Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



Электрические цепи, в которых одна часть сопротивлений соединена последовательно, а другая параллельно, называются цепями со смешанным соединением сопротивлений.




Читайте также:
  1. A) представляется в виде мозаики из квадратных элементов, каждый из которых имеет свой цвет
  2. A) Совокупность программных средств, с помощью которых создается база данных и поддерживается в процессе эксплуатации
  3. A) часть его интерфейса, обеспечивающая переход к выполнению различных операций над текстом
  4. D) совокупность социальных институтов и норм, посредством которых реализуется политическая власть.
  5. Административная ответственность военнослужащих и иных лиц, на которых распространяется действие дисциплинарных уставов.
  6. Банківська діяльність як галузь економіки. Банківські проценти та участь банків у створенні ВВП.
  7. Билет 14. Особенности образования падежных форм некоторых существительных
  8. Бренд-имидж – составная часть рекламной культуры организации.
  9. В структуру сознания входит ряд элементов, каждый из которых отвечает за определенную функцию сознания.
  10. В чём именно у некоторых людей претензии к разным видам маркетинга.

 

Общих расчетных формул для таких цепей нет, так как число их разновидностей не ограничено.

Чаще всего расчет подобных схем начинается с определения эквивалентного сопротивления всей цепи, а затем определяются величины токов и падение напряжения на отдельных участках.

Для определения эквивалентного сопротивления цепи со смешанным соединением потребителей, питающихся от одного источника тока, необходимо прежде всего разбить эту цепь на отдельные участки, состоящие из последовательного и параллельно соединенных сопротивлений. Далее определяют эквивалентные сопротивления для каждого из участков, а затем и для всей цепи в целом.

Рассмотрим метод решения задач на смешанное соединение сопротивлений на конкретном примере.

 

На рисунке представлена схема смешанного соединения сопротивлений. Ее можно разбить на три участка:

участок АВ – с двумя параллельно соединенными ветвями;

участок ВС – с последовательно соединенными сопротивлениями;

участок СD – с тремя параллельными ветвями.

Кроме того, нижняя ветвь участка АВ представляет в свою очередь цепь, состоящую из двух последовательно соединенных сопротивлений R2 и R3.

 

 

Теперь можно определить токи в параллельных ветвях участков АВ и СD

 

Остается определить величину токов, протекающих через сопротивления R7 и R8. Для этого надо сначала определить падение напряжения на сопротивлениях R7 и R8.

Определим падение напряжения на сопротивлении R9:

 

 

Падение напряжения на сопротивлении R7,8 определится как разность UCD и U:

 

 

Теперь определим величины токов, протекающих через сопротивления R7 и R8:

 

 

Величина тока. протекающего через сопротивления R4 и R5, равна I – току в неразветвленном участке цепи.

Итак, при решении задач на смешанное соединение сопротивлений необходимо, постепенно упрощая схему, определить эквивалентное сопротивление всей цепи, а затем. восстанавливая постепенно реальную схему. вычислить падение напряжения и токи в отдельных ветвях.


 

23 вопрос

Под действием тока вокруг проводника образуется свое магнитное поле рис.1.
Применяя правило буравчика, легко убедиться, что в рассматриваемом нами случае направление магнитных линий этого поля совпадает с направлением движения часовой стрелки.



При взаимодействии магнитного поля магнита и поля, созданного током, образуется результирующее магнитное поле, изображенное на рис.2.
Густота магнитных линий результирующего поля с обеих сторон проводника различна. Справа от проводника магнитные поля, имея одинаковое направление, складываются, а слева, будучи направленными встречно, частично взаимно уничтожаются.

Следовательно, на проводник будет действовать сила, большая справа и меньшая слева. Под действием большей силы проводник будет перемещаться по направлению силы F.

Перемена направления тока в проводнике изменит направление магнитных линий вокруг него, вследствие чего изменится и направление перемещения проводника.

Для определения направления движения проводника в магнитном поле можно пользоваться правилом левой руки, которое формулируется следующим образом:

Если расположить левую руку так, чтобы магнитные линии пронизывали ладонь, а вытянутые четыре пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление движения проводника.



Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, зависит как от тока в проводнике, так и от интенсивности магнитного поля.


Основной величиной, характеризующей интенсивность магнитного поля, является магнитная индукция В. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл=Вс/м2).

О магнитной индукции можно судить по силе действия магнитного поля на проводник с током, помещенный в это поле. Если на проводник длиной 1 м и с током 1 А, расположенный перпендикулярно магнитным линиям в равномерном магнитном поле, действует сила в 1 Н(ньютон), то магнитная индукция такого поля равна 1 Тл (тесла).

Магнитная индукция является векторной величиной, ее направление совпадает с направлением магнитных линий, причем в каждой точке поля вектор магнитной индукции направлен по касательной к магнитной линии.

Сила F, действующая на проводник с током в магнитном поле, пропорциональна магнитной индукции В, току в проводнике I и длине проводника l, т. е.
F=BIl.

