «-» источника, а к n-области -- «+» источника то-ка, то запирающий слой рас-ширится и тока не будет.

Полупроводниковый диод состоит из контакта двух полупроводников р- и n-типа. Достоин-ством полупроводникового диода являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокий коэффициент по-лезного действия, а недостатком -- зависимость их сопротивления от температуры.

В радиоэлектронике применяется также еще один полупроводниковый прибор: транзистор, кото-рый был изобретен в 1948 г. В основе триода лежит не один, а два р-п перехода. Основное применение транзистора -- это использование его в качестве уси-лителя слабых сигналов по току и напряжению, а полупроводниковый диод применяется в качестве выпрямителя тока. После открытия транзистора на-ступил качественно новый этап развития электрони-ки -- микроэлектроники, поднявший на качественно иную ступень развитие электронной техники, систем связи, автоматики. Микроэлектроника занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральной микросхемой назы-вают совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов -- транзисторов, диодов, резисторов, со-единительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе. В результате этого про-цесса на одном кристалле одновременно создается несколько тысяч транзисторов, конденсаторов, ре-зисторов и диодов, до 3500. Размеры отдельных эле-ментов микросхемы могут быть 2--5 мкм, погреш-ность при их нанесении не должна превышать 0,2 мкм. Микропроцессор современной ЭВМ, разме-щенный на кристалле кремния размером 6х6 мм, содержит несколько десятков или даже сотен тысяч транзисторов.

Однако в технике применяются также полу-проводниковые приборы без р-п перехода. Например, терморезисторы (для измерения температуры), фото-резисторы (в фотореле, аварийных выключателях, в дистанционных управлениях телевизорами и видео-магнитофонами).

Билет № 17

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9