Методические указания к лабораторным работам по курсу общей физики (Электричество и магнетизм. Ч.2) для студентов нефизических специальностей

1

М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я

РО ССИ Й СКО Й Ф Е Д Е РА Ц И И

В О РО Н Е Ж СКИ Й ГО СУД А РСТ В Е Н Н ЫЙ УН И В Е РСИ Т Е Т

Ф изический ф акультет Каф едра экспериментальной ф изики

М Е ТОД И Ч Е С К И Е У К А ЗА Н И Я клаб ораторны м раб отам по курсуоб щ ей ф изики ( Э ЛЕ КТ РИ Ч Е СТ В О И М А ГН Е Т И ЗМ . Ч .2) для студентов неф изических специальностей

Составители: С .Д . М ил о в идо в а А .М . С о л о духа А .С . С идо ркин С .Н . Д ро ж дин О .В. Р о га зинска я З.А . Либе рма н Л.П . Н е ст е ре нко

В оронеж – 2002

2

С О Д ЕР Ж А Н И Е Р абот а 4. И зуч е н ие работ ы т ре хэле кт род н ой лампы … … … … … ..… … … … … ..3 Р абот а 5. 1. И зме ре н ие сопрот ивле н ий мост иком Уист он а .Прове рка закон ов после д оват е льн огои параллельн огосое д ин е н иясопрот ивле н ий … .11 2.Опре д е ле н ие т е мпе рат урн огокоэф ф ицие н т а сопрот ивле н ия ме т алла. … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .15 Р абот а 6. Град уировка т е рмоэле ме н т а и опре д е ле н ие е го эле кт род вижуще й силы … … … … … … … … … ..… … … … … … … … … … … … … 17 Р абот а 7. И зуч е н ие работ ы эле кт рон н огоосцилограф а. Прове рка град уировки звуковогоге н ерат ора… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .26 Р абот а 8. И ссле д ован ие вольт ампе рн ы х характ е рист ик полупровод н иковы х д иод ов… … … … … … … … … … … … … … … … … .34

Дополн ит е льн аялит е рат ура 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Троф имова Т.И . Курс ф изики.- М .:Вы сш. шк, 2000. - 541 с. Де т лаф А.А., Яворский Б .М . Курс ф изики.- М .: Вы сш. шк., 2000. - 718 с. Грабовский Р .И . Курс ф изики.- М .: Вы сш. шк., 1980. - 607 с. С аве лье вИ .В. Курс обще й ф изики.-.М .: Аст ре ль, 2001.-Кн .3: Э ле кт рич е ст вои магн е т изм. - 336 с. Зисман Г.А., Тод е с О.М . Курс обще й ф изики.- М .:Н аука. 1974.- Т.2. - 352 с. Калашн иковС .Г. Э ле кт рич е ст во.- М .: Вы сш. шк, 1977. - 592 с.

3

Р А Б О Т А № 4. И З У Ч Е НИ Е Р А Б О Т Ы Т Р Е Х Э Л Е К Т Р О Д НО Й Л А М П Ы Приборы и прин ад ле жн ост и: т ре хэле кт род н аяэле кт рон н аялампа (т риод ), вы прямит е ли пе ре ме н н огот ока н а 300 В и 4 (или 12) В, д ва вольт ме т ра, миллиампе рме т р, д ва ре ост ат а, д ва клю ч а, пе ре клю ч ат е ль полярн ост и (коммут ат ор). К раткая те ория В осн ове работ ы эле кт рон н ой лампы ле жит явле н ие т е рмоэле кт рон н ой эмиссии, кот орое сост оит в испускан ии эле кт рон ов н агре т ы ми ме т аллами. Прост е й ше й эле кт рон н ой лампой , сост ояще й из кат од а и ан од а, являе т ся д иод . Е сли сост авит ь эле кт рич е скую це пь, сод е ржащую т акой вакуумн ы й д иод , ист оч н ик ан од н огон апряже н ияБ а, ист оч н ик н апряже н иян ит и н акала кат од а Б н и миллиампе рме т р (рис.1), т о при н агре т ом кат од е ч е ре з лампу пой д е т т ок Jа, н азы вае мы й ан од н ы м т оком. Опы т показы вае т , ч т о сила т ока Jа зависит от т е мпе рат уры кат од а, А мат е риала, из кот орого он сд е лан , и разн ост и пот е н циалов ме жд у кат од ом и ан од ом. При К пост оян н ой т е мпе рат уре кат од а сила ан од н ого т ока µА возраст ае т с уве лич е н ие м разн ост и пот е н циалов Uа ме жд у эле кт род ами. Од н ако зависимост ь ме жд у силой т ока Jа и разн ост ью пот е н циалов Uа н е _ БК + вы ражае т ся закон ом Ома и н осит боле е сложн ы й БА характ е р, граф ич е ски пре д ст авле н н ы й д ля д вух Р ис.1 т е мпе рат ур н акала н ит и кат од а н а рис.2. При малы х ан од н ы х н апряже н иях сила т ока Jа вн ач але ме д ле н н о раст е т с повы ше н ие м н апряже н ия. Э т о объясн яе т ся т е м, ч т о при малы х зн ач е н иях Uа н е все эле кт рон ы , испускае мы е кат од ом, д ост игаю т ан од а. Ч аст ь эле кт рон ов образуе т ме жд у кат од ом и ан од ом эле кт рон н ое облако (от рицат е льн ы й прост ран ст ве н н ы й заряд ), кот орое пре пят ст вуе т д виже н ию к ан од у вн овь вы ле т аю щих из кат од а эле кт рон ов. По ме ре уве лич е н ия н апряже н ия Uа эле кт рон н ое JА Т2 облако рассе ивае т ся и т ок Jа раст е т . Н ач ин ая с J H Т 2>T1 н е кот орого опре д е ле н н ого зн ач е н ия Uн , д альн ей ше е возраст ан ие силы т ока вообще Т1 пре кращае т ся, т .е . т ок д ост игае т н асы ще н ия. Э т о JH объясн яе т ся т е м, ч т о все эле кт рон ы , испускае мы е н ит ью , д ост игаю т ан од а. С ила т ока н асы ще н ия Jн ч исле н н о равн а заряд у все х эле кт рон ов, испускае мы х в е д ин ицу вре ме н и UH UH UА д ан н ы м кат од ом при д ан н ой т е мпе рат уре . Р ис.2 Зависимост ь ан од н ого т ока от ан од н ого н апряже н ия н азы вае т ся ан од н ой характ е рист икой д иод а. Б огуславский и Л е н гмю р н е зависимо д руг от д руга показали, ч т о при Uа< Uн зависимост ь ан од н ого т ока от ан од н ого н апряже н ия описы вае т ся ф ормулой (закон « т ре х вт оры х»):

4

J a = B U a3 / 2 ,

(1) гд е В – коэф ф ицие н т пропорцион альн ост и, зависящий от ф ормы , разме ров и взаимн ого расположе н ия эле кт род ов. В област и н асы ще н ия закон « т ре х вт оры х» т е ряе т силу. Как сле д уе т из рис. 2, д лят огоч т обы повы сит ь силу т ока н асы ще н ия, н е обход имоповы сит ь т е мпе рат уру кат од а. Зависимост ь силы т ока н асы ще н ия от т е мпе рат уры кат од а вы ражае т сят е оре т ич е ской ф ормулой Р ич ард сон а: A 2 kT cST e

Jн = , (2) гд е S – площад ь кат од а, Т – т е мпе рат ура кат од а, А – работ а вы ход а эле кт рон ов из кат од а, е – осн ован ие н ат уральн ы х логариф мов, к – пост оян н аяБ ольцман а, с – эмиссион н аяпост оян н ая, т е оре т ич е ское зн ач е н ие кот орой од ин аковод лявсе х ме т аллови равн ос = 6,02· 105 А/(м 2К2). Так как т ок в д иод е возможе н т олько т огд а, когд а н а ан од е положит е льн ы й пот е н циал, т о д иод облад ае т од н ост орон н е й провод имост ью , т .е . пропускае т т ок т олько в од н ом н аправле н ии. Диод , служащий д ля вы прямле н ияпе ре ме н н огот ока, н азы вае т сяке н от рон ом. Ч аст о возн икае т н е обход имост ь усиле н ия пе ре ме н н ого т ока или н апряже н ия. Для эт ой це ли использую т т ре хэле кт рон н ы е лампы – т риод ы . Триод от лич ае т сяот д иод а т е м, ч т оме жд у кат од ом и ан од ом н аход ит ся т ре т ий эле кт род – ме т аллич е ская се т ка. М е жд у се т кой и кат од ом приклад ы вае т ся н апряже н ие Uс, кот орое н азы вае т ся се т оч н ы м, и, сле д оват е льн о, созд ае т ся возможн ост ь управле н ия ан од н ы м т оком пут е м изме н е н ия н апряже н ия н а се т ке . Так как се т ка н аход ит ся горазд оближе к кат од у, ч е м ан од , т оизме н е н ие пот е н циала н а се т ке оказы вае т больше е влиян ие н а ан од н ы й , ч е м т акое же изме н е н ие пот е н циала н а ан од е . Е сли к се т ке приложит ь положит е льн ое н апряже н ие от н осит е льн о кат од а, т о пот ок эле кт рон ов, испускае мы х кат од ом, буд е т ускорят ься, В случ ае , е сли пот е н циал се т ки от рицат е льн ы й , т о пот ок эле кт рон ов буд е т т ормозит ься. Пот е н циал се т ки, при кот ором ан од н ы й т ок раве н н улю , н азы вае т ся пот ен циалом запиран ия лампы . Пот е н циал запиран ия лампы зависит от ан од н ого н апряже н ия: ч е м больше Ua, т е м больший от рицат е льн ы й пот е н циал н ад о созд ат ь н а се т ке , ч т обы « запе ре т ь» лампу. С е т ка позволяе т управлят ь ре жимом работ ы лампы и поэт ому е е н азы ваю т управляю ще й се т кой . Осн овн ы е параме т ры т риод а можн оопре д е лит ь, сн имая т ак н азы вае мы е ан од н ы е и се т оч н ы е характ е рист ики. Е сли в ан од н ой це пи т риод а н е т н агрузки (сопрот ивле н ия), т о сн имае мы е характ е рист ики н азы ваю т ся ст ат ич е скими, а в случ ае н алич ия н агрузки в ан од н ой цепи характ е рист ики н азы ваю т ся д ин амич е скими. Н апряжен ие ме жд у ан од ом и кат од ом н азы ваю т ан од н ы м н апряже н ие м, ме жд у се т кой и кат од ом – се т оч н ы м. Зависимост ь ан од н ого т ока Ja т риод а от ан од н ого н апряже н ия Ua при пост оян н ом се т оч н ом н апряже н ии Uc н азы вае т сяан од н ой характ е рист икой : Ja = f (Ua) при Uc = const. Н а рис. 3 пре д ст авле н осе ме й ст воан од н ы х характ е рист ик т риод а при т ре х се т оч н ы х н апряжен иях.

5

Зависимост ь ан од н ого т ока Ja т риод а от се т оч н ого н апряже н ия Uc при пост оян н ом ан од н ом н апряже н ии Ua н азы вае т ся се т оч н ой характ е рист икой : Ja = f (Uc) при Ua = const. Н а рис. 4 пре д ст авле н о се мей ст во се т оч н ы х характ е рист ик т риод а при т ре х JА

JА

UА1

UС 1=const ∂JА

∂JА

UА2 UА3=const

UС 2 UС 3

∂JА UА1 > UА2 > UА3

UС 1 > UС 2 > UС 3 ∂UА

UА

-UС

Р ис.3

∂UА

+UС Р ис.4

ан од н ы х н апряже н иях. И з рис.3 и 4 вид н о, ч т о т риод , т ак же как и д иод , пре д ст авляе т собой приме р провод н ика с н е лин е й н ой вольт ампе рн ой характ е рист икой . Од н ако прямой лин ие й можн о сч ит ат ь д ост ат оч н о малы й от ре зок все й зависимост и. Уч ит ы вая после д н е е , по се ме й ст вам ан од н ы х и се т оч н ы х характ е рист ик т риод а можн о опре д е лит ь параме т ры т риод а: вн ут ре н н е е сопрот ивле н ие лампы , коэф ф ицие н т усиле н ия и крут изн у се т оч н ой характ е рист ики т риод а. Э т ими параме т рами опре д е ляю т ся свой ст ва т риод а и е го пригод н ост ь д ля т е х или ин ы х це ле й . Р ассмот рим ф изич е ский смы сл и способ опре д е ле н ияэт их параме т ровлампы . 1. В н утр е н н е е со п р о тивле н ие лампы Ri опре д е ляе т ся как изме н е н ие ан од н ого н апряже н ия к изме н е н ию ан од н ого т ока при пост оян н ом се т оч н ом н апряже н ии:

 dU a   Ri =  dJ  a U c

Ве лич ин а Ri е ст ь сопрот ивле н ие проме жут ка ан од – кат од и характ е ризуе т бы ст рот у изме н е н ия ан од н ого т ока при изме н ен ии ан од н ого н апряже н ия при пост оян н ом н апряже н ии н а се т ке . Вн ут ре н н е е сопрот ивле н ие Ri може т бы т ь опре д е ле н о как из се ме й ст ва ан од н ы х, т ак и се т оч н ы х характ е рист ик. Так как Ri опре д е ляе т ся при Uc = const, т о эт от параме т р може т бы т ь опре д е ле н по лю бой ан од н ой характ е рист ике т риод а н а е е прямолин е й н ом уч аст ке . Н а рис.3 показан о, как н аход ят сязн ач е н ияdUa и dJa д ля расч е т а Ri. По се т оч н ы м характ е рист икам Ri н аход ят сле д ую щим образом (см. рис.4). Провод ят ве рт икальн ую прямую (д ля кот орой Uc=const), пе ре се каю щую лин е й н ую ч аст ь д вух се т оч н ы х характ е рист ик, сн ят ы х при различ н ы х Ua. Тогд а от ре зок эт ой ве рт икали, заклю ч е н н ы й ме жд у се т оч н ы ми характ е рист иками,

