Лабораторные работы по электротехнике Изучение метода компенсации Изучение работы полупроводниковых выпрямителей Изучение кенотронного выпрямителя Изучение колебательного контура Изучение цепи переменного тока

Постоянный ток Лабораторные работы

В трехфазных цепях следует собирать токовую цепь каждой фазы, начиная от соответствующего зажима рубильника вдоль фазы. После сборки основной токовой части схемы, следует перейти к подключению параллельных ветвей и цепей напряжения измерительных приборов. Для узловых соединений нескольких ветвей удобно воспользоваться соединительными гнездами, установленными на столах студентов.

Электрический ток в вакуумном диоде

Рис.3.4. Схема включения вакуумного диода.

  Явление испускания электронов нагретыми металлами называется термоэлектронной эмиссией. С повышением температуры возрастает кинетическая энергия электронов и они получают возможность, преодолев работу выхода, покинуть поверхность металла. Термоэлектронная эмиссия лежит в основе работы электронных ламп. Простейшая электронная лампа - вакуумный диод, - представляет собой вакууммированный стеклянный или металлический баллон, внутри которого находятся два электрода: нагреваемый нитью накала, металлический катод К и холодный металлический анод А. Высокий вакуум в диоде создается для того, чтобы электроны при своем движении не сталкивались с молекулами воздуха. На рис.3.4 приведена схема включения вакуумного диода. Батарея БН служит для нагревания нити накала и далее катода. Напряжение между анодом и катодом создается с помощью батареи Ба.

 Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью, то есть электроны могут двигаться только от катода к аноду, притягиваясь Кулоновскими силами к положительно заряженному аноду. Если же анод заряжен батареей Ба отрицательно, то анод отталкивает испускаемые нагретым катодом электроны обратно и они образуют «электронное облако», которое сосредоточено вблизи катода. Такое же «электронное облако» образуется при нулевом и даже при положительном напряжении анода за счет притяжения электронов к катоду, где после вылета электронов возникает поверхностный, положительный заряд. При увеличении положительного анодного напряжения все большая часть электронов будет лететь прямо к аноду, не задерживаясь в «электронном облаке», его плотность начнет уменьшаться и количество электронов, притягиваемых анодом в каждую секунду, будет увеличиваться. Электроны, долетевшие до анода, двигаются далее по проводам под действием батареи Ба , доходят до катода и снова испускаются к аноду.

Подпись:   Рис.3.5.  Вольт-амперные характеристики диода при различных температурах катода.  В замкнутой цепи возникает электрический ток, называемый анодным током. Зависимость анодного тока Iа от анодного напряжения Uа называется вольтамперной характеристикой диода. На рис.3.5 представлены три вольт-амперные характеристики, снятые при различных температурах катода Т1<Т2<Т3. На всех трех кривых видно, что при определенных значениях Uа=Uнас (напряжение насыщения) рост анодного тока прекращается, кривые становятся практически параллельными оси абсцисс. Максимальное значение анодного тока называется током насыщения Iнас. Это означает, что все электроны, покидающие катод в единицу времени, под действием достаточно сильного поля двигаются сразу к аноду, не создавая облака. Дальнейшее увеличение Uа не может привести к росту анодного тока, так как число электронов, вылетающих каждую секунду из катода, зависит от температуры катода, но не зависит от величины анодного напряжения. Поэтому, плотность тока насыщения jнас определяется плотностью тока термоэлектронной эмиссии (они равны по величине), которая рассчитывается по формуле Ричардсона-Дешмена: , где Iнас - ток насыщения, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, АВЫХ - работа выхода электрона из металла катода, С=1.2×106 А/м2К2 - эмиссионная постоянная Ричардсона.

 На участках кривых при UА<<Uнас зависимость анодного тока от анодного напряжения описывается формулой Богуславского-Ленгмюра или законом «трех вторых» , где В - константа, зависящая от размеров, формы и взаимного расположения катода и анода.

 С ростом температуры катода увеличивается число испускаемых им электронов, растет плотность «электронного облака». Для рассеивания объемного заряда облака требуется большее анодное напряжение. Поэтому при увеличении температуры катода насыщение анодного тока наступает при больших значениях Uа и сама величина тока насыщения Iнас также возрастает.

  Явление термоэлектронной эмиссии используется в различных электронных лампах, рентгеновских трубках, электронном микроскопе и т.д. Рассмотренная выше двухэлектродная лампа применяется в электро- и радиотехнике, автоматике и телемеханике для выпрямления переменного тока, усиления тока и электрических сигналов, для генерирования электромагнитных колебаний.

Собственная и примесная проводимость полупроводников.

  Кроме диэлектриков и проводников имеется класс веществ, у которых электропроводность существенно зависит от температуры, называемые полупроводниками. .К полупроводникам относятся некоторые элементы IV, V и VI групп Периодической системы элементов Менделеева (например, Si, Ge, As, Se, Te) и ряд химических природных и синтезированных соединений. По электрическим свойствам полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Например, удельное сопротивление у металлов - rмет»10-8-10-6 Ом×м, диэлектриков - rдиэл»108-1013 Ом×м, полупроводников - r»10-5-108 Ом×м.

Рис.3.6. Собственная проводимость германия.

  Различают собственные и примесные полупроводники.

К собственным полупроводникам относятся химически чистые вещества Ge, Se, а также многие соединения: JnSb, GaAs и др. Их проводимость называется собственной. Рассмотрим кристалл германия. Каждый атом в кристаллической решетке Ge связан четырьмя двухэлектронными ковалентными связями с соседними атомами (рис.3.6). Черными кружочками обозначены валентные электроны. При 0 К кристалл германия является диэлектриком, т.к. в нем нет свободных носителей заряда. При повышении температуры тепловые колебания решетки приводят к разрыву некоторых валентных связей и электроны,, покинувшие свое место, становятся свободными. Это вакантное место, обладающее избыточным положительным зарядом, называется дыркой, которая может быть занята каким-либо другим свободным электроном. Движение электронов и дырок по кристаллу в отсутствие электрического поля является хаотическим. Под действием электрического поля в кристалле начинается направленное перемещение электронов против поля и дырок по полю, то есть в кристалле появляется электрический ток. Таким образом, проводимость в чистых полупроводниках осуществляется двумя типами зарядов - электронами и дырками, ее называют собственной проводимостью,  ее величина зависит от температуры.

 Проводимость полупроводника, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники - примесными полупроводниками.

Рис.3.7. Образование примесной электронной проводимости на примере германия с примесью мышьяка.

 Рассмотрим кристалл Ge с небольшой добавкой мышьяка As (порядка 0.001%), рис.3.7. Атом As как элемент пятой группы имеет пять валентных электронов. При кристаллизации такого расплава, для образования связей с четырьмя соседними атомами Ge, атому As требуется 4 электрона. Поэтому пятый его электрон оказывается слабо связанным и легко отщепляется при тепловых колебаниях решетки. На атоме As появляется избыточный положительный заряд, который связан с атомом и не способен перемещаться по решетке. В отсутствии электрического поля движение освободившихся электронов беспорядочное, в присутствии поля - движение их направлено против поля. Следовательно, появляется электрический ток. Примеси, вызывающие появление электронов проводимости, называются донорными, проводимость - электронной, а данный примесный полупроводник - полупроводник n-типа.

Если в кристалл Ge ввести небольшое количество атомов трехвалентного бора B, то для образования четырех валентных связей в решетке Ge (рис.3.8) атому бора не будет хватать одного электрона. Недостающий четвертый электрон может быть захвачен у соседнего атома Ge, у которого, в результате этого, образуется положительная дырка. Присоединив электрон, атом бора превращается в отрицательный ион, не способный к перемещению. Дырки, напротив, не остаются неподвижными. Захватывая электроны соседних атомов Ge, они перемещаются по кристаллу. В электрическом

Рис.3.8. Образование примесной дырочной проводимости на примере германия с примесью бора.

поле они движутся в направлении поля. Примеси, вызывающие появление дырок, называются акцепторными, проводимость называется  дырочной, а сам примесный полупроводник - полупроводником р-типа.

Цель работы: приобрести практические навыки по изменению тока, напряжения и мощности в электрических цепях; изучить устройство приборов; провести проверку амперметра, вольтметра, ваттметра; определить, истинный класс точности приборов и дать заключение об их пригодности.
Электрические токи в металлах, вакууме и полупроводниках