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 ...
20 downloads
196 Views
508KB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
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.