Эта формула верна лишь в том случае, когда проводник с током расположен перпендикулярно магнитным линиям равномерного магнитного поля.
Если проводник с током находится в магнитном поле под каким-либо углом а по отношению к магнитным линиям, то сила равна:
F=BIl sin a.
Если проводник расположить вдоль магнитных линий, то сила F станет равной нулю, так кака=0.


 

24 вопрос

Основным назначением любого двигателя является сообщение (передача) механической энергии рабочим органам производственных механизмов, необходимой им для совершения определенных технологических операций. Эту механическую энергию электродвигатель вырабатывает за счет электрической энергии, потребляемой им из электрической сети, к которой он подсоединен. Другими словами, электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую.
Количество механической энергии, вырабатываемой двигателем в единицу времени, называется его мощностью. Механическая мощность на валу двигателя определяется произведением вращающего момента двигателя и его частоты вращения. Отметим, что некоторые двигатели имеют поступательное движение, поэтому их механическая мощность зависит от развиваемого двигателем усилия и скорости этого поступательного движения.
В зависимости от характера питающего напряжения различают двигатели постоянного и переменного тока. К числу наиболее распространенных двигателей постоянного тока относятся, например, двигатели с независимым, последовательным и смешанным возбуждением, а примерами двигателей переменного тока являются асинхронные и синхронные двигатели.
Несмотря на многообразие существующих электродвигателей (в том числе и специального назначения), действие любого из них основано на взаимодействии магнитного поля и проводника с электрическим током либо магнитного поля и ферромагнитного тела или постоянного магнита.
Рассмотрим взаимодействие магнитного поля и проводника с электрическим током. Предположим, что В магнитное поле магнита с полюсами N—S (рис. 1),
Рис. I. Взаимодействие магнитного поля и проводника с током.
силовые линии поля которого показаны тонкими линиями, перпендикулярно к этим линиям помещен проводник стоком I. Тогда по известному физическому закону на этот проводник будет действовать сила F (сила Ампера), которая пропорциональна индукции магнитного поля В, длине проводника I и силе тока I:
F=BlI. (1)
Направление действующей на проводник силы F может быть определено так называемым правилом левой руки: если пальцы левой руки вытянуть по направлению тока I, а ладонь расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в нее, то отогнутый большой палец покажет направление действия силы F.
Отметим, что в соответствии с законом электромагнитной индукции проходящий по проводнику ток создаст свое магнитное поле с концентрическими силовыми линиями вокруг проводника (на рис. 1 это поле не показано), в связи с чем картина магнитного поля между полюсами магнита несколько изменится. Однако это обстоятельство не изменяет существа рассматриваемого явления.
Изображенная на рис. 1 схема может служить простейшей моделью двигателя поступательного движения, поскольку под действием силы F проводник с током стремится совершить прямолинейное перемещение в направлении действия этой силы.
Для пояснения принципа образования вращающего момента в двигателях вращательного движения рассмотрим поведение в поле того же магнита рамки с током, состоящей из проводников А и Б (рис. 2,а). Ток к проводникам рамки подводится от внешнего источника постоянного тока через два контактных кольца К, укрепленных на оси вращения рамки 00'.

При изображенных на рис. 2,а положении рамки и направлениях тока и магнитного поля на проводники рамки А и Б будут действовать силы F, имеющие в соответствии с правилом левой руки указанные на рисунке направления. Эти силы создадут относительно оси рамки 00' вращающий момент М, под действием которого рамка начнет вращаться против часовой стрелки.
В курсе физики показывается, что этот момент прямо пропорционален силе тока I, индукции магнитного поля В, площади рамки с током 5 и зависит от угла а между линиями магнитного поля и осью рамки аа у перпендикулярной к ее плоскости:
M—BIS sin а—Мтах sin а, (2)
где Mmax=BIS — максимальный момент, развиваемый рамкой. При положении рамки, изображенной на рис. 2,а, угол а—90°, поэтому момент, действующий на рамку, максимален.