6

д аст велич ин у Ja =const). От н оше н ие разн ост и т е х ан од н ы х н апряже н ий , при кот оры х бы ли сн ят ы д ан н ы е се т оч н ы е характ е рист ики, к эт ой ве лич ин е dJa д ае т зн ач ен ие Ri . 2.К о эф ф ицие н т усиле н ия ла мп ы μ име е т сле д ую щий ф изич е ский смы сл. Ан од н ы й т ок в лампе при пост оян н ом н акале кат од а е ст ь ф ун кция д вух ве лич ин : ан од н огои се т оч н огон апряже н ий . Од н акоизме н е н ие н апряже н ия н а се т ке в зн ач ит е льн о больше й ст е пе н и влияе т н а силу ан од н ого т ока, ч е м изме н е н ие ан од н огон апряже н ия. От н оше н ие изме н е н ия ан од н огон апряже н ия к изме н ен ию се т оч н огопри Ja =const, д аю щих равн ы е , н опрот ивоположн ы е по зн аку изме н е н ияан од н огот ока, н азы вае т сякоэф ф ицие н т ом усиле н иялампы : dU a  µ = _    dU c  J a Для опре д е ле н ия μ н а лин е й н ом уч аст ке се т оч н ы х характ е рист ик (рис.4) провод ит ся горизон т альн ая прямая (Ja =const). От ре зок эт ой прямой ме жд у д вумя се т оч н ы ми характ е рист иками д аст зн ач е н ие dUc. Тогд а от н оше н ие разн ост и ан од н ы х н апряже н ий dUа , при кот оры х бы ли получ е н ы эт и д ве се т оч н ы е характ е рист ики, к dUc д аст ве лич ин у коэф ф ицие н т а усиле н ия μ д ан н огот риод а. И з ан од н ы х характ е рист ик (порис. 3) коэф ф ицие н т усиле н ияμ н аход ит ся ан алогич н о. 3. Крут изн а се т оч н ой характ е рист ики S опре д е ляе т бы ст рот у изме н е н ия ан од н ого т ока при изме н е н ии пот е н циала се т ки при пост оян н ом ан од н ом  dJ a  S =   . н апряже н ии, т . е : dU   c U a Ве лич ин а S равн а т ан ге н су н аклон а се т оч н ой характ е рист ики к оси абсцисс. Крут изн а име е т разме рн ост ь, обрат н ую сопрот ивле н ию , н ообы ч н овы ражае т ся в мА /В , указы вая т е м самы м н а смы сл эт ого параме т ра, опре д е ляю ще го зависимост ь ан од н огот ока от се т оч н огон апряже н ия. Вы ч исле н ие крут изн ы се т оч н ой характ е рист ики ан алогич н овы ч исле н иям Ri и μ О писание схе мы дл я сня тия анодных и се точныххаракте ристик триода Н а рис. 5 изображе н а схе ма д ля сн ят ия ст ат ич е ских характ е рист ик т риод а. Э т а схе ма сост оит из д вух це пе й : ан од н ой и се т оч н ой . П е р ва я (справа от лампы ) – а н о дн а я. И ст оч н иком ан од н ого н апряже н ия являе т ся вы прямит е ль В1, с кот орогон апряже н ие под ае т ся н а н ижн ие кле ммы пот е н циоме т ра R1. С ве рхн е й и од н ой н ижн е й кле ммы пот е н циоме т ра н апряже н ие под ае т ся н а вольт ме т р V1, изме ряе т ся и зат е м с вольт ме т ра под ае т ся ме жд у ан од ом и кат од ом лампы . Для измере н ия ан од н огот ока в эт у це пь вклю ч е н миллиампе рме т р mA. Вы прямит е ль В1 пит ае т н ит ь н акала кат од а пе ре ме н н ы м н апряже н ие м 6,3 В, кот орое в проце ссе работ ы н е ре гулируе т ся и под ае т сяавт омат ич е ски при вклю ч е н ии вы прямит е лявсе т ь.

7

В то р а я (ле вая от лампы ) – се то чн а я це п ь. С е т оч н ое н апряже н ие от вы прямит е ля В2 ч е ре з пот е н циоме т р R2 и вольт ме т р V2 под ае т ся ме жд у се т кой и кат од ом лампы . Для изме н е н ия зн ака пот е н циала, под авае мого н а се т ку, служит пе ре клю ч ат е ль полярн ост и – коммут ат ор К, схе мат ич е ское уст рой ст во кот орого показан о н а рис.6. Пуст ь се т оч н ое н апряже н ие с пот е н циоме т ра R2 изме ряе т ся вольт ме т ром V2 и под ае т ся н а сре д н ие кле ммы коммут ат ора: к кле мме 1 – положит е льн ы й , к кле мме 2 – от рицат е льн ы й пот е н циал. С н имае т ся се т оч н ое н апряже н ие с д вух край н их кле мм, н априме р c и d и под ае т ся ме жд у се т кой и кат од ом. Для под ач и положит е льн ого пот е н циала н а се т ку лампы н е обход имо с помощью рукоят ки коммут ат ора пе ре мкн ут ь кле ммы 1 и 2 с кле ммами c и d. Е сли же н а се т ку лампы т ре буе т ся под ат ь от рицат е льн ы й пот е н циал, т о н е обход имопе ре мкн ут ь с помощью т ой же рукоят ки кле ммы 1 и 2 с кле ммами mA а

+ 220В

ВС R2 _

1

A

+

C

V2

V1

R1 Ba

K b

K2

K c

220В

_

2

Р ис.5

K1

a и b. С ле д уе т заме т ит ь, ч т окле ммы a и b сое д ин е н ы кре ст н акре ст с кле ммами c и d. Выпол не ние работы Внимание ! В о избеж ан иепораж ен ия элект рическимт оком н еобходимо у бедит ь ся, чт о вы прямит елиот клю чен ы от сет и 1. С обрат ь схе му согласн орис. 5 2. Уст ан овит ь д вижки + пот е н циоме т ров R1 и R2 в к се т ке положе н ия, c a соот ве т ст вую щие 1 мин имуму сн имае мого н апряже н ия. V2 3. Опре д е лит ь це н у д е ле н ия миллиампе рме т ра d к кат од у b и вольт ме т ров. 2 4. После прове рки схе мы пре под ават е ле м вклю ч ит ь _ все т ь вы прямит е ли Ва и Вс, Р ис.6 замкн ут ь клю ч и К1, К2 и

8

коммут ат ор в од н оиз д вух положен ий . Дат ь прогре т ься2÷3 мин ут ы .

лампе

и

вы прямит е лям

I.С н ят иеан одн ы х характ ерист икт риода 1. С н ят ь зависимост ь ан од н огот ока Ja от ан од н огон апряже н ияUa при н уле вом пот е н циале н а се т ке (Uc = 0). Ан од н ое н апряже н ие сле д уе т изме н ят ь с помощью д вижка пот е н циоме т ра R1 от 0 д о150 В ч е ре з кажд ы е 10 В. 2. С н ят ь зависимост ь ан од н ого т ока Ja от ан од н ого н апряже н ия Ua при от рицат е льн ом пот е н циале н а се т ке (зн ач е н ие Uc бе ре т ся по указан ию пре под ават е ля. 3. Пе ре клю ч ит ь коммут ат ор К и сн ят ь зависимост ь ан од н ого т ока Ja от ан од н ого н апряже н ия Ua при т аком же зн ач е н ии положит е льн ого пот е н циала н а се т ке . 4. Р е зульт ат ы изме ре н ий зан е ст и вт абл.1 Таблица 1 Ja, mA (при Uc=0) Ja, mA (при Uc= – ..,B) Ja, mA (при Uc= +..,B) Ua,B 10 20 30 И т .д . 4. Р азомкн ут ь клю ч и К1 и К 2 и пост авит ь вн е й т ральн ое положе н ие коммут ат ор К. II. С н ят иесет очн ы х характ ерист икт риода 1. Замкн ут ь клю ч К2 и с помощью пот е н циоме т ра R2 уст ан овит ь максимальн о возможн ое (по абсолю т н ой ве лич ин е ) се т оч н ое н апряже н ие Uс. Коммут ат ор К вклю ч ит ь т ак, ч т обы н а се т ку лампы бы лопод ан омаксимальн о возможн ое от рицат ельн ое н апряже н ие (~ – 4 ÷ – 5 В). 2. С помощью ре ост ат а R1 уст ан овит ь ан од н ое н апряже н ие по указан ию пре под ават е ля. При д ан н ом зн ач е н ии Ua = const замкн ут ь клю ч К1 и сн ят ь зависимост ь ан од н огот ока Ja от н апряже н иян а се т ке Uc, ме н яяпосле д н е е ч е ре з 0,5 ÷ 1,0 В от максимальн овозможн огоот рицат е льн огозн ач е н ияд о0 В. П р име ча н ие : В п р о це ссе сн ятия се то чн о й ха р а к те р истик и а н о дн о е н а п р яж е н ие мо ж е т ме н яться и е го н е о бхо димо п о дде р ж ива ть п о сто ян н ым с п о мо щью п о те н цио ме тр а R1. Зат е м, пе ре клю ч ив коммут ат ор К, под ат ь н а се т ку положит е льн ое н апряже н ие и , уве лич ивая се т оч н ое н апряже н ие от 0 д о +4 ÷ +5 В, прод олжит ь сн ят ие д ан н ой характ е рист ики. 3. С н ят ь ан алогич н ы е се т оч н ы е характ е рист ики т риод а при д ругих пост оян н ы х зн ач е н иях ан од н огон апряже н ия. 4. Р е зульт ат ы изме ре н ий зан е ст и вт абл.2 5. Р азомкн ут ь клю ч и К1 и К 2 и пост авит ь вн е й т ральн ое положен ие коммут ат ор К.

9

Uс,B

Таблица 2 Ja, mA (при Uа=80 В) Ja, mA (при Uа=100 В) Ja, mA (при Uа=120 В)

– 5,0 – 4,5 – 4,0 и т .д . 0 +0,5 +1,0 и.т .д .

II. С н ят иесет очн ы х характ ерист икт риода 1. Замкн ут ь клю ч К2 и с помощью пот е н циоме т ра R2 уст ан овит ь максимальн о возможн ое (поабсолю т н ой ве лич ин е ) се т оч н ое н апряже н ие Uс. Коммут ат ор К вклю ч ит ь т ак, ч т обы н а се т ку лампы бы ло под ан о максимальн о возможн ое от рицат е льн ое н апряже н ие (~ – 4 ÷ – 5 В). 2. С помощью ре ост ат а R1 уст ан овит ь ан од н ое н апряже н ие по указан ию пре под ават е ля. При д ан н ом зн ач е н ии Ua = const замкн ут ь клю ч К1 и сн ят ь зависимост ь ан од н огот ока Ja от н апряже н иян а се т ке Uc, ме н яяпосле д н е е ч е ре з 0,5 ÷ 1,0 В от максимальн овозможн огоот рицат е льн огозн ач е н ияд о0 В. П р име ча н ие : В п р о це ссе сн ятия се то чн о й ха р а к те р истик и а н о дн о е н а п р яж е н ие мо ж е т ме н яться и е го н е о бхо димо п о дде р ж ива ть п о сто ян н ым с п о мо щью п о те н цио ме тр а R1. Зат е м, пе ре клю ч ив коммут ат ор К, под ат ь н а се т ку положит е льн ое н апряже н ие и , уве лич ивая се т оч н ое н апряже н ие от 0 д о +4 ÷ +5 В, прод олжит ь сн ят ие д ан н ой характ е рист ики. 3. С н ят ь ан алогич н ы е се т оч н ы е характ е рист ики т риод а при д ругих пост оян н ы х зн ач ен иях ан од н огон апряже н ия. Р е зульт ат ы изме ре н ий зан е ст и вт абл.2 Таблица 2 Ja, mA (при Uа=80 В) Ja, mA (при Uа=100 В) Ja, mA (при Uа=120 В) Uс,B – 5,0 – 4,5 – 4,0 и т .д . 0 +0,5 +1,0 и.т .д . 5. От клю ч ит ь вы прямит е ли от се т и. 6. Пост роит ь граф ики се ме й ст ва ан од н ы х и се т оч н ы х характ е рист ик, как показан он а рис.3 и 4. 7. Пополуч е н н ы м граф икам вы ч ислит ь параме т ры лампы : Ri, μ, S.

10

К онтрол ьные вопросы 1. В ч е м сост оит явле н ие т е рмоэле кт рон н ой эмиссии и от каких ве лич ин зависит ве лич ин а т е рмот ока? 2. Ч т от акое т ок н асы ще н ия? 3. Каковон азн ач е н ие д иод а и т риод а н а практ ике ? 4. Ч т от акое ан од н ы е и се т оч н ы е характ е рист ики? 5. Объясн ит е ф изич е ский смы сл параме т ровт риод а и как он и н аход ят сяпо ан од н ы м характ е рист икам ? - посе т оч н ы м ? 6. Объясн ит е кон ст рукцию т риод а и н азн ач е н ие е гоот д е льн ы х ч аст е й . 7. Н арисуй т е схе му рис. 5 и объясн ит е н азн ач е н ие от д е льн ы х е е эле ме н т ов.

11

Р АБ ОТА № 5 1. И З М Е Р Е НИ Е С О П Р О Т И ВЛ Е НИ Й М О С Т И К О М У И С Т О НА . П Р О ВЕ Р К А З А К О НО В П О С Л Е Д О ВА Т Е Л Ь НО ГО И П А Р А Л Л Е Л Ь НО ГО С О Е Д И НЕ НИ Я С О П Р О Т И В Л Е НИ Й . Приборы и прин ад ле жн ост и: измеряе мы е сопрот ивле н ия, гальван оме т р, магазин сопрот ивле н ий , аккумулят ор, ре охорд , клю ч , т е рмост ат с иссле д уе мы м сопрот ивле н ие м, эле кт роплит ка, т е рмоме т р. К раткая те ория М ост овая схе ма пост оян н ого т ока, ч аст о н азы вае мая сокраще н н о мост иком Уит ст он а, пре д ст авляе т собой замкн ут ы й ч е т ы ре хугольн ик, сост авле н н ы й из сопрот ивле н ий R1, R2, R3 и R4, сое д ин е н н ы х ме жд у собой провод ами (рис.1). В од н у их д иагон але й эт ой схе мы вклю ч ае т ся ист оч н ик

ε

эле кт род вижуще й силы с вн ут ре н н им сопрот ивле н ие м R5, а в д ругую – ч увст вит е льн ы й гальван оме т р Г с вн ут ре н н им сопрот ивле н ие м R6. При произвольн ом соот н оше н ии сопрот ивле н ий , сост авляю щих всю мост овую схе му, ч е ре з гальван оме т р д олже н ид т и т ок. Обозн ач им силы т оков в ше ст и ве т вях схе мы ч е ре з J1, J2, J3, J4, J5 и J6. Покаже м, ч т о ме жд у сопрот ивле н иями, сост авляю щими схе му, суще ст вуе т од н о опре д еле н н ое соот н оше н ие, при кот ором сила т ока, т е куще го ч е ре з B гальван оме т р, обращае т сявн уль, J2 хот я при эт ом во все х д ругих J1 зве н ьях схе мы он а н е равн а J6 н улю . Воспользуе мся правилами R2 R1 Кирхгоф а д ляпост оян н огот ока. Г Пе рвое правило Кирхгоф а С A от н осит ся к узлу, т .е . т оч ке разве т вле н ия эле кт рич е ской R3 R4 це пи, гд е сход ят ся н е ме н е е т ре х т оков. Он о гласит : J3 J4 J5 алге браич е ская сумма сил т оков, сход ящихся в узле , равн а н улю , т .е . D K n ∑ J = 0. i

ε

i =1

Р ис.1

Прин ят от окам, вход ящим в узе л, приписы ват ь зн ак плю с, а

вы ход ящим – зн ак мин ус. Вт орое правило Кирхгоф а от н осит ся к произвольн ому замкн ут ому кон т уру, кот оры й мы сле н н о вы д е ляе т ся в сложн ой разве т вле н н ой эле кт рич е ской це пи. Он огласит : д ля лю богозамкн ут огокон т ура, произвольн о вы д е ле н н ого в разве т вле н н ой эле кт рич е ской це пи, алге браич е ская сумма

12

произве д е н ий сил т оков н а сопрот ивле н ия соот ве т ст вую щих уч аст ковравн а алге браич е ской сумме Э ДС , вст ре ч аю щихсявэт ом кон т уре , т .е . n ∑ i i =1

J Ri =

n ∑ i =1

ε

I

При сост авле н ии уравн е н ий повт орому правилу Кирхгоф а т окам и Э ДС н ужн о приписы ват ь зн аки в соот ве т ст вии с вы бран н ы м н аправле н ие м обход а кон т ура (н априме р, по ч асовой ст ре лке ). Ток, совпад аю щий с н аправле н ие м обход а кон т ура, сч ит ае т сяположит е льн ы м, н е совпад аю щий – от рицат е льн ы м. Э ДС сч ит ае т ся положит е льн ой , е сли он а вклю ч е н а т ак, ч т о д ае т т ок, н аправле н ие кот орогосовпад ае т с н аправле н ие м обход а кон т ура. Зад ад имсян аправле н иями т оковвовсе х уч аст ках схе мы , как эт опоказан о н а рис.1, и запише м пе рвое правило Кирхгоф а д ля все х ч е т ы ре х узлов разве т вле н н ой це пи: т .А J5 – J1 – J3 = 0, (1) т .С J2 + J4 – J5 = 0, (2) т .В J1 – J2 – J6 = 0, т .D J3 + J6 – J4 = 0. Запише м т е пе рь вт орое правилоКирхгоф а д лят ре х кон т уровсхе мы , д лякон т ура ABD: J1R1 + J6R6 - J3R3 = 0, д лякон т ура BCD: J2R2 - J4R4 - J6R6 = 0, д лякон т ура

εABCE: J5R5 + J1R1 + J2R2 = ε.

(3) (4) (5) (6) (7)

Положим, ч т от ок вд иагон али BD мост а раве н н улю , т .е . J6=0. Тогд а из уравн е н ий (3), (4), (5) и (6) получ ае м J1=J2, (8) J3=J4, (9) J1R1=J3R3, (10) J2R2=J4R4. (11) Де ля(10) н а (11) и прин имаявовн иман ие раве н ст ва (8) и (9), н аход им:

R1 R3 = . R2 R4

(12)

И з после д н е го соот н оше н ия (12) сле д уе т , ч т о при изве ст н ы х ве лич ин ах т ре х уч аст вую щих в схе ме сопрот ивле н ий мы може м вы ч ислит ь ч е т ве рт ое н е изве ст н ое н ам сопрот ивле н ие при условии, ч т о т ок ч е ре з гальван оме т р н е т еч ет . Практ ич е ски сопрот ивле н ия R3 и R4 вы полн яю т в вид е ме т аллич е ского провод н ика (ре охорд а), зат ян ут ого вд оль миллиме т ровой шкалы . Под вод т ока от гальван оме т ра эт им сопрот ивле н иям осуще ст вляе т ся с помощью кон т акт н огод вижка, скользяще говд оль ре охорд а и от д е ляю ще гоR3 от R4. ДляR3 и R4 можн озаписат ь:

l R3 = ρ 1 S

и

l R4 = ρ 2 , S

13

гд е ρ – уд е льн ое сопрот ивле н ие проволоки ре охорд а, l1 и l 2 - д лин ы пле ч ре охорд а, S – се ч е н ие проволоки ре охорд а. Тогд а от н ошен ие эт их сопрот ивле н ий буд е т равн о

R3 l1 = , R4 l 2 а, используясоот н оше н ие (12), име е м

R1 l1 = . R2 l 2 Окон ч ат е льн о н еизве ст н ое опре д е лят ьсяпоф ормуле :

сопрот ивле н ие

(н априме р,

R1)

буд е т

l R1 = R2 1 l2 или, е сли обозн ач ит ь R1=Rx, R2=Rm, т о

Rx = Rm Л е гко вид е т ь, ч т о от н оше н ие

l1 . l2

(13)

l1 в зависимост и от положен ия д вижка l2

изме н яе т ся от 0 д о ∞ , а эт о зн ач ит , ч т о сопрот ивле н ие Rx все гд а може т бы т ь опре д е ле н опри произвольн ом Rm. Од н акон аиме н ьшаяпогре шн ост ь изме ре н ий буд е т в т ом случ ае , когд а д вижок буд е т н аход ит ься приблизит е льн о н а се ре д ин е ре охорд а, т .е . при l1 ≈ l 2 . Э т о д ост игае т ся соот ве т ст вую щим под бором сопрот ивле н ияRm. Так как сопрот ивле н ие ре охорд а сравн ит е льн о н е ве лико, т о мост ик Уит ст он а описан н ого т ипа приме н яе т ся, как правило, д ля изме ре н ия н е больших сопрот ивле н ий (от 1 д о1000 Ом). 1. И зме ре ние сопротивл е ний мостиком Уитстона Пе ре д вы полн е н ие м работ ы сост авит ь т аблицу т е хн ич е ских д ан н ы х приборов, используе мы х вработ е . Длявы полн е н ияэт огоупражн е н иясост авляе т сяэле кт рич е скаяцепь, показан н аян а рис.2. Зд е сь АВ – ре охорд , Rx – н е изве ст н ое сопрот ивле н ие , Rm –

ε

магазин сопрот ивле н ий , – аккумулят ор, Г – гальван оме т р, D – д вижок ре охорд а, К – клю ч . При положе н ии д вижка, д е ляще м ре охорд приме рн опополам ( l1 ≈ l 2 ), под бираю т т акое сопрот ивле н ие Rm (вклю ч аяизве ст н ы е сопрот ивлен ия магазин а сопрот ивле н ий ), при кот ором от клон е н ие ст ре лки гальван оме т ра мин имальн о. Зат е м, пе ре д вигаяд вижок ре охорд а, д обиваю т сяполн ого от сут ст виявце пи гальван оме т ра.

14

Э лект рическу ю цепь следу ет замы кат ь клю чомК н а корот киепромеж у т кивремен и!

С

Rm

Rx Г A

B

ε

D K Р ис.2

И зме ряю т д лин ы пле н ре охорд а l1 и l 2 и записы ваю т их зн ач е н ия. И зме н ив в н е больших пре д е лах ве лич ин у изве ст н огосопрот ивле н ия Rm, сн ова н аход ят положе н ие д вижка ре охорд а, при кот ором т ок в це пи гальван оме т ра раве н н улю . И зме ре н ия провод ят н е ме н е е т ре х раз д ля кажд ого н еизве ст н ого сопрот ивле н ия, ре зульт ат ы изме ре н ий зан осят в т абл.1 и

вы ч исляю т погре шн ост и измере н ий . Таблица 1 № п/п

Rm, Ом

l1 , мм

Rx, Ом

l 2 , мм

∆ Rx, Ом

Ε=

∆R x ⋅ 100 % Rx

1 2 3 С р. Длякажд огон е изве ст н огосопрот ивле н иясост авляе т сяот д е льн аят аблица. II. Прове рка законовпосл е довате л ьного и парал л е л ьного сое дине ния сопротивл е ний С

Rx1 Rm Rx2

Г

A

B

ε

D

Р ис.3

K

1.С обираю т схе му мост ика Уит ст он а, гд е н е изве ст н ы м сопрот ивле н ие м являю т ся н е сколько после д оват е льн о соед ин е н н ы х сопрот ивле н ий , изме ре н н ы х в пре д ы д уще м опы т е (рис.3). И зме ряю т эт о обще е сопрот ивле н ие по ме т од у, описан н ому вы ше . Получ е н н ы й из опы т а ре зульт ат сравн иваю т со зн ач е н ие м сопрот ивле н ия, вы ч исле н н огопоф ормуле

15

после д оват е льн огосое д ин е н иясопрот ивле н ий :

Rx=R1+R2+… +Rn. С

Rx1

Rm Г

Rx2

B

A

ε

D

K

2.С обираю т схе му мост ика Уит ст он а, гд е изме ряе мы м сопрот ивле н ие м являю т ся т е же сопрот ивле н ия, сое д ин е н н ы е паралле льн о (рис.4). И зме рив опы т н ы м пут е м ве лич ин у н е изве ст н ого сопрот ивле н ия, сравн иваю т ре зульт ат со зн ач е н ие м сопрот ивле н ия, вы ч исле н н ого по ф ормуле паралле льн ого сое д ин е н ия сопрот ивле н ий :

1 1 1 1 = + + ... + . Rx R1 R2 Rn

И зме ре н ияпрод е лы ваю т н е ме н е е т ре х раз, ре зульт ат ы зан осят в т аблицу и вы ч исляю т погре шн ост и измере н ий д ляобе их ч аст е й упражн е н ия. Р ис.4

О П Р Е Д Е Л Е НИ Е Т Е М П Е Р А Т У Р НО ГО К О Э Ф Ф И Ц И Е НТ А С О П Р О Т И ВЛ Е НИ Я М Е Т А Л Л А Те мпе рат урн ы й коэф ф ицие н т сопрот ивле н ия опре д е ляе т ся как от н осит е льн ое изме н ен ие сопрот ивле н ия провод н ика при изме н е н ии е го т е мпе рат уры н а 1 К. М е т аллы , как изве ст н о, облад аю т эле кт рон н ой провод имост ью , т .е . н осит е лями эле кт рич е ст ва в н их являю т ся свобод н ы е эле кт рон ы . С вобод н ы е эле кт рон ы уч аст вую т в т е пловом хаот ич е ском д виже н ии. Е сли к уч аст ку ме т аллич е ского провод н ика приложе н а разн ост ь пот е н циалов, т о н а хаот ич е ское д виже н ие эле кт рон ов н аклад ы вае т ся их упоряд оч е н н ое д виже н ие. Положит е льн ы е ион ы ме т алла пре пят ст вую т д виже н ию эле кт рон ов. С уве лич е н ие м т е мпе рат уры провод н ика т е пловое д виже н ие ион ов ст ан овит ся боле е ин т е н сивн ы м, поэт ому сопрот ивле н ие возраст ае т . В пе рвом приближе н ии зависимост ь сопрот ивле н ия от т е мпе рат уры можн осч ит ат ь лин е й н ой : Rt=Ro(1+αt), (14) гд е Rt – сопрот ивле н ие провод н ика при д ан н ой т е мпе рат уре t, Ro – сопрот ивле н ие провод н ика 0оС , α – т е мпе рат урн ы й коэф ф ицие н т сопрот ивле н ия, зависящий от мат е риала провод н ика. С т рого говоря, ве лич ин а α зависит от т е мпе рат уры . Поэт ому из уравн е н ия (14) можн о опре д е лит ь лишь сре д н е е зн ач е н ие α в т е мпе рат урн ом ин т е рвале от 0 д о t оС . Для ч ист ы х ме т аллов α изме н яе т ся н аст олько н е зн ач ит е льн о, ч т о в ин т е рвале т е мпе рат ур поряд ка 100оС α можн о сч ит ат ь пост оян н ы м. 2.

16

В д ан н ом упражн е н ии пре д лагае т ся опре д е лит ь т е мпе рат урн ы й коэф ф ицие н т сопрот ивле н ияпровод н ика из ме д н ой проволоки. И ссле д уе мы й провод н ик поме щае т ся в т е рмост ат , заполн е н н ы й н е провод яще й жид кост ью . Те мпе рат ура жид кост и, а зн ач ит и ме т аллич е ского провод н ика изме ряе т ся т е рмоме т ром. Для равн оме рн ого н агре ва жид кост ь пе ре ме шивае т ся ме шалкой . И ссле д уе мы й провод н ик под клю ч ае т ся к кле ммам мост ика Уит ст он а, и сопрот ивле н ие е го опре д е ляе т ся поме т од ике , описан н ой вы ше . С н ач ала изме ряю т сопрот ивле н ие при комн ат н ой т е мпе рат уре , а зат е м при н агре ван ии ч е ре з кажд ы е 5о. И зме ре н ия провод ят ся д о т е мпе рат уры 8090оС . Зат е м ст роят граф ик зависимост и сопрот ивле н ия от т е мпе рат уры . И з граф ика опре д е ляю т Ro зн ач е н ия Ro и α сле д ую щим образом. Прод олжаю т получ е н н ую прямую д о пе ре се ч е н ия с осью Rt. Точ ка пе ре се ч е н ия д аст зн ач ен ие (при 0оС ). Ве лич ин а т е мпе рат урн ого коэф ф ицие н т а сопрот ивле н ия опре д е ляе т сяиз (14) поф ормуле :

α=

Rt − Ro , Rot

воспользовавшись д ан н ы ми граф ика. Р е зульт ат ы изме ре н ий пре д ст авляю т ввид е т аблицы и граф ика. К онтрол ьные вопросы

С ф ормулируй т е правила Кирхгоф а. Р асскажит е т е орию мост ика Уит ст он а. Как объясн ит ь т е мпе рат урн ую зависимост ь сопрот ивле н ия ме т аллов с т оч ки зре н ияэле кт рон н ой т е ории? 4. Опишит е уст рой ст вогальван оме т ра и магазин а сопрот ивле н ий . 5. Поч е му с помощью д ан н ой схе мы н е льзя изме рят ь сопрот ивлен ия ме н ьше 1 Ом? 6. Поч е му н аиме н ьшая погре шн ост ь изме ре н ия сопрот ивле н ия возможн а лишь при раве н ст ве пле ч ре охорд а?

1. 2. 3.

17

Р АБ ОТА № 6 ГР А Д У И Р О В К А Т Е Р М О Э Л Е М Е НТ А И О П Р Е Д Е Л Е НИ Е Е ГО Э Л Е К Т Р О Д ВИ Ж У Щ Е Й С И Л Ы Приборы и прин ад ле жн ост и: т е рмопара, д ва ме т аллич е ских сосуд а с т е рмоме т рами, гальван оме т р, милливольт ме т р, аккумулят ор, пе ре ме н н ое сопрот ивле н ие , клю ч , эле кт роплит ка. К раткая те ория При т е сн ом соприкосн ове н ии (кон т акт е ) д вух разн ород н ы х ме т аллов ме жд у н ими возн икае т разн ост ь пот е н циалов. Он а получ ила н азван ие кон т акт н ой разн ост и пот е н циалов. А.Вольт а экспе риме н т альн о бы ли уст ан овле н ы д ва закон а: 1. При соед ин е н ии д вух провод н иков, изгот овле н н ы х из различ н ы х ме т аллов, ме жд у н ими возн икае т кон т акт н ая разн ост ь пот е н циалов, кот орая зависит т олькоот их химич е скогосост ава и т е мпе рат уры . 2. Р азн ост ь пот е н циалов ме жд у кон цами це пи, сост ояще й из после д оват е льн о сое д ин е н н ы х ме т аллич е ских провод н иков, н аход ящихся при од ин аковой т е мпе рат уре , н е зависит от химич е ского сост ава проме жут оч н ы х провод н иков. Он а равн а кон т акт н ой разн ост и пот е н циалов, возн икаю ще й при н е посре д ст ве н н ом сое д ин е н ии край н их провод н иков. Р ассмот рим прич ин ы , вы зы ваю щие кон т акт н ую разн ост ь пот е н циалов. От ме ч е н н ая в пе рвом закон е Вольт ы зависимост ь кон т акт н ой разн ост и пот е н циалов д вух е ме т аллов от их химич е ского сост ава обусловле н а д вумя F + + + + прич ин ами: различ ие м работ ы вы ход а А эле кт рон а из эт их е е ме т аллов и различ ие м кон це н т рации n свобод н ы х эле кт рон ов + + + + вн их. Ост ан овимся е е боле е под робн о н а ф изич е ской природ е работ ы вы ход а А. Н а рис.1.схе мат ич е ски ч аст и + + + + изображе н ы крист аллич е ской Р ис.1 ре ше т ки ме т алла. С илы прит яже н ия к положит е льн ы м ион ам ре ше т ки, д е й ст вую щие н а свобод н ы е

18

эле кт рон ы , н аход ящие ся вн ут ри ме т алла, в сред н е м взаимн о уравн ове шиваю т ся, и эле кт рон ы д вижут ся свобод н о вн ут ри ме т алла ме жд у узлами ре ше т ки. Е сли же покакой -либоприч ин е эле кт рон вы й д е т за пре д е лы ме т алла, т он а н е гон ач н ут д е й ст воват ь н е уравн ове ше н н ы е силы прит яже н иясо ст орон ы ион ов пове рхн ост и ме т алла и со ст орон ы т ого избы т оч н ого положит е льн огозаряд а, кот оры й возн ик вме т алле в связи с пот е ре й эле кт рон а. Р е зульт ирую щаясила F, н аправле н н аявст орон у ме т алла, возврат ит эле кт рон в ме т алл. М е жд у т е м, облад ая кин е т ич е ской эн е ргие й , эле кт рон ы н е пре ры вн о « вы скакиваю т » из ме т алла н а расст оян ия, н е пре вы шаю щие ат омн ы х разме ров, и вт ягиваю т ся обрат н о. В ре зульт ат е ре ше т ка из положит е льн ы х ион ов буд е т сн аружи обволакиват ься т он ким слое м от рицат е льн ы х эле кт рон ов и н а все й пове рхн ост и ме т алла образуе т ся д вой н ой эле кт рич е ский слой , кот оры й являе т ся свое образн ы м кон д ен сат ором, пре пят ст вую щим н овы м эле кт рон ам вы ход ит ь изн ут ри ме т алла н аружу. Таким образом, д ля т ого ч т обы покин ут ь ме т алл и уй т и в окружаю щую сре д у, эле кт рон д олже н сове ршит ь работ у А прот ив сил прит яже н ия к ме т аллу, д е й ст вую щих н а расст оян ии поряд ка разме ра крист аллич е ской яч е й ки (10-8 см). Э т а работ а н азы вае т ся работ ой вы ход а эле кт рон ов из ме т алла. Ч е м больше работ а вы ход а, т е м т руд н е е эле кт рон у вы ле т е т ь из ме т алла. Ве лич ин а работ ы вы ход а зависит от химич е ской природ ы ме т алла и сост оян ия е го пове рхн ост и, загрязн е н ия, влажн ост и и т .д . Р абот у вы ход а прин ят о вы ражат ь в эле кт рон вольт ах (эВ). Од ин эле кт рон вольт раве н работ е пе ре ме ще н ия эле кт рон а в эле кт рич е ском поле ме жд у т оч ками с разн ост ью пот е н циалов1 В . 1 эВ=1,6· 10-12 эрг=1,6· 10-19 Дж. Р абот а вы ход а у различ н ы х ме т аллов различ н а и коле бле т сяв пре д е лах от 1 д о6 эВ. И т ак, пе ре ход я т е пе рь к А1 < А2 вы вод у обще го вы раже н ия д ля кон т акт н ой разн ост и + – r пот е н циалов, уч т е м сн ач ала + – E ϕ1, ϕ 2, пе рвую прич ин у – различ н ую + – работ у вы ход а. Для эт ого + – приве д е м в кон т акт д ва ме т алла 1 и 2, име ю щих работ у вы ход а 1 2 соот ве т ст вен н оА 1 и А 2, прич е м Р ис.2 А 2>А 1 (рис.2). Оч е вид н о, ч т о свобод н ы й эле кт рон , попавший (в проце ссе т е плового д вижен ия) н а пове рхн ост ь разд ела ме т аллов, буд е т вт ян ут во вт орой ме т алл, т ак как со ст орон ы эт ого ме т алла н а эле кт рон д е й ст вуе т большая сила прит яжен ия (А 2>А 1). С ле д оват е льн о, ч е ре з пове рхн ост ь соприкосн ове н ия ме т аллов буд е т происход ит ь « пе ре кач ка» свобод н ы х эле кт рон ов из пе рвогоме т алла вовт орой , в ре зульт ат е ч е го пе рвы й ме т алл заряд ит ся положит е льн о, вт орой – от рицат е льн о. Возн икаю щая при эт ом разн ост ь пот е н циалов ϕ1 − ϕ 2 созд ае т r эле кт рич е ское поле н апряже н н ост ью Ε , кот орое буд е т зат руд н ят ь д альн е й шую '

'

19

« пе ре кач ку» эле кт рон ов и совсе м пре крат ит ее, когд а работ а пе ре ме ще н ия эле кт рон а за сч е т кон т акт н ой разн ост и пот е н циалов ст ан е т равн а разн ост и работ вы ход а эле кт рон а из ме т аллов:

e(ϕ1' −ϕ 2' ) = Α 2 − Α1 , или ϕ1' −ϕ 2' = Α1 − Α 2 ,

(1)

e

гд е е – заряд эле кт рон а. Зн ач е н ие ϕ − ϕ сост авляе т обы ч н о около од н ого вольт а. Для уч е т а вт орой прич ин ы , обусловливаю ще й кон т акт н ую разн ост ь пот е н циалов за сч е т различ н ой кон це н т рации свобод н ы х эле кт рон ов, заме т им, ч т о классич е ская эле кт рон н ая т е ория провод имост и ме т аллов рассмат ривае т большое ч исло свобод н ы х эле кт рон ов в ме т аллах как эле кт рон н ы й газ, облад аю щий свой ст вами од н оат омн огоид е альн огогаза. Пре д положим т е пе рь, ч т о в кон т акт приве д е н ы д ва ме т алла 1 и 2, име ю щие од ин аковы е работ ы вы ход а А 1 и А 2, н о различ н ы е кон це н т рации свобод н ы х эле кт рон ов n1 и n2 (ч исло эле кт рон ов в е д ин ице объе ма), прич е м n1>n2 (рис.3). Тогд а н ач н е т ся пре имуще ст ве н н ы й пе ре н ос свобод н ы х эле кт рон ов из пе рвого ме т алла во вт орой . В ре зульт ат е А1 = А2 пе рвы й ме т алл заряд ит ся n1 > n2 положит е льн о, вт орой от рицат е льн о. М ежд у ме т аллами + – r возн икн е т разн ост ь пот е н циалов + – ,, ,, E ϕ1 ϕ 2 иr появит ся эле кт рич е ское поле + – кот орое вы зове т Ε, – + д ополн ит е льн ое д виже н ие эле кт рон ов, но в 1 2 Р ис.3 прот ивоположн ом н аправле н ии. При н е кот орой разн ост и , , пот е н циалов ϕ1 − ϕ 2 н аст упит равн ове сие и пот е н циалы ме т аллов ме н ят ься н е буд ут . Такое равн ове сие уст ан авливае т сявн ич т ожн ы е д оли се кун д ы . Н ай д е м ве лич ин у эт ой кон т акт н ой разн ост и пот е н циалов. В классич е ской эле кт рон н ой т е ории провод имост и эт а зад ач а о равн ове сии эле кт рон ов в соприкасаю щихсяме т аллах сход н а с зад ач е й оравн ове сии газа, н аход яще госяв поле т яже ст и. И з моле кулярн ой ф изики изве ст н о, ч т окон це н т рацияат омовгаза n н а вы сот е h связан а с кон це н т рацие й nо у пове рхн ост и Зе мли ф ормулой ' 1

n = n0 e

' 2

−

mgh kΤ

.

Зд е сь mgh е ст ь разн ост ь пот е н циальн ы х эн е ргий Зе мли. В случ ае д вух соприкасаю щихсяме т аллов

и поэт ому

W1 − W2 = e(ϕ1" − ϕ 2" )

W1-W2

н а вы сот е

h

и у

20

n2 = n1e гд е

n 1 и n2 –

−

e (ϕ1" −ϕ 2" ) kΤ

,

кон це н т рацияэле кт рон оввобоих ме т аллах. От сю д а

kΤ n1 ln . e n2 При комн ат н ой т е мпе рат уре зн ач ен ияϕ1" − ϕ 2" име ю т поряд ок 10-1 В. ϕ1" −ϕ 2" =

(2)

В обще м случ ае кон т акт а д вух ме т аллов, различ аю щихся и работ ой вы ход а и кон це н т рацие й свобод н ы х эле кт рон ов, кон т акт н ая разн ост ь пот е н циаловбуд е т , согласн о(1) и (2), равн а: Α − Α 2 kΤ n1 . (3) ϕ −ϕ = − 1 + ln 1

2

e

e

n2

Э т а ф ормула являе т ся мат е мат ич е ским вы раже н ие м пе рвого закон а Вольт ы , т .к. он а показы вае т , ч т о 1 2 3 4 кон т акт н ая разн ост ь φ1 φ1φ2 φ2φ3 φ3φ4 φ4 а) пот е н циалов зависит т олько от т е мпе рат уры и химич е ской природ ы ме т аллов. φ1– φ4 Для д оказат е льст ва вт орого закон а Вольт ы 1 4 приве д е м в соприкосн ове н ие б) н е сколько (н априме р, ч е т ы ре ) разн ород н ы х ме т аллич е ских 2 3 провод н иков, име ю щих од ин аковую т е мпе рат уру Р ис.4. (рис.4,а). Оч е вид н о, что разн ост ь пот е н циалов ме жд у кон цами эт ой це пи

ϕ1 − ϕ 4 = (ϕ1 − ϕ 2 ) + (ϕ 2 − ϕ 3 ) + (ϕ 3 − ϕ 4 ).

Тогд а, уч ит ы вая (3) соот н оше н ие

и

вы полн яя прост ы е

ϕ1 −ϕ 4 = −

пре образован ия,

получ им

Α1 − Α 2 kΤ n1 + ln , e e n4

являю ще е ся мат е мат ич е ским вы раже н ие м вт орого закон а Вольт ы , т .к. он о показы вае т , ч т оразн ост ь пот е н циаловме жд у кон цами т акой це пи н е зависит от химич е ской природ ы проме жут оч н ы х провод н иков. Е сли т е пе рь н е посре д ст ве н н о сое д ин ит ь ме жд у собой кон це вы е провод н ики (рис.4,б), т о эт а разн ост ь пот е н циалов компе н сируе т ся равн ой по ве лич ин е разн ост ью пот е н циалов φ1-φ2, возн икаю ще й в ме ст е кон т акт а провод н иков1 и 4. Поэт ому кон т акт н аяразн ост ь пот е н циаловн е созд ае т т ока в замкн ут ой це пи ме т аллич е ских провод н иков, име ю щих од ин аковую т е мпе рат уру. Од н ако кон т акт н ая разн ост ь пот е н циалов, как вид н о из

21

ф ормулы (3), зависит от т е мпе рат уры . Э т ой зависимост ью и обусловле н о явле н ие , получ ивше е н азван ие т е рмоэле кт рич е скогоэф ф е кт а. С ост авим замкн ут ую це пь из д вух разн ород н ы х ме т аллич е ских провод н иков 1 и 2. Те мпе рат уры 1 кон т акт ов (спае в) a и b буд е м φ1 φ под д е рживат ь различ н ы ми: Тa>Tb a b 1 Ta, ΔUa T ΔU (рис.5). Тогд а, согласн о ф ормуле (3), b, b φ2b φ2 кон т акт н ая разн ост ь пот ен циалов в горяч е м спае больше , ч е м в холод н ом 2 ΔUa>ΔUb. Р ис.5 В ре зульт ат е ме жд у спаями a и b возн икае т разн ост ь пот е н циалов

ε = ∆U

a

− ∆U b = (ϕ1 − ϕ 2 )a − (ϕ1 − ϕ 2 )b ,

н азы вае мая т е рмоэле кт род вижуще й силой , а в замкн ут ой це пи пой д е т т ок силой J. Пользуясь ф ормулой (3), получ ае м

ε=  − Α − Α 1



e

2

+

kTa n1   Α1 − Α 2 kTb n1  ln  −  − ln  = + e n2   e e n2 

k n = (Ta − Tb ) ln 1 , e n2 или

ε= α (T

a

− Tb ) = α∆Τ,

(4)

гд е коэф ф ицие н т

α=

k n1 ln e n2

являе т ся пост оян н ой ве лич ин ой д ля д ан н ой пары ме т аллов (е сли пре н е бре ч ь зависимост ью кон це н т раций n1 и n2 эле кт рон овот т е мперат уры ). Такую замкн ут ую це пь, сост оящую из д вух разн ород н ы х провод н иков, кот орая созд ае т т ок за сч е т различ ия т е мпе рат уры кон т акт ов, н азы ваю т т е рмоэле ме н т ом или т е рмопарой . Ф ормула (4) показы вае т , ч т о т е рмоэле кт род вижущая сила (ТЭ ДС ) т е рмопары пропорцион альн а разн ост и т е мпе рат ур спае в (кон т акт ов). И з эт ой ф ормулы т акже ле гко вид е т ь, ч т о пост оян н ая т е рмопары α равн а т е рмоэле кт род вижуще й силе , возн икаю щей при разн ост и т е мпе рат ур спае в в 1 град ус (уд е льн ая ТЭ ДС ). Н аиболе е упот ре бит е льн ы е т е рмопары ме д ь-кон ст ан т ан , же ле зо-кон ст ан т ан , же ле зон ике ль, плат ин а-плат ин ород ий и д р. име ю т сре д н ю ю ве лич ин у α поряд ка (5 ÷ 100) мкВ/К.

22

Зависимост ь ТЭ ДС от разн ост и т е мпе рат ур спае в позволяе т использоват ь т е рмопары в кач е ст ве т е рмоэле кт рич е ских т е рмоме т ров. С эт ой це лью сост авляе т ся це пь, изображе н н ая н а рис.6. С пай b т е рмопары , сост авле н н ой из провод н иков 1 и 2 (н а рис.6 он и показан ы разн ой т олщин ы ), под д е рживае т ся при пост оян н ой изве ст н ой 1 т е мпе рат уре Tb (н априме р, при т е мпе рат уре т аю ще го льд а или комн ат н ой т е мпе рат уре ). Г С пай a поме щае т ся в сре д у, т е мпе рат ура Ta 2 кот орой под ле жит изме ре н ию . Зн ая коэф ф ицие н т α д ан н ой т е рмопары и изме ряя гальван оме т ром Г т е рмоэле кт род вижущую силу a Ta b Tb ε , рассч ит ы ваю т т е мпе рат уру Ta. Обы ч н ошкалу гальван оме т ра град уирую т Р ис.6 н е посре д ст ве н н о в град усах. Те рмоэле кт рич е ский т е рмоме т р облад ае т суще ст ве н н ы ми пре имуще ст вами пе ре д рт ут н ы м. Он оч е н ь ч увст вит е ле н , име е т малую т е мпе рат урн ую ин е рцию , приме н им в широком д иапазон е т е мпе рат ур, позволяе т изме рят ь т е мпе рат уру малы х объе мов сре д ы (практ ич е ски – т оч е к сре д ы ). Кроме т ого, он д опускае т д ист ан цион н ы е изме ре н ия, т .е . опре д е ле н ие т е мпе рат уры объе кт а, расположе н н огон а большом расст оян ии от ме ст а изме ре н ия или н е д ост упн ого д лян е посре д ст ве н н огоизме ре н ия. О писание схе мы и ме тода изме ре ния те рмоэл е ктродвижу щ е й сил ы В д ан н ой лаборат орн ой работ е т е рмопара сост оит из д вух разн ород н ы х

К 2

1

a

К 2

b

Э л. плит ка Р ис.7 проволок д иаме т ром 1-2 мм, д ля луч ше гокон т акт а сваре н н ы х своими кон цами (рис.7). Од н а из проволок разомкн ут а и н а кон цах е е укре пле н ы д ве кле ммы К , к кот оры м можн оприсое д ин ит ь изме рит е льн ы й эле кт рич е ский прибор. Правы й спай т ермопары опуще н в сосуд , н аполн е н н ы й вод ой комн ат н ой т е мпе рат уры . Л е вы й спай опуще н в т акой же сосуд с вод ой , т е мпе рат ура кот орой може т изме н ят ься пут е м под огре ван ия с помощью эле кт роплит ки, и д ля

23

под д е рживан ия равн оме рн ого распре д е ле н ия т е мпе рат уры он сн абже н ме шалкой . Для изме ре н ия т е мперат уры вод ы , а, сле д оват е льн о, и спае вт е рмопары вобоих сосуд ах име ю т сят е рмоме т ры . В н аше й уст ан овке изме ре н ие Э ДС т е рмопары производ ит ся н е н е посре д ст ве н н ы м под клю ч е н ие м гальван оме т ра к кле ммам К (как показан он а рис.6), а ме т од ом компе н сации н а ре охорд е , исклю ч аю щим ве лич ин у пад е н ия н апряже н иян а вн ут ре н н е м сопрот ивле н ии гальван оме т ра. Э т от ме т од заклю ч ае т ся в сле д ую ще м. Р ассмот рим це пь, изображе н н ую н а рис.8: Зд е сь ТП – т е рмопара, Б – бат аре я(аккумулят ор), Г – гальван оме т р, mV – милливольт ме т р, К – клю ч , R – пе ре ме н н ое сопрот ивле н ие , А В – ре охорд , пре д ст авляю щий собой укре пле н н ую н а лин е й ке од н ород н ую проволоку, вд оль кот орой може т пе ре ме щат ьсяскользящий кон т акт С. Е сли Э ДС т е рмопары ε ме н ьше , ч е м бат аре и, т о н а проволоке все гд а можн о н ай т и т акую т оч ку С, когд а вве т ви А ГС т ока н е окаже т ся, и ст ре лка

ТП

J2

Г J1

a

b C

J

K

R Б

mV Р ис.8

гальван оме т ра буд е т ст оят ь н а н уле . Повт орому правилу Кирхгоф а д лякон т ура А ГСА име е м:

J 2 (RТП + R Г ) − J 1 R AC = − ε, гд е RТП – сопрот ивле н ие т е рмопары и под вод ящих провод ов, RГ – сопрот ивле н ие гальван оме т ра, RAC – сопрот ивле н ие уч аст ка АС. Когд а т ок ч е ре з гальван оме т р J2=0, т о

J 1 R AC =

ε

(5) и в эт ом случ ае пад е н ие н апряже н ия н а уч аст ке АС, созд авае мое бат аре е й Б , равн оЭ ДС т е рмопары , т .е . происход ит компе н сация. Так как т ока в це пи А ГС н е т , т от ок н а уч аст ке А В буд е т раве н т оку н а уч аст ке А С. Пад е н ие н апряжен ия н а уч аст ке АВ , измеряе мое милливольт ме т ром, буд е т равн о (6) U AB = J 1 R AB . И з (5) и (6) н аход им

ε= U

AB

R AC . R AB

(7)

24

Ввид у т ого, ч т о проволока н а уч аст ке АВ – калиброван н ая, можн озаписат ь

ε= U гд е

l 1 и l 2 - д лин ы

AB

l1 , l2

(8)

уч аст ковАС и А В впроизвольн ы х ед ин ицах.

Зн ая UAB, т .е . показан ие милливольт ме т ра mV, и изме рив

AB = l 2 , поф ормуле (8) вы ч исляю т

AC = l 1 и

Э ДС т е рмопары .

Выпол не ние работы 1.С ост авляю т т аблицу т е хн ич е ских д ан н ы х приборов. 2.Н аполн яю т оба сосуд а вод ой комн ат н ой т е мперат уры и собираю т це пь (см.рис.8). С помощью пе ре ме н н ого сопрот ивле н ия R уст ан авливаю т положе н ие ст ре лки милливольт ме т ра н а це лое ч ислод е ле н ий с це лью уд обст ва д альн ей ших вы ч исле н ий , и эт опоказан ие прибора д олжн обы т ь од н им и т е м же вовре мяпрове д е н иявсе х изме ре н ий . 3.Заф иксировав т е мпе рат уру Тb в правом сосуд е , кот орая в проце ссе экспе риме н т а ост ае т сяпост оян н ой , под огре ваю т н а эле кт роплит ке ле вы й сосуд и, от ме ч ая т е мпе рат уру Тa ч е ре з кажд ы е 5 К, изме ряю т Э ДС т е рмопары описан н ы м вы ше ме т од ом компе н сации. Н агре ван ие прод олжаю т д о т е мпе рат уры 90-95оС , все вре мя пе ре ме шивая вод у ме шалкой . При изме ре н иях ТЭ ДС клю ч К замы кае т ся н а корот кое вре мя во избе жан ие бы ст рого разряд а аккумулят ора. Дан н ы е изме ре н ий зан осят вт абл.1. Таблица 1 (UAB =… мкВ, № n/n

Та ,

о

С

l 2 =…

мм, Тb =… оС )

l 1, мм

ε, мкВ

α,

мк В K

1 2 3 . . . С р. От клад ы вая по оси абсцисс разн ост ь т е мперат ур спае в т е рмопары (Та -Тb), а по оси орд ин ат ве лич ин у - ТЭ ДС д ля соот ве т ст вую ще й т е мпе рат уры Та , ст роят граф ик эт ой зависимост и. И з граф ика, согласн о ф ормуле (4), опре д е ляю т ся н е сколько зн ач е н ий уд е льн ой ТЭ ДС α, а зат е м н аход ит ся е е сре д н е е зн ач е н ие д ляд ан н ой т е рмопары . 4.Прове д я экспе риме н т при н агре ван ии, д аю т вод е ме д ле н н о ост ы ват ь и повт оряю т зад ан ие п.3 при охлажд е н ии.

25

К онтрол ьные вопросы 1. Ч т он азы ваю т работ ой вы ход а эле кт рон овиз ме т алла и ч е м он а обусловле н а? 2 .Каковы прич ин ы кон т акт н ой разн ост и пот е н циалов? 3 .Вы ве д ит е ф ормулу (4). 4. Какой ф изич е ский смы сл уд е льн ой т е рмоэд с α? 5. В ч е м сост оит ме т од компе н сации ТЭ ДС ? 6. Докажит е справе д ливост ь ф ормулы (8). 7. Гд е н аход ят приме н е н ие т е рмопары ? 8. В ч е м пре имуще ст ва т ермопары пе ре д т е рмоме т ром?

26

Р А Б О ТА № 7 И З У Ч Е НИ Е Р А Б О Т Ы Э Л Е К Т Р О ННО ГО О С Ц И Л О ГР А Ф А . П Р О В Е Р К А ГР А Д У И Р О ВК И З ВУ К О В О ГО ГЕ НЕ Р А Т О Р А Приборы и прин ад ле жн ост и: эле кт рон н ы й осциллограф , звуковой ге н е рат ор син усоид альн ы х н апряже н ий , ге н е рат ор пилообразн ы х н апряже н ий , т ран сф ормат ор. Осциллограф ич е ские ме т од ы иссле д ован ия завое вали проч н ое ме ст о в совре ме н н ой н ауке и т е хн ике . Он и приме н яю т ся, в осн овн ом д ляиссле д ован ия бы ст ропе ре ме н н ы х пе риод ич е ских проце ссов. Дост оин ст вами эле кт рон н о– луч е вого осциллограф а являю т ся е го вы сокая ч увст вит е льн ост ь и бе зы н е рцион н ост ь д е й ст вия, ч т о позволяе т иссле д оват ь проце ссы , -6 -8 д лит е льн ост ь кот оры х поряд ка 10 ÷ 10 с. Устройство эл е ктронного осцил л ограф а Осциллограф пре д ст авляе т собой сложн ы й эле кт рон н ы й прибор, блок – схе ма кот орогоприве д е н а н а рис. 1.

R1

R2

R3

с и нхро ни зат о р ~ 220 V

Б лок пит ан ия

UР

UУ

Y

Р ис.1

UХ

X

27

Осн овн ы ми узлами осциллограф а являю т ся эле кт рон н о– луч е вая т рубка, блок пит ан ия, усилит е ль н апряже н ия Ux, усилит е ль н апряже н ия Uy, ге н е рат ор пилообразн огон апряже н ияUp и син хрон изирую ще е уст рой ст во. Э ле кт рон н о-луч е ваят рубка вн е шн е пре д ст авляе т собой ст еклян н ы й баллон с вы соким вакуумом (рис.2).

К

УЭ

А1 А2 П

х

П

у

~

Р ис.2 Он а сост оит из эле кт рон н ой пушки, д аю ще й пуч ок эле кт рон ов (н а рис.2 он а вы д е ле н а пун кт иром ), д вух пар от клон яю щих пласт ин П х и П у,расположе н н ы х во взаимн о пе рпе н д икулярн ы х плоскост ях, и ф луоре сцирую ще го экран а. Э ле кт рон н ая пушка позволяе т получ ит ь сф окусирован н ы й пот ок эле кт рон ов. Он а сост оит из н акаливае мого кат од а К, управляю ще го эле кт род а УЭ , име ю ще го в це н т ре от ве рст ие д ля получ е н ия узкого эле кт рон н ого луч а, и д вух ан од ов А1 (ф окусирую щий ан од ) и А2 (ускоряю щий ан од ). М е жд у кат од ом и пе рвы м ан од ом А1 приложе н о н апряже н ие поряд ка 10 В. Поэт ому эле кт рон ы ускоряю т ся эле кт рич е ским поле м и попад аю т н а ф луоре сцирую щий экран , вы зы вая е госве ч е н ие . М е н яя ве лич ин у эт ого н апряже н ия и е го полярн ост ь, можн о уме н ьшат ь колич е ст во эле кт рон ов, проход ящих ч е ре з е гоот ве рст ие , а сле д оват е льн о, и яркост ь пят н а н а экран е т рубки. Вт орой ан од А2, пот е н циал кот орого вы ше пе рвого, служит д ля ф окусирован ия эле кт рон н оголуч а. Р е гулируя пот е н циал вт орогоан од а, можн о получ ит ь н а экран е т рубки ярко све т ящую ся т оч ку. Вы й д я из вт орого ан од а, эле кт рон н ы й луч проход ит ме жд у д вумя парами ме т аллич е ских пласт ин П х и П у. Е сли н а лю бую пару пласт ин под ат ь н апряже н ие , т о эле кт рон н ы й луч от клон ит ся от свое го пе рвон ач альн ого н аправле н ия, т .к. эле кт рон ы буд ут прит ягиват ься к пласт ин е , заряже н н ой положит е льн о, и от т алкиват ься от пласт ин ы , заряже н н ой от рицат е льн о. Прой д я от клон яю щие пласт ин ы , эле кт рон н ы й луч попад ае т н а экран . Э кран эле кт рон н о-луч е вой т рубки пре д ст авляе т собой слой ф луоре сцирую ще го ве ще ст ва, н ан е се н н огон а вн ут ре н н ю ю ст орон у т рубки. При уд аре об экран эн е ргияэле кт рон а ч аст ич н орасход уе т сян а вы биван ие эле кт рон ов из пове рхн ост и, н а кот орую он попад ае т , ч аст ич н он а разогре в эт ой пове рхн ост и, а ч аст ич н опре вращае т ся в све т овую эн е ргию . Э ле кт рон , попад ая

28

на пове рхн ост ь, покры т ую ф луоре сцирую щим слое м, привод ит в возбужд е н н ое сост оян ие ат омы и моле кулы эт ого слоя. Возвращаясь в н ормальн ое сост оян ие , ат омы и моле кулы испускаю т све т . Э т о явле н ие н осит н азван ие лю мин е сце н ции. Яркост ь све ч е н ия пят н а н а экран е эле кт рон н о-луч е вой т рубки зависит от скорост и и ч исла эле кт рон ов, пад аю щих н а эле ме н т площад и экран а за н е кот оры й проме жут ок вре ме н и. Р е гулироват ь яркост ь пят н а н а экран е можн о, либо ме н яя колич е ст во эле кт рон ов в эле кт рон н ом луч е , либо ме н яя скорост ь эле кт рон ов. Н апряже н ия н а управляю ще м эле кт род е , пе рвом и вт оры м ан од ах, с помощью кот оры х можн о изме н ят ь яркост ь и ф окус эле кт рон н ого луч а, ре гулирую т ся д е лит е лями н апряже н ия R1,R2 и R3, к кот оры м под вод ит ся вы сокое пост оян н ое н апряже н ие от блока пит ан ия(см. рис.1). Другим важн ы м эле ме н т ом эле кт рон н о-луч е вого осциллограф а являе т ся ге н е рат ор разве рт ки. Ге н е рат ор разве рт ки пре д ст авляе т собой рад иот е хн ич е ское уст рой ст во, позволяю ще е пе ре ме щат ь эле кт рон н ы й луч вд оль горизон т альн ой оси с пост оян н ой скорост ью (V=const.) Пре д положим, ч т о в моме н т вре ме н и t0 к горизон т альн оот клон яю щим пласт ин ам П х (в эле кт рон н о-луч е вой т рубке он и расположе н ы ве рт икальн о) приложе н он апряже н ие , лин е й н оизме н яю ще е ся со вре ме н е м. Тогд а све т яще е ся пят н о буд е т д вигат ься по экран у со скорост ью V=const в эт ом же н аправле н ии. Э т о н апряже н ие н азы ваю т н апряже н ие м разве рт ки Uр. Е сли в эт от же моме н т вре мен и t0 к ве рт икальн о от клон яю щим пласт ин ам П у (в эле кт рон н о-луч е вой т рубке он и расположе н ы горизон т альн о) под клю ч ит ь иссле д уе мое пе ре ме н н ое н апряже н ие U(t) , име ю ще е пе риод ич е ский характ е р, т о н а экран е получ ит ся кривая зависимост и н апряже н ия от вре ме н и в ин т е рвале вре ме н и от t1 д о t2 , гд е t2-моме н т вре ме н и, когд а пят н о д ост игае т края экран а. Так как U(t) -пе риод ич е ская ф ун кция с пе риод ом T=t1-t0, т он а экран е буд е т вид е н од ин пе риод изме н е н ия ве лич ин ы U(t) (рис.3).Е сли заст авит ь луч в моме н т вре ме н и t1 мгн ове н н о возврат ит ься в исход н ое сост оян ие (т оч ку А, соот ве т ст вую щую вре ме н и t0) и повт орит ь разве рт ку с V=const д о т оч ки В (соот ве т ст вую ще й вре мен и t1), мы увид им н а экран е вт орой пе риод изме н е н ия ве лич ин ы А В U(t). t0 t1 Таким образом, сме щая луч от т оч ки А д о т оч ки В вд оль горизон т альн ой оси с V=const, а пот ом мгн ове н н овозвращая е гоот В в А и повт оряя т акую разве рт ку мн огократ н о, мы сможе м увид е т ь н а экран е н е под вижн ую карт ин у U(t) в т е ч е н ие од н огопе риод а, е сли Р ис. 3 T=t1-t0. Е сли же nT=t1-t0, гд е n-це лое ч исло, т о н а экран е мы получ им n пе риод ов

29

изме н е н ияве лич ин ы U(t). После все госказан н огосле д уе т , ч т ограф ик изме н е н иявовре ме н и н апряже н ия разве рт ки Up д олже н име т ь вид , Uр изображе н н ы й н а рис.4. Для получ е н ия т акого н апряже н ия в осциллограф е смон т ирован ге н е рат ор пилообразн ого н апряже н ия. И т ак, д ля получ е н ия t0 t1 t н е под вижн ого изображен ия иссле д уе мого пе риод ич е ского Р ис.4 н апряже н ия U(t) н а экран е осциллограф а н е обход имо, ч т обы t1-t0=nT, гд е n-це лое ч исло. Е сли же n-ч исло д робн ое , т о изображе н ие н а экран е буд е т пе ре д вигат ься, ч т о зат руд н ит н аблю д е н ие за эт им изображе н ие м.

Л уч

С ет ь

Яркост ь

Ф окус Амплит уд а син хрон изации

Ось У

Ось Х Ч аст от а плавн о

Кон т р. сигн ал 1:10 1:1

1:100

От се т и Вн ут р. Вн е шн .

Вход ве рт ик. Зе мля

Вн е шн . С ин хр.

Вход горизон т Диапазон ч аст от

Зе мля Усиле н ие Усиле н ие пове рт икали С игн . погоризон т али лампоч ка

Р ис. 5

30

Н о д аже е сли пе риод иссле д уе мого н апряже н ия и пе риод пилообразн ого н апряже н ия равн ы и крат н ы , н е льзя руч ат ься за сохран е н ие указан н ого раве н ст ва и в д альн е й ше м. Прич ин а - возможн ая н е ст абильн ост ь ч аст от ы ге н е рат ора разве рт ки. Поэт ому колебан ия ген е рат ора разве рт ки син хрон изирую т ся с д ругими, боле е ст абильн ы ми коле бан иями. Для эт ой це ли осциллограф сн абже н пе ре клю ч ат е ле м род а син хрон изации (пе ре клю ч ат е ль "син хрон изация"). Ге н е рат ор разве рт ки можн о син хрон изироват ь либо ч аст от ой исслед уе мого н апряже н ия, либо ч аст от ой пе ре ме н н ого н апряже н ия, взят огоот се т и, либоч аст от ой какого- либо ист оч н ика вн е шн е гон апряже н ия. Н а рис.5 приве д е н вн е шн ий вид лице вой пан е ли осциллограф а, гд е расположе н ы все е гоорган ы управле н ияс соот ве т ст вую щими н ад писями. ВЫ ПО Л Н ЕН И ЕР А Б О Т Ы Подготовка осцил л ограф а к работе 1. И зуч ит ь блок-схе му осциллограф а и н азн ач е н ие кажд огоорган а управле н ия н а пе ре д н е й пан е ли. 2. Зарисоват ь блок-схе му осциллограф а и связат ь руч ки пе ре д н е й пан е ли с эле ме н т ами от д ельн ы х блоковсхе мы . 3. Приве ст и осциллограф в исход н ое рабоч е е сост оян ие . Е сли осциллограф н аход ит ся все вре мя в работ е (ут оч н ит ь у пре под ават е ля или лаборан т а), т о эт от пун кт н е вы полн ят ь: • руч ки "яркост ь", "ф окус", "ось X", "ось Y" д олжн ы зан имат ь сре д н е е положе н ие ; • руч ки "усиле н ие " по ве рт икали и "усиле н ие " по горизон т али пове рн ут ь вле вод оот каза; • пе ре клю ч ат е ль "ослабле н ие " пост авит ь вположе н ие 1:10; • пе ре клю ч ат е ль "д иапазон ч аст от " пост авит ь вположе н ие "вы кл.". 4. Под клю ч ит ь осциллограф к се т и, вклю ч ит ь после д оват е льн от умбле ры "се т ь" и "луч ". После прогре ва осциллограф а (1-2мин .), ман ипулируяруч ками "ось X" и "ось Y", поме ст ит ь све т яще е ся пят н о в це н т р экран а и, ре гулируя руч ками "яркост ь" и "ф окус", д обит ься, ч т обы он о бы ло ре зким и мин имальн ы х разме ров. ВЕМ А ЕИ Е: С Л ЕД Л УЧ А Н ЕД О Л Ж ЕН Б Ы Т Ь С Л И Ш К О М Я Р К И М ! 5. Вклю ч ит ь ге н ерат ор разве рт ки, уст ан овив пе ре клю ч ат е ль "д иапазон ч аст от " и руч ку "амплит уд а син хрон изации" в сре д н е е положе н ие. Пе ре клю ч ат е ль "син хрон изация" пост авит ь в положе н ие "вн ут р ". Р уч ку "усиле н ие " по горизон т али пове рн ут ь вправо д о т е х пор, ч т обы получ илась све т ящаяся полоса впре д е лах экран а. УПР А Ж Н ЕН И Е1. И ссл е дование ф ормы пе ре ме нного эл е ктриче ского напря же ния 1. И ссле до ва ть ф о р му п е р е ме н н о го эле к тр иче ск о го н а п р яж е н ия н а выхо де звук о во го ге н е р а то р а ЗГ син усо ида льн ыхн а п р яж е н ий. Для эт огон е обход имоисслед уе мое н апряже н ие под ат ь н а ве рт икальн ы й вход осциллограф а "осьY" (кле ммы "вход " и "зе мля"). Р е гулируя руч кой

31

"усиле н ие " по ве рт икали, а е сли пот ре буе т ся пе ре клю ч ат е ле м "ослабле н ие ", уложит ь н аблю д ае мую карт ин у в экран осциллограф а по ве рт икали. М е н яя ч аст от у ге н е рат ора разве рт ки (пе ре клю ч ат е ль "д иапазон ч аст от " и руч ка "ч аст от а плавн о"), д обит ься уст ой ч ивого изображе н ия н е скольких пе риод овколе бан ий пе ре ме н н огоэле кт рич е скогон апряже н ия. Зарисоват ь н аблю д ае мую карт ин у и сд е лат ь соот ве т ст вую щие вы вод ы . 2. И ссле до ва ть ф о р му п е р е ме н н о го эле к тр иче ск о го н а п р яж е н ия в го р о дск о й эле к тр иче ск о й се ти ( сн ят ь с т ран сф ормат ора или с кле ммы "кон т р. сигн ал"). Кле мма "кон т р. сигн ал" н аход ит ся н а пе ре д н е й пан е ли осциллограф а. К н е й под клю ч е н од ин кон е ц вт орич н ой обмот ки т ран сф ормат ора, н аход яще гося вн ут ри осциллограф а. Вт орой кон е ц эт ой обмот ки припае н к кле мме “зе мля”. Поэт ому д ляиссле д ован ияэт огон апряже н ияд ост ат оч н осое д ин ит ь кле мму "кон т р. сигн ал" с вход ом "У". Дале е повт орит ь, как и вп.1. 3. И ссле до ва ть а н а ло гичн о ф о р му п е р е ме н н о го эле к тр иче ск о го н а п р яж е н ия н а выхо де вн е ш н е го ге н е р а то р а п ило о бр а зн ыхн а п р яж е н ий. УПР А Ж Н ЕН И Е2. И зме ре ние пе ре менного эл е ктриче ского напря же ния с помощ ью осцил л ограф а Для изме ре н ия пе ре ме н н ого эле кт рич е ского н апряже н ия с помощью осциллограф а н ужн озн ат ь е гоч увст вит е льн ост ь. Опре д е лит ь ч увст вит е льн ост ь осциллограф а по ве рт икали jy и н е изве ст н ое н апряже н ие можн о сле д ую щим образом. 1.Вы клю ч ит ь ''усиле н ие '' погоризон т али. 2.Пе ре клю ч ат е ль ''ослабле н ие '' пост авит ь вположе н ие 1:10. 3.Под ат ь н а ве рт икальн ы й вход изве ст н ое н апряже н ие U0 с кле ммы ''кон т р. сигн ал'' (U0=2,5В). 4.Уложит ь н аблю д ае мую карт ин у вэкран пове рт икали, ре гулируяруч кой ''усиле н ие '' по''оси Y''. ВН И М А Н И Е: В Д А Л Ь Н ЕЙ Ш ЕМ УС И Л ЕН И ЕПО ВЕР Т И К А Л И Н Е Т Р О ГА Т Ь ! 5.И зме рит ь от клон е н ие L луч а н а экран е . 6.Опре д е лит ь ч увст вит е льн ост ь осциллограф а по ф ормуле jy =(L/2)/U0, гд е U0- амплит уд н ое зн ач е н ие н апряже н ия. Таким образом, ч увст вит е льн ост ь осциллограф а при д ан н ом усиле н ии ч исле н н оравн а от клон е н ию луч а (в мм) н а экран е осциллограф а, вы зы вае могон апряже н ие м в1В. 7.Н е изве ст н ое н апряже н ие U (с т ран сф ормат ора или с вы ход а звукового ге н е рат ора) под ат ь н а ве рт икальн ы й вход и изме рит ь от клон е н ие l луч а, вы зы вае мое эт им н апряже н ие м. Тогд а, с уч е т ом (1), U=U0(l/L). Е сли от клон е н ие луч а l н е уклад ы вае т ся в экран е осциллограф а, сле д уе т пе ре клю ч ат е ль ''ослабле н ие '' пост авит ь в положе н ие 1:100 и уч е ст ь эт о при вы ч исле н ии U. Е сли от клон е н ие l луч а оч е н ь мало, сле д уе т пе ре клю ч ат е ль

32

''ослабле н ие '' пост авит ь в положе н ие 1:1 и т акже эт оуч е ст ь при вы ч исле н ии U. УПР А Ж Н ЕН И Е3. Прове рка граду ировки зву кового ге не ратора сину соидал ьных напря же ний спомощ ью ф игу р Л иссажу Ф игуры Л иссажу- эт о кривы е сложн ой ф ормы , кот оры е получ аю т ся в ре зульт ат е сложе н ия д вух взаимн о пе рпе н д икулярн ы х гармон ич е ских коле бан ий с различ н ы ми ч аст от ами :

Ux = U0xcosω xt = U0xcos 2πνxt, Uy = U0ycosω yt = U0ycos 2πνyt.

Вид ф игуры Л иссажу зависит от соот н оше н ия склад ы вае мы х ч аст от . Е сли ч аст от а од н огоколе бан ияизве ст н а, н априме р νx, т оч аст от у д ругогоколе бан ия νy можн он ай т и из обще говид а ф игур Л иссажу поф ормуле :

νy =νx

nx , ny

{4}

гд е nх- ч ислопе ре се ч е н ий д ан н ой ф игуры с осью Х , а nу - с осью У. Для получ е н ия н а экран е осциллограф а ф игур Л иссажу и вы полн е н ия д ан н огоупражн е н иян е обход имо: 1. Вы клю ч ит ь ге н е рат ор разве рт ки (пе ре клю ч ат е ль ''д иапазон ч аст от '' в положен ие 'ВЫ К Л .''). 2. Под ат ь н а горизон т альн ы й вход н апряже н ие Uх изве ст н ой ч аст от ы , н априме р, 50 Гц. Н апряже н ие изве ст н ой ч аст от ы (f=50 Гц) можн о сн ят ь с кле ммы ''кон т р. сигн ал'' или от город ской эле кт рич е ской се т и ч е ре з пон ижаю щий т ран сф ормат ор. 3. Н а ве рт икальн ы й вход под ат ь иссле д уе мое н апряже н ие Uу от звукового ге н е рат ора ЗГ с ч аст от ой f=50 Гц. 4. Вращая руч ку ''усиле н ие '' по горизон т али и ''усиле н ие '' по ве рт икали, расположит ь получ е н н ую карт ин у в пре д е лах экран а. М е н яя плавн оч аст от у звукового ге н е рат ора, д обит ься появлен ия уст ой ч ивой карт ин ы . При од ин аковой ве лич ин е н апряже н ий Uх и Uу н а пласт ин ах эле кт рон н о-луч е вой т рубки н а экран е осциллограф а д олжн а бы т ь окружн ост ь. Ве лич ин у н апряже н ий Uх и Uу можн о ре гулироват ь пере клю ч ат е ле м ''ослабле н ие '' и руч ками ''усиле н ие '' погоризон т али и ''усиле н ие '' пове рт икали. Кроме эт ого, н апряже н ие Uу н а вы ход е звукового ге н е рат ора можн о ре гулироват ь соот ве т ст ую щими руч ками н а ген е рат оре . 5. И зме н яяч аст от у звуковогоге н е рат ора, н ач ин аяс мин имальн ой , получ ит ь н е ме н е е пят и уст ой ч ивы х ф игур Л иссажу. Для кажд ой ф игуры опре д е лит ь ч ислопе ре се ч е н ий е е с осью Х – nх и осью У - nу. Р е зульт ат ы изме ре н ий зан е ст и вт аблицу Ч аст от а н а Вид ф игуры nx ny … ν, Гц ЗГ, Гц Л иссажу

33

По ф ормуле (4) д ля кажд ой ф игуры Л иссажу н ай т и ч аст от у νу иссле д уе мого н апряже н ия и сравн ит ь е е с ч аст от ой , указан н ой н а лимбе звуковогоге н е рат ора. К онтрол ьные вопросы 1. Н арисуй т е блок- схе му эле кт рон н огоосциллограф а и объясн ит е н азн ач е н ие орган ове го управле н ия. 2. Р асскажит е уст рой ст воэле кт рон н о- луч е вой т рубки. 3. Объясн ит е н азн ач е н ие ге н е рат ора разве рт ки осциллограф а. 4. Какое н апряже н ие (амплит уд н ое или эф ф е кт ивн ое ) изме ряе т ся осциллограф ич е ским ме т од ом? 5. Ч т он азы вае т сяч увст вит е льн ост ью осциллограф а? 6. Ч т от акое ф игуры Л иссажу? 7. Как повид у ф игуры Л иссажу опре д е лит ь от н оше н ие ч аст от слагае мы х взаимн о пе рпе н д икулярн ы х гармон ич е ских коле бан ий ? 8. Как с помощью ф игур Л иссажу можн опроград уироват ь звуковой ге н е рат ор?

34

Е (эн е ргия)

Р А Б О ТА № 8 И С С Л Е Д О В А НИ Е ВО Л Ь Т А М П Е Р НЫ Х Х А Р А К Т Е Р И С Т И К П О Л У П Р О В О Д НИ К О ВЫ Х Д И О Д О В Приборы и прин ад ле жн ост и: н абор д иод ов, вольт ме т р, миллиампе рме т р, шун т , вы прямит е ль с ф ильт ром, ре ост ат , пе ре клю ч ат е ль полярн ост и н апряже н ия(коммут ат ор). К раткая те ория Провод н ики име ю т уд е льн ое сопрот ивлен ие поряд ка 10-7 Ом· м (и 8 ме н ьше ), д иэле кт рики – поряд ка 10 Ом· м (и больше ). Уд е льн ое С опрот ивле н ие большин ст ва ве ще ст вле жит ме жд у указан н ы ми пре д е лами. Э т а ве ще ст ва н азы ваю т ся полупровод н иками. Типич н ы ми их пре д ст авит е лями являю т сякре мн ий , ге рман ий , се ле н , т е ллур и н е кот оры е д ругие . Как и у ме т аллов провод имост ь т ве рд ы х полупровод н иков обусловле н а пе ре ме ще н ие м эле кт рон ов. Од н ако условия пе ре ме ще н ия эле кт рон ов в ме т аллах и полупровод н иках суще ст ве н н о различ н ы . Р ассмот рим прич ин ы эле кт роф изич е ских особе н н ост е й полупровод н иков, прибе гая к н е кот оры м упроще н н ы м пре д ст авлен иям зон н ой т е ории т ве рд огот е ла. Как изве ст н о, эле кт рон ы свобод н ого ат ома, н аход яще гося в свобод н ом сост оян ии, име ю т 2 5 опре д е ле н н ы е д искре т н ы е зн ач е н ия эн е ргии (уровн и I и 2, рис.1а). Ч е м д альше уд але н а от яд ра оболоч ка, 4 в кот орой н аход ит ся д вижущий ся вокруг яд ра 1 • • •• • • 3 эле кт рон , т е м вы ше урове н ь эн е ргии послед н е го. В • • изолирован н ом ат оме од ин аковы е зн ач е н ия эн е ргии • • мо гут име т ь т олько д ва эле кт рон а или, как прин ят о а) б) говорит ь, н а кажд ом из эн е рге т ич е ских уровн е й Р ис.1 може т н аход ит ься н е боле е д вух эле кт рон ов (урове н ь1, рис1.а). Э ле кт рон пе ре ход ит с н ижн е го эн е рге т ич е ского уровн я н а боле е вы сокий , е сли е му сообщае т ся эн е ргия, равн ая разн ост и эн е ргий ме жд у эт ими уровн ями (урове н ь 2, рис.1а). При образован ии крист алла из N од ин аковы х ат омов, расположе н н ы х д руг от д руга н а близких расст оян иях, благод аря взаимн ому влиян ию поле й сосе д н их ат омов кажд ы й эн е рге т ич е ский урове н ь ат ома “расще пляе т ся” н а N различ н ы х уровн е й , близких пове лич ин е эн е ргии. Н а кажд ом из уровн е й крист алла т акже може т н аход ит ься по д ва эле кт рон а. Таким образом, в т ве рд ом т е ле из од ин аковы х уровн е й эн е ргии от д е льн ы х ат омов образуе т ся эн е рге т ич е ская зон а, име ю щая N различ н ы х близко расположен н ы х д руг от д руга уровн е й (зон а 3, рис.1б). Так как сист е ма (т ве рд ое т е ло) вуст ой ч ивом сост оян ии д олжн а облад ат ь мин имумом пот е н циальн ой эн е ргии, т о вся эт а зон а (и все уровн и эн е ргий вн ут ри е е ) оказы ваю т ся заполн е н н ы ми эле кт рон ами. Э т а зон а н осит н азван ие заполн е н н ой зон ы . Для т ве рд ого т е ла, кроме заполн е н н ой зон ы , вы д е ляю т зон у уровн е й возбужд е н ия или свобод н ую зон у (зон а 5, рис.1 б), разд е ле н н ую эн е ргет ич е ским барье ром д ля запре ще н н ой зон ы (зон а 4, рис.1б). В пре д е лах эт ого барье ра н аход ят ся уровн и эн е ргии, н а кот оры х н е могут н аход ит ьсяэле кт рон ы .

35

Е (эн е ргия)

Е (эн е ргия)

Зон а уровн е й возбужд е н ия сод е ржит уровн и созн ач ит е льн оболе е вы сокими эн е ргиями, ч е м уровн и заполн е н н ой зон ы . В эт ой зон е уровн и эн е ргии расположе н ы близко д руг к д ругу и практ ич е ски можн осч ит ат ь, ч т о эле кт рон , попавший в эт у зон у, може т изме н ят ь свою эн е ргию н епре ры вн ы м образом, а сле д оват е льн о, пе ре ме щат ься в крист алле под д е й ст вие м вн е шн е го эле кт рич е скогополя. Таким образом, при сообще н ии эле кт рон ам заполн е н н ой зон ы д ополн ит е льн ой эн е ргии, д ост ат оч н ой д ля пе ре вод а их ч е рез эн е рге т ич е ский барье р н а уровн и зон ы возбужд е н ия, т ве рд ы е т ела ст ан овят ся провод ящими. Ве лич ин а эт ой д ополн ит е льн ой эн е ргии д олжн а бы т ь, по край н е й ме ре , равн а ширин е эн е рге т ич е скогобарье ра. С ле д уе т от ме т ит ь, ч т оу эле кт рон ов, н аиболе е близкорасположе н н ы х к яд ру ат ома, связь с яд ром ст оль ве лика, ч т о он и н е могут уч аст воват ь в созд ан ии эле кт ропровод н ост и. Л ишь вале н т н ы е эле кт рон ы , н аиболе е уд але н н ы е от яд ра, облад аю щие т акже н аибольшими эн е ргиями, могут уч аст воват ь вт оке провод имост и. У ме т аллов заполн е н н ая и свобод н ая зон ы н е посре д ст ве н н о примы каю т д руг к д ругу, а в н е кот оры х случ аях эт и зон ы н е посре д ст ве н н о примы каю т д руг к д ругу, а – вн е кот оры х взаимн опе ре кры ваю т ся. Поэт ому эле кт рон може т пе ре й т и из пе рвой зон ы во вт орую , получ ив извн е оч е н ь н е большую д обавоч н ую эн е ргию . У д иэле кт риков ширин а эн е рге т ич е скогобарье ра соот ве т ст вуе т эн е ргиям 6-10 эВ и д ля пе ре ход а эле кт рон а из заполн е н н ой зон ы в свобод н ую зон у н е обход имы оч ен ь сильн ы е эле кт рич е ские поляили вы сокие т е мпе рат уры . И д е альн ы е полупровод н ики, в мат е риале кот оры х н е т приме се й , характ е ризую т ся н алич ие м эн е рге т ич е ского барье ра, н аибольшая ширин а кот орогозн ач ит е льн оме н ьше , ч е м у д иэле кт риков, и сост авляе т 1-1,5 эВ. Провод имост ь, созд авае мая в химич е ски ч ист ом полупровод н ике , н азы вае т ся “собст ве н н ой ” провод имост ью , т ак как являе т ся свой ст вом химич е ски ч ист огове ще ст ва. Все приме сн ы е полупровод н ики по характ е ру провод имост и д елят ся н а д ва вид а: n-т ипа и p-т ипа в зависимост и от вале н т н ост и приме си. Р ассмот рим д ва приме ра. Пуст ь в крист алле ге рман ия име е т ся в вид е приме си ат ом сурьмы . Ат ом ге рман ия ч е т ы ре хвале н т е н и име е т н а вн е шн е й эле кт рон н ой оболоч ке ч е т ы ре эле кт рон а. Вален т н ост ь сурьмы равн а пят и. Поэт ому заме н а ат ома герман ия ат омом сурьмы привод ит к появле н ию избы т оч н ого эле кт рон а. Таким образом, ат омы сурьмы д обавляю т в ре ше т ку ге рман ия избы т оч н ы е эле кт рон ы . Полупровод н ики, провод имост ь кот оры х обусловле н а избы т оч н ы ми эле кт рон ами, н азы ваю т ся полупровод н иками n-т ипа. Приме сн ы е ат омы с вале н т н ост ью , пре вы шаю ще й вале н т н ост ь ат омов ре ше т ки, н азы ваю т ся д он орн ы ми б) а) (д он орами). С т оч ки зре н ия зон н ой т е ории, Р ис.2 эн е рге т ич е ские уровн и вале н т н ы х эле кт рон ов т аких приме се й ле жат в запре ще н н ой зон е вблизи н ижн е го краязон ы провод имост и (пун кт ирн ы й урове н ь рис.2а).

36

Приме ром полупровод н иков с провод имост ью ин ого т ипа може т служит ь т от же крист алл ге рман ия, н о с приме сью бора. Ат ом бора т ре хвале н т е н . Всле д ст вие ст рукт уры крист аллич е ской ре ше т ки ге рман ия, обусловле н н ой ч е т ы рьмя вале н т н ы ми связями, ат ом бора захват ы вае т од ин эле кт рон у сосе д н е го ат ома ге рман ия. После д н ий , в свою оч е ре д ь,може т захват ит ь эле кт рон у д ругого ат ома ге рман ия и т .д . Такое после д оват е льн ое “пе ре скакиван ие ” эле кт рон ов, оч е вид н о, эквивале н т н о д виже н ию в прот ивоположн ую ст орон у положит е льн огозаряд а, равн огопове лич ин е заряд у эле кт рон а. Де ло обст оит т ак, буд т о пе ре ме щае т ся “ме ст о эле кт рон а” – положит е льн о заряже н н ая “д ы рка”. Полупровод н ики, провод имост ь кот оры х вы зы вае т ся н алич ие м “д ы рок” ( “д ы роч н ая ” провод имост ь), н азы ваю т ся полупровод н иками p-т ипа. Приме сн ы е ат омы , вале н т н ост ь кот оры х ме н ьше вале н т н ост и ат омов крист алла, н азы ваю т ся акце пт орн ы ми (акце пт орами), т .к. он и захват ы ваю т эле кт рон ы . С т оч ки зре н ия зон н ой т е ории, пе рвы е свобод н ы е эн е рге т ич е ские уровн и приме сн ы х ат омов ле жат в запре ще н н ой зон е полупровод н ика вблизи ве рхн е го края заполн е н н ой (вале н т н ой ) зон ы (пун кт ирн ы й урове н ь рис.2б). Э ле кт рон ы из вале н т н ой зон ы , попад ая н а эт и уровн и, д аю т возможн ост ь ост авшимсяэле кт рон ам пооч е ре д н оизме н ят ь свою эн е ргию н а малое зн ач ен ие , ч т ои обуславливае т д ы роч н ую провод имост ь. В практ ич е ском от н оше н ии важн о рассмот ре т ь, какие явлен ия происход ят в зон е кон т акт а д вух полупровод н иков различ н ого т ипа провод имост и – эле кт рон н ого( n ) и д ы роч н ого( p ). Так как в пе рвом из н их ве лика кон це н т рация свобод н ы х эле кт рон ов , а во вт ором – д ы рок , т о ч е ре з пове рхн ост ь соприкосн ове н ия полупровод н иков происход ит д иф ф узия свобод н ы х эле кт рон овиз эле кт рон н огополупровод н ика вд ы роч н ы й ( n – p ) и д иф ф узияд ы рок в прот ивоположн ом н аправле н ии ( p – n ) . С ле д уе т от ме т ит ь , ч т о пе ре ме ще н ие д ы рок в н аправле н ии p – n озн ач ае т в д е й ст вит е льн ост и пе ре ме ще н ие связан н ы х эле кт рон ов в н аправле н ии n – p . В ре зульт ат е погран ич н ы й слой сост орон ы p – полупровод н ика заряжае т сяот рицат е льн о, а со ст орон ы n – полупровод н ика – положит е льн о , т .е . в зон е кон т акт а образуе т ся “ д вой н ой эле кт рич е ский слой ” с разн ост ью пот е н циалов Uк ( рис.3а ) . Э т а кон т акт н ая разн ост ь пот е н циалов Uк пре пят ст вуе т д альн е й ше й д иф ф узии , т .е . пе ре ход у эле кт рон ов н аправоч ере з кон т акт , а д ы рок – н але во ч е ре з кон т акт . И т олько оч е н ь ре д кие эле кт рон ы и д ы рки , облад аю щие большой эн е ргие й , могут прон икат ь ч е ре з эт от барье р. Около кон т акт а созд ае т ся слой , обед н е н н ы й осн овн ы ми н осит е лями и поэт ому облад аю щий повы ше н н ы м сопрот ивлен ие м. Такой слой н азы вае т ся запираю щим слое м . Е сли т е пе рь к име ю ще й ся сист е ме под клю ч ит ь вн е шн ю ю бат аре ю с н апряже н ие м U , т овзависимост и от полярн ост и е е вклю ч е н ият ок вовн е шн е й це пи буд е т ре зко изме н ят ься . В од н ом случ ае поле от вн е шн е го ист оч н ика буд е т усиливат ь поле от собст ве н н ой кон т акт н ой разн ост и пот е н циалов и е ще боле е пре пят ст воват ь прохожд е н ию осн овн ы х н осит е ле й ч е ре з кон т акт (рис.3б) . Од н ако т ок во вн е шн е й це пи все -т аки буд е т н аблю д ат ься . Он обусловлен прохожд е н ие м ч е ре з кон т акт н е осн овн ы х н осит е ле й , д ля кот оры х собст ве н н ое и приложе н н ое эле кт рич е ские поля являе т ся ускоряю щими. Э т от т ок н осит н азван ие обрат н огот ока Iобр и е гове лич ин а практ ич е ски оч е н ь мала .

37

Е сли же изме н ит ь полярн ост ь бат аре и на обрат н ую , то эле кт рич е ско е по ле о т в н е шн е го а ) ист оч н ика буд е т н аправле н о н а вст ре ч у вн ут ре н н е му и вы зове т д виже н ие осн овн ы х н осит е ле й к ме ст у кон т акт а. Запираю щий слой н ач н е т заполн ят ься осн овн ы ми б н осит е лями , е го сопрот ивле н ие ) буд е т пад ат ь и при н е кот ором зн ач е н ии U може т практ ич е ски исч е зн ут ь . Ч е ре з вн е шн ю ю це пь пой д е т т ок Iпр ( рис.3в ) . В прямом н аправле н ии д аже н е зн ач ит е льн ого н апряже н ия оказы вае т ся ч т обы пре од оле т ь в д ост ат оч н о, в н ут ре н н ю ю ко н т акт н ую разн ост ь ) пот е н циалов. И сход я из сказан н ого, след уе т , ч т о эле кт рон н о-д ы роч н ы й пе ре ход облад ае т ярко вы раже н н ой од н ост орон н е й провод имост ью . Р ис.3 Е сли вн е шн ю ю бат аре ю замен ит ь ист оч н иком пе ре ме н н ого т ока, т о в т е ч е н ие од н ого полупе риод а буд е т н аблю д ат ься зн ач ит е льн ы й т ок , в А А J J т е ч е н ие д ругого – оч е н ь малы й , т .е . сист е ма буд е т служит ь вы прямит е ле м (полупровод н иковы м д иод ом). Кривая зависимост и т ока I от н апряже н ия U, приложе н н ого к полупровод н иковому д иод у, н азы вае т ся е говольт ампе рн ой характ е рист икой (рис.4). Ве т вь кривой ОА соот ве т ст вуе т прямому т оку, ве т вь ОБ – слабому U U обрат н ому т оку собст ве н н ой провод имост и О полупровод н иков . В эле кт рорад иот е хн ике н аиболе е ББ распрост ран е н н ы ме д н озакисн ы е , се ле н овы е , Р ис.4 ге рман ие вы е и кре мн ие вы е д иод ы . С вой ст ва полупровод н иковы х вы прямит е ле й характ е ризуе т ся коэф ф ицие н т ом вы прямле н ия α , кот оры й раве н от н оше н ию прямогот ока Iпр к обрат н ому Iобр изме ре н н ы х при од ин аковы х пове лич ин е прямом и обрат н ом н апряже н иях. Выпол не ние работы: 1. С ост авит ь т аблицу т е хн ич е ских д ан н ы х приборов.

38

н а рис.5.

вы прямит ель

2. С обрат ь схе му, приве д е н н ую

Р ис.5 В д ан н ой схе ме иссле д уе мы е д иод ы сое д ин е н ы после д оват е льн ои име ю т н е зависимы е от вод ы . Ц е пь пит ае т ся от вы прямит е ля н а 25В с ф ильт ром, и эт о н апряже н ие под ае т ся н а ре ост ат R, кот оры й вклю ч ае т ся как пот е н циоме т р (д е лит е ль н апряже н ия). Н апряже н ие н а вы ход е пот е н циоме т ра изме ряе т ся мн огопре д е льн ы м вольт ме т ром V. Ток в це пи изме ряе т ся миллиампе рме т ром mA, паралле льн окот орому с помощью т умбле ра T пре д усмот ре н овклю ч е н ие шун т а Ш . Б лагод аря эт ому возможн о изме ре н ие силы т ока в пре д е лах 0-7,5 mA (бе з шун т а) и 0-75 mA (с шун т ом). Для изме н ен ия зн ака полярн ост и под авае мого н апряже н ия н а д иод ы служит коммут ат ор К , кот оры й работ ае т сле д ую щим образом. Пуст ь н апряже н ие с пот е н циоме т ра R под ае т ся н а сре д н ие кле ммы коммут ат ора: к кле мме 1 – положит е льн ы й , к кле мме 2от рицат е льн ы й пот е н циал. С н имае т ся н апряже н ие с край н их кле мм, н априме р с и d. Для под ач и положит е льн ого пот е н циала н а ве рхн ий эле кт род д иод а н е обход имо с помощью рукоят ки коммут ат ора пе ре мкн ут ь кле ммы 1 и2 с кле ммами с и d. Е сли же н а эт от эле кт род т ре буе т ся под ат ь от рицат е льн ы й пот е н циал, т осле д уе т пе ре мкн ут ь с помощью т ой же рукоят ки кле ммы 1и 2 с кле ммами а и b. Так как н а пан е ли коммут ат ора кле мма b сое д ин е н а с кле ммой с, а кле мма а с кле ммой d, т о при т аком положе н ии рукоят ки коммут ат ора (1,2-а,b) н а ве рхн ий эле кт род д иод а буд е т под ават ься от рицат е льн ы й пот е н циал. 3.С н ят ь вольт ампе рн ы е характ е рист ики д ля од н ого, д вух и т ре х д иод ов. Для эт ого, изме н яяве лич ин у и н аправле н ие приложе н н огон апряже н ия, опре д е ляю т кажд ы й раз т ок, проход ящий ч е ре з д иод ы (при обрат н ом т оке бе з шун т а, при прямом т оке – с под клю ч е н н ы м к миллиампе рме т ру шун т ом). 4. Пост роит ь граф ики зависимост и I=f(U) и опред е лит ь коэф ф ицие н т вы прямле н ия. К онтрол ьные вопросы 1. Ч е м от лич аю т ся полупровод н ики от ме т аллов и д иэле кт риков по своим эле кт рич е ским свой ст вам? 2. Объясн ит е ме хан изм эле кт рич е ской провод имост и полупровод н иков. 3. Объясн ит е работ у p-n пе ре ход а.

39

4. Ч т о н азы вае т ся коэф ф ицие н т ом д иод а?

вы прямле н ия полупровод н икового

С ост авит е ли: М ило видо ва Све тла н а Д митр ие вн а Со ло духа Але к са н др М а йо р о вич Сидо р к ин Але к са н др Сте п а н о вич Д р о ж дин Се р ге й Н ик о ла е вич Р о га зин ск а я О льга В ла димир о вн а Л ибе р ма н Зин о вий А ле к са н др о вич Н е сте р е н к о Л о лита Па вло вн а Р е д акт ор Тихо мир о ва О .А.