Рис. 2. Принцип действия двигателя постоянного тока. а — образование момента при а=90°; б — образование момента при а=270': е — образование постоянного по направлению вращающего момента.
Рассмотрим теперь другое положение рамки, когда она повернется на половину оборота и проводник А окажется уже под полюсом 5, а проводник Б — под полюсом N (рис. 2,6). Поскольку направление тока в проводниках сохранялось прежним, то по тому же правилу левой руки можно определить, что в этом положении рамки действующая на ее проводники сила F изменила свое направление на противоположное. Соответственно изменится на противоположное и направление вращающего момента М, который будет стремиться повернуть рамку уже в другую сторону, по часовой стрелке. Такой же вывод нетрудно сделать и на основании анализа формулы (2): так как угол а стал равен 270° (90°-f -)-180°) или, что то же самое, —90°, то sin а=—1 и момент изменил свой знак на противоположный.
Таким образом, рамка под действием изменяющегося по направлению момента будет совершать колебательное движение относительно своей оси вращения 00'. Такое устройство, очевидно, не может быть положено в основу двигателя вращательного движения постоянного направления, от которого обычно требуется момент постоянного направления и неизменное направление вращения.
Что же необходимо предпринять, чтобы образовывающийся вращающий момент на рамке имел постоянное направление? Нетрудно заметить, что для этого есть две принципиальные возможности:
1) изменять направление тока в проводниках рамки при изменении положения проводников под полюсами магнитной системы;
2) изменять направление магнитного поля при вращении рамки и неизменном направлении тока в ней, гили, другими словами, создавать вращающееся маг- агатное поле.
Первый из названных принципов использован в двигателях постоянного тока, второй — составляет основу работы двигателей переменного тока.
Рассмотрим вначале образование постоянного по направлению вращающего момента путем изменения направления тока в рамке и тем самым выясним принцип действия двигателей постоянного тока.
Для изменения направления тока в проводниках рамки необходимо, очевидно, иметь устройство, которое изменяло бы направление тока в рамке в зависимости от положения ее проводников.
Простейшее из возможных механических устройств такого типа может быть реализовано путем несложного изменения конструкции скользящих контактов К (рис. 2,а, б), служащих для подвода тока к рамке. Это преобразование заключается в замене двух контактных колец одним, но состоящим из двух изолированных друг от друга половинок (сегментов), к которым и подсоединяются проводники рамки А и Б (рис. 2,в). В этом случае, при повороте рамки на половину оборота направление тока в проводниках изменится на противоположное, поэтому вращающий момент сохранит свое направление и рамка будет продолжать вращаться в том же направлении. Подобное механическое переключающее устройство, называемое коллектором, используется в обычных двигателях постоянного тока. В некоторых специальных конструкциях двигателей, рассмотренных ниже, это переключающее устройство делается бесконтактным (электронным).
Реальный двигатель постоянного тока, упрощенная схема которого показана на рис. 3, имеет, конечно же, гораздо более сложную конструкцию по сравнению с показанной на рис. 2,в. Для получения большого вращающего момента берется обычно несколько десятков рамок, которые образуют обмотку 1 якоря. Проводники обмотки якоря размещаются в пазах цилиндрического ферромагнитного сердечника 2, а их концы присоединены к соответствующему количеству изолированных друг от друга сегментов кольца, образующего коллектор (на рисунке не показан).

Рис. 3. Схема двигателя постоянного тока.
Рис. 4 Принцип действия синхронного двигателя. а — равновесное положение; б — образование вращающего момента
Сердечник, обмотка и коллектор образуют якорь двигателя, который вращается в подшипниках, установленных в корпусе двигателя. Ток к проводникам якоря подводится от сети постоянного тока с помощью скользящих щеточных контактов.
Магнитное поле создается полюсами 3 магнита, расположенными в корпусе 4 двигателя. Это магнитное поле обычно называют полем возбуждения. Для его образования могут использоваться постоянные магниты или электромагниты.
Обмотку электромагнита обычно называют обмоткой возбуждения (позиция 5 на рис. 3). Обмотка возбуждения подключается к сети постоянного тока и может быть включена независимо от обмотки якоря или последовательно с ней. В первом случае двигатель называется двигателем с независимым возбуждением, во втором случае — с последовательным возбуждением.
Некоторые двигатели постоянного тока имеют две обмотки возбуждения — независимую и последовательную. Такие двигатели получили название двигателей со смешанным возбуждением. Число полюсов магнитного поля возбуждения может быть и более двух, например четыре, как это показано на рис. 3.
Перейдем теперь к рассмотрению двигателей переменного тока.
Вновь обратимся к опытам с рамкой и рассмотрим ее положение, показанное на рис. 4,а. Заметим, что этот рисунок представляет собой упрощенный фронтальный вид схемы рис. 2,а, причем направление тока в проводнике, втекающего в плоскость чертежа, обозначено крестиком, а вытекающего из плоскости чертежа — точкой.
Из формулы (2) следует, что в изображенном горизонтальном положении рамки вращающий момент, действующий на рамку, равен нулю (а=0), хотя действующие на проводники А и Б силы отличны от нуля. Объяснение этого положения состоит в том, что направление действия этих сил проходит через ось вращения рамки 00', поэтому плечо сил F относительно этой оси равно нулю и вращающий момент не создается.
Такое положение рамки является равновесным, и она сохраняет состояние покоя.
Повернем теперь каким-то образом магнит N—S по часовой стрелке на некоторый угол а, не изменяя направление тока в проводниках, как это показано на рис. 4,6. Нетрудно заметить, что такой поворот магнита вызовет изменение направления действия сил F и появление плеча приложения этих сил относительно оси вращения рамки. В результате на рамку в соответствии с формулой (2) начнет действовать вращающий момент, стремящийся вернуть рамку в равновесное положение, и рамка вследствие этого повернется вслед за магнитом на тот же угол а.
Если теперь начать равномерно вращать магнит N—S, то и рамка будет вращаться в том же направлении синхронно с вращением магнитного поля, так как при появлении «несинхронизма» между вращением поля 12 и рамки (а=/=О) на последнюю сразу же начинает действовать момент, стремящийся синхронизировать это вращение. Двигатели, использующие этот принцип, получили поэтому название синхронных двигателей, а их момент, определяемый с помощью формулы (2), часто называют синхронизирующим моментом.
Итак, для работы синхронного двигателя необходимо создать вращающееся магнитное поле и поместить в него проводники, обтекаемые неизменным по направлению током.
Рассмотрим, как в реальных двигателях переменного тока получается вращающееся магнитное поле. Вращающееся магнитное поле синхронного двигателя образуется с помощью системы обмоток, подключаемых к сети переменного тока. Обычно в синхронных двигателях используются трехфазные обмотки, уложенные в пазы сердечника статора двигателя с определенным пространственным сдвигом по окружности. В теории электрических машин показывается, что если такую обмотку подключить к трехфазной сети переменного тока, то токи образуют вращающееся в воздушном зазоре двигателя магнитное поле, частота вращения которого п0 определяется частотой тока в сети f и числом пар полюсов двигателя р, образованных обмоткой статора:

Взаимодействие этого вращающегося магнитного поля с током в проводниках обмотки ротора и вызовет вращение синхронного двигателя, которое будет происходить синхронно с вращением магнитного поля статора.
При отсутствии момента нагрузки на валу синхронного двигателя оси магнитных полей статора и ротора совпадают (сс=0), двигатель не развивает момента и вращается с частотой п0. При появлении на в я л у двигателя момента сопротивления (нагрузки) ось поля ротора начнет отставать от оси поля статора, и этот процесс будет происходить до тех пор, пока при некотором угле аф0 вращающий (синхронизирующий) момент двигателя не станет равным моменту нагрузки. Синхронный двигатель будет продолжать вращаться с частотой щ, преодолевая момент сопротивления на своем палу.
Такое положение будет сохраняться до значения максимального момента двигателя, соответствующего углу «=90°. При дальнейшем увеличении момента нагрузки синхронный двигатель, как говорят, «выпадает из синхронизма» и останавливается. Таким образом, синхронный двигатель может преодолевать лишь определенный, номинальный момент сопротивления, который у синхронных двигателей соответствует углу а=20-30°.
Упрощенная схема синхронного двигателя приведена на рис. 5. В корпусе двигателя в пазах сердечника I укладывается трехфазная обмотка переменного тока 2, которая при подключении ее к сети переменного тока образует вращающееся магнитное поле. Сердечник с обмоткой образуют неподвижную часть двигателя — статор.
Роль рамки с током выполняет обмотка возбуждения 3 двигателя, расположенная на ферромагнитном сердечнике 4. Обмотка возбуждения имеет несколько десятков витков (рамок) и подключается к сети постоянного тока через контактные кольца и щеточный контакт (на рис. 5 эти части двигателя не показаны).
Обмотка возбуждения, сердечник и контактные кольца вместе с валом двигателя образуют ротор двигателя — его вращающуюся часть.
Синхронный двигатель, построенный по схеме рис. 5, обычно называют явнополюсным, что связано с наличием полюсов у сердечника ротора. Наряду с этим имеются так называемые неявнополюсные синхронные двигатели, у которых сердечник ротора не имеет явно выраженных полюсов.

Рис. 5. Схема синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением.
Действие синхронного двигателя может основываться помимо рассмотренного выше принципа взаимодействия магнитного поля и проводника с током также и на принципе взаимодействия магнитного поля с постоянным магнитом или ферромагнитным телом. Для иллюстрации этого принципа рассмотрим поведение постоянного магнита 2, помещенного в поле магнита 1, как это показано на рис. 6. Из курса физики известно, что разноименные полюсы двух магнитов всегда притягиваются, а одноименные — отталкиваются. В соответствии с этим магнит 2 займет положение, при котором его северный полюс будет находиться у южного полюса магнита 1, а южный — у северного. Это положение будет являться равновесным для рассматриваемой системы из двух магнитов.

Рис. 6. Схема синхронного двигателя.
Рис. 7. Принцип действия асинхронного двигателя.
Отметим при этом очень важное обстоятельство: равновесное положение одновременно соответствует минимальному магнитному сопротивлению на пути магнитного потока и минимальному искривлению силовых линий магнитного поля. Другими словами, магниты стремятся занять такое взаимное положение, при котором линии магнитного поля мало искривляются, а магнитное сопротивление магнитному потоку минимально.
Теперь уже нетрудно выяснить, что будет происходить с магнитом 2, если начать вращать магнит I. Очевидно, он тоже начнет вращаться вместе с магнитом I, стремясь сохранить равновесное положение, причем частоты вращения обоих магнитов будут одинаковы (синхронны). Синхронные двигатели, роторы которых представляют собой постоянные магниты, называются синхронными двигателями с постоянными магнитами.
Такое же синхронное вращение ротора можно получить и в том случае, если вместо постоянного магнита 2 поместить в поле постоянного магнита I ферромагнитное тело такой же формы. Будучи помещенным в магнитное поле, ферромагнитный ротор намагнитится, причем у северного полюса магнита образуется южный полюс, а у южного полюса магнита — северный полюс ферромагнитного тела. Такое положение ферромагнитный ротор будет стремиться сохранить и при вращении магнитного поля, что и обусловливает работу синхронного двигателя с ротором в виде ферромагнитного тела. Такой тип двигателя получил название синхронного двигателя с реактивным ротором. Отметим, что для работы такого двигателя его ротор принципиально должен иметь явно выраженные полюсы, причем их число (не обязательно два) должно быть равно числу полюсов вращающегося магнитного поля.
Образование вращающегося магнитного поля синхронного двигателя реактивного и с постоянными магнитами происходит так же, как и у обычного синхронного двигателя, — с помощью статорной обмотки, подключаемой к сети переменного тока.
Для пояснения принципа работы другого, весьма распространенного типа двигателя переменного тока — асинхронного — вновь обратимся к опытам с рамкой, помещенной в магнитное поле. Однако на этот раз не будем подводить ток к рамке, а сделаем ее замкнутой, как это показано на рис. 7. Выясним, что будет происходить с такой рамкой, если вновь начать вращать полюсы магнита, допустим, с частотой вращения по по часовой стрелке.
Поскольку рамка вначале неподвижна, то при повороте магнита начнет изменяться магнитный поток, проходящий через рамку. Тогда в соответствии с законом электромагнитной индукции (закон Фарадея) в рамке начнет наводиться (индуцироваться) электродвижущая сила (ЭДС) индукции, под действием которой по проводникам рамки начнет протекать ток. Взаимодействие этого тока с магнитным полем приведет к появлению вращающего момента, под действием которого рамка начнет вращаться. В этом и состоит принцип действия асинхронного двигателя.
Для определения направления вращения рамки применим закон Ленца, согласно которому токи, протекающие в рамке при изменений магнитного потока через ее контур, имеют такое направление, при котором они препятствуют этому изменению. А поскольку в проводимом опыте это изменение вызвано вращением магнитного поля, токи в рамке будут иметь такое направление, при котором образующийся вращающий момент будет поворачивать рамку в том же направлении, что и поле, так как только в этом случае будет иметь место уменьшение изменения магнитного потока через контур рамки. Таким образом, рамка начнет вращаться в том же направлении, что и поле, но с частотой вращения п.
Отметим при этом одно принципиально важное обстоятельство — частота вращения рамки п всегда будет несколько меньше частоты вращения магнитного поля п0. Действительно, если предположить обратное, т. е. , что частоты вращения рамки и поля одинаковы, то магнитный поток через контур рамки не будет изменяться, не будут соответственно индуцироваться ЭДС и токи в рамке и вращающий момент исчезнет.
Таким образом, для создания на рамке вращающего момента принципиально необходимо различие между частотами вращения магнитного поля п0 и рамки п, т. е. асинхронность (несинхронность) их вращения, что и нашло свое отражение в названии этого вида электрического двигателя. Степень различия этих частот, вращения численно характеризуется так называемым скольжением асинхронного двигателя s, определяемым по формуле

Необходимо при этом заметить, что при появлении на оси рамки момента нагрузки вследствие уменьшения частоты вращения рамки п (рамка тормозится) увеличится скольжение двигателя и магнитный поток через контур рамки начнет изменяться сильнее. При этом начнут увеличиваться ЭДС и токи в рамке и соответственно вращающий момент двигателя. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока при некоторой частоте вращения рамки вращающий момент рамки не уравновесит момент нагрузки и не наступит новый установившийся режим работы. При снижении нагрузки происходит обратный процесс.
Итак, для работы асинхронного двигателя необходимо иметь вращающееся магнитное поле и замкнутые рамки (контуры) на вращающейся части двигателя — риторе.
Вращающееся магнитное поле асинхронного двигателя (рис. 8) образуется так же, как у синхронного,— с помощью обмоток 2, расположенных в пазах пакета I статора и подключаемых к сети переменного тока.
Обмотки 3 ротора асинхронного двигателя состоят обычно из нескольких десятков замкнутых рамок (контуров) и имеют два основных исполнения: короткозамкнутое и фазное.
При выполнении короткозамкнутой обмотки проводники, уложенные в пазы ферромагнитного пакета 4 ротора, замыкаются накоротко. Обычно такая обмотка получается заливкой расплавленного алюминия в пазы пакета и имеет название «беличья клетка».
При изготовлении «фазной» обмотки концы фаз обмотки выводятся наружу через скользящие контакты (кольца), что позволяет включать в цепь ротора различные добавочные резисторы, необходимые, например, для пуска двигателя или регулирования его частоты вращения.

Рис. 8. Схема асинхронного двигателя.
Необходимо заметить, что для получения вращающего момента асинхронного двигателя не обязательно размещать на роторе обмотку из электрических проводников. Можно изготовить ротор просто в виде сплошного ферромагнитного цилиндра и поместить его в обычный статор асинхронного двигателя. Тогда при подключении обмоток статора к сети и появлении вращающегося магнитного поля в массивном теле ротора будут индуцироваться так называемые вихревые токи (токи Фуко), направление которых также определяется законом Ленца. При взаимодействии этих токов с магнитным полем создается вращающий момент, под действием которого сплошной ротор начинает вращаться по направлению вращения магнитного поля, как и обычный ротор с обмоткой. Такие двигатели получили название асинхронных двигателей с массивным ротором.
Отметим, что вихревые токи возникают, конечно, и 9 сердечнике обычного ротора с обмоткой, однако в этом случае они являются вредными, поскольку вызывают дополнительный нагрев ротора. Обычно их действие стараются ослабить, для чего сердечник ротора собирают (шихтуют) из отдельных изолированных друг от друга листов электротехнической стали, создавая тем самым для вихревых токов большое электрическое сопротивление. В этом случае сердечник часто называют пакетом.
Рассмотренные в этом разделе общие принципы работы двигателей постоянного и переменного тока составляют физическую основу работы и двигателей специального назначения.
Электродвигатели как общего, так и специального назначения характеризуются номинальными данными, к которым относятся мощность на валу двигателя, напряжение, ток, частота вращения, КПД и некоторые другие величины. Основные номинальные данные регламентируются государственными стандартами (ГОСТ) на электрические машины и указываются в паспорте.
Номинальным данным двигателя соответствует нормальный тепловой режим его работы, при котором температура всех частей двигателя не превосходит допустимого уровня. Для обеспечения такого режима двигатель соответствующим образом рассчитывается и имеет систему охлаждения (вентиляции).
По способу охлаждения различают:
двигатели с естественным охлаждением, при котором нет специальных приспособлений для вентиляции;
двигатели с внутренней и внешней самовентиляцией, охлаждение которых осуществляется вентилятором, расположенным на валу двигателя и вентилирующим соответственно внутреннюю полость или внешнюю поверхность двигателя;
двигатели с независимым охлаждением, которые охлаждаются с помощью отдельного вентилятора («наездника»), имеющего собственный привод.
Работа двигателей характеризуется также и некоторыми другими величинами, которые непосредственно не указываются в его паспорте — номинальным моментом, соответствующим номинальным данным двигателя, и пусковыми моментом и током, которые соответствуют моменту пуска (подключения к сети) двигателя. При анализе работы двигателя значения пусковых момента и тока обычно сравнивают с соответствующими номинальными значениями. Момент и ток двигателя при пуске не должны превосходить определенных допустимых значений, определяемых условиями нагрева двигателя и нормальной работы его коллекторно-щеточного узла.




 

25 вопрос

Магнитный поток, создаваемый током какого-либо витка при отсутствии намагничивающих сред (например, в воздухе), пропор­ционален величине тока:

где L — коэффициент пропорциональности, называемый индук­тивностью.

Единица измерения индуктивности — генри (гн): 1гн =103 мил­лигенри (мгн) == 106 микрогенри (мкгн).

Индуктивность катушек зависит от числа витков, размера и формы катушек.

Цепями с большой индуктивностью являются обмотки генера­торов, электродвигателей, трансформаторов, индукционных катушек и т. п. Значительно меньшей индук­тивностью обладают прямолинейные про­водники.

Короткие прямолинейные проводни­ки, нити ламп накаливания, спирали электронагревательных приборов прак­тически не обладают индуктивностью.

На практике часто встречаются слу­чаи, когда нужно изготовить катушку, не обладающую индуктивностью (доба­вочные сопротивления к электроизмери­тельным приборам, сопротивление штепсельных реостатов и т. п.). В этом случае применяют бифилярную намотку катушки (рис. 101). Для этого проволоку перед намоткой сгибают вдвое и в таком виде навивают ее. Магнитный поток и индук­тивность катушки с бифилярной намоткой равны нулю.

Пусть мы имеем контур, состоящий из одного витка. В этом случае величина э. д. с. самоиндукции будет

 

Если ток в контуре изменился на Д/, то магнитный поток изменится на величину ΔФ:

Величина э. д. с. самоиндукции, которая возникнет в контуре, будет

Последнее выражение показывает, что величина э. д. с. самоин­дукции зависит от индуктивности контура и скорости изменения тока в контуре. Заменив буквенные выражения единичными вели­чинами, получим

Отсюда можно дать определение единицы индуктивности —• генри: индуктивностью в 1 генри обладает электрическая цепь, в которой при скорости изменения тока на 1 ампер в 1 секунду возникает э. д. с. самоиндукции, равная 1 вольту.

Отдельные витки катушки в общем случае могут пронизываться различными магнитными потоками, поэтому общая э. д. с. катушки будет равна сумме э. д. с. отдельных витков:

 


Сумма магнитных потоков, сцепленных со всеми витками ка­тушки, называется потокосцеплением и обозначается буквой ψ:

Поэтому выражение индуктивности катушки, состоящей из т витков, в отличие от индуктивности контура с ω = 1 будет:

Определим индуктивность кольцевой катушки. Выше нами было найдено выражение для магнитного потока кольцевой катушки:

 

Так как магнитный поток такой катушки сцеплен со всеми витками, то

 

откуда

С достаточной для практики точностью ту же самую формулу можно применять индуктивности цилиндрической катушки (соленойда).


 

26 вопрос

Представим себе два параллельных проводника аб и вг , расположенных на близком расстоянии один от другого. Проводник аб подключен к зажимам батареи Б; цепь включается ключомК, при замыкании которого по проводнику проходит ток в направлении от а к б. К концам же проводника вг присоединен чувствительный амперметрА, по отклонению стрелки которого судят о наличии тока в этом проводнике.

Если в собранной таким образом схеме замкнуть ключ К, то в момент замыкания цепи стрелка амперметра отклонится, свидетельствуя о наличии тока в проводникевг;
по прошествии же небольшого промежутка времени (долей секунды) стрелка амперметра придет в исходное (нулевое) положение.

Размыкание ключа К опять вызовет кратковременное отклонение стрелки амперметра, но уже в другую сторону, что будет указывать на возникновение тока противоположного направления.
Подобное отклонение стрелки амперметра А можно наблюдать и в том случае, если, замкнув ключ К, приближать проводник аб к проводнику вг или удалять от него.

Приближение проводника аб к вг вызовет отклонение стрелки амперметра в ту же сорону, что и при замыкании ключа К, удаление проводника аб от проводника вг повлечет за собой отклонение стрелки амперметра, аналогичное отклонению при размыкании ключа К.

При неподвижных проводниках и замкнутом ключе К ток в проводнике вг можно вызвать изменением величины тока в проводнике аб.
Аналогичные явления происходят и в том случае, если проводник, питаемый током, заменить магнитом или электромагнитом.

Так, например, на рисунке схематически изображена катушка (соленоид) из изолированной проволоки, к концам которой подключен амперметр А.

Если внутрь обмотки быстро ввести постоянный магнит (или электромагнит), то в момент его введения стрелка амперметра Аотклонится; при выведении магнита будет также наблюдаться отклонение стрелки амперметра, но в другую сторону.

Электрические токи, возникающие при подобных обстоятельствах, называются индукционными, а причина, вызывающая появление индукционных токов, электродвижущей силой индукции.

Эта эдс возникает в проводниках под действием изменяющихся магнитных полей,
в которых находятся эти проводники.
Направление эдс индукции в проводнике, перемещающемся в магнитном поле, может быть определено по правилу правой руки, которое формулируется так:

Если правую руку расположить ладонью к северному полюсу так, чтобы большой отогнутый палец показывал направление движения проводника, то четыре пальца будут указывать направление эдс индукции.

Направление индукционного тока, а следовательно, и эдс индукции определяют также по правилу Ленца, которое формулируется следующим образом:

Эдс индукции имеет всегда такое направление, что созданный ею индукционный ток препятствует причине, ее вызывающей. Величина эдс индукции, возникающей в замкнутом проводнике, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур этого проводника.

Таким образом, если магнитный поток, пронизывающий контур замкнутого проводника, уменьшился на величину Ф в течение t секунд, то скорость уменьшения магнитного потока равна Ф/t.

Это отношение и представляет собой величину эдс индукции е, т. е.
е = -Ф/t.
Знак минус указывает на то, что ток, созданный эдс индукции, препятствует причине, вызвавшей эту здс.

Возникновение эдс индукции в замкнутом контуре происходит как при движении этого контура в магнитном поле, так и при изменении магнитного потока, пронизывающего неподвижный контур.
Если контур имеет витков, то индуктированная эдс
e = - Ф/t.

Произведение числа витков и магнитного потока, пронизывающих их, называется потокосцеплением =Ф, следовательно, индуктированная в катушке эдс
е = - Ф/t = - /t.

Эта формула, выражающая закон электромагнитной индукции, является исходной для определения эдс, индуктируемых в обмотках электротехнических машин и аппаратов.
Когда контур охватывается лишь частью магнитного потока, величина эдс индукции зависит от скорости изменения не всего потока, а лишь части его.

Допустим, что прямоугольный замкнутый контур абвг, стороны которого равны l и h, находится в магнитном поле, магнитная индукция которого во всех точках равна
В (Тл) и направлена за плоскость рисунка.

Пусть контур, оставаясь в плоскости рисунка, перемещается с равномерной скоростью сверху вниз и в течение t с выходит за пределы магнитного поля.

Замкнутый контур, перемещающийся в магнитном поле

Так как контур абвг перемещается вниз, то магнитный.поток, пронизывающий контур, уменьшается. Следовательно, направление эдс индукции совпадает с вращательным движением рукоятки буравчика, ввинчиваемого вдоль магнитных линий, т. е. по часовой стрелке.

Величина этой эдс индукции определится из следующих соображений.
Площадь, ограниченная контуром проводника, S=lh.
Магнитный поток, пронизывающий контур проводника, Ф=BS.
Чтобы уйти за пределы магнитного поля, т. е. чтобы изменить магнитный поток от Ф до нуля или на величину Ф=Ф, требуется, чтобы t=t.

Следовательно, Е=Ф/t =Ф/tилиE=Blh/t.

Частное от деления пути h, пройденного проводником, на время t представляет собой скорость движения этого проводника. Обозначив ее буквой v, получим E=Blv.

Если в этой формуле магнитная индукция В выражена в теслах, длина l — в метрах и скоростьv— в метрах на секунду (м/с), то эдс индукции выражается в вольтах.

Эта формула справедлива лишь в том случае, если проводник перемещается в магнитном поле в направлении, перпендикулярном магнитным силовым линиям этого поля.
Если проводник пересекает магнитные линии под каким-либо углом, то
E=Blv sin ,
где — угол между направлением движения проводника и направлением вектора магнитной индукции (магнитных линий).


 

ЭЛЕКТРОНИКА

1 вопрос

ЭЛЕКТРОНЫ В АТОМЕ. ЭЛЕКТРОНЫ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ

Все вещества по электрофизическим свойствам делятся на три больших класса: металлы, диэлектрики, полупроводники.

У металлов удельное электрическое сопротивление ρ находится в пределах 10-6 — 10-4Ом·см (например, для серебра при комнатной температуре ρ=1,58·10-6Ом·см, для сплава нихром ρ=1,05·10-4Ом·см). Вещества с удельным сопротивлением более 1010Ом·см являются диэлектриками (например, при 200°С для слюды в зависимости от ее состава ρ=1013 — 1016Ом·см, для стекла ρ=108 — 1015Ом·см). Удельное сопротивление хороших изоляторов превышает 1016Ом·см. Вещества с удельным сопротивлением от 10-4 до 1010Ом·см были отнесены к полупроводникам (например, удельное сопротивление германия при комнатной температуре лежит в пределах от 10-4 до 47Ом·см, а кремния - от 10-4 до 25·105Ом·см). Полупроводники плохо проводят электричество, их нельзя использовать для соединительных проводов и кабелей, но в то же время они создают слишком большие утечки, препятствующие их использованию для изготовления линейных изоляторов и установочной арматуры, и очень широко применяются в полупроводниковой электронике (диоды, транзисторы, термисторы, фотоэлементы и т.д.).

Хотя различие в электрических свойствах веществ было известно очень давно, только квантовая механика смогла объяснить,


почему свойства материалов оказываются настолько различными. Действительно, все твердые тела состоят из положительно заряженных атомных ядер и окружающих их электронов, причем число электронов на атом в изоляторе может быть даже больше, чем в металле. Расстояния между ближайшими атомами и в изоляторах и в проводниках также примерно одинаковы. Например, в кристалле меди расстояние между ближайшими атомами d = 2,56 А, а в алмазе - 1,54 А. В то же время электропроводность меди более чем на 20 порядков превышает электропроводность алмаза. Почему же многие вещества являются изоляторами? Причиной этого является, то, что в твердом теле, так же как и в отдельном атоме, элек­троны не могут иметь произвольную энергию.

Электроны в изолированном атоме, как показывает квантовая теория, могут находиться в определенных состояниях движения, могут иметь строго определенные значения энергии (рис.1). Атомы

 
   


различных элементов отличаются своими системами энергетических уровней, т.е. энергетическими спектрами.

Энергетический спектр атома состоит из серий линий, разделенных запрещенными промежутками. Энергии дозволенных состояний движения изображаются горизонтальными прямыми на вертикальной шкале энергий. Если говорят, что электрон находится на таком-то уровне, то подразумевают, что электрон находится в атоме в


определенном состоянии движения, изображаемом на шкале энергии этим уровнем. Электроны, расположенные ближе к ядру, характеризуются меньшей энергией в атоме по сравнению с более удаленными. В соответствии с их состояниями электроны распределяются по определенным оболочкам вокруг ядра. Обычно распределение электронов по уровням в атоме таково, что атом обладает минимальной (из всех возможных значений) энергией, т.е. электроны стремятся расположиться на более близких от ядра оболочках. Электроны, находящееся на полностью заполненных в соответствии с принципом Паули электронных оболочках, связаны с ядром атома особенно прочно. Они называются внутренними электронами. Электроны внешней (как правило, частично заполненной) оболочки называются валентными.

Распределение электронов по энергиям в атоме натрия (в периодической системе Д.И. Менделеева порядковый номер 11) показано на рис.1: два электрона находятся в состоянии с наименьшей энергией - на уровне 1s (1-я электронная оболочка), восемь электронов располагаются на уровнях 2s и 2p (2-я электронная оболочка), один электрон - на уровне 3s (3-я электронная оболочка), т.е. у атома натрия 10 внутренних электронов и один валентный электрон.

Атом кремния Si имеет 14 электронов, германия Gе - 32 электрона, которые распределены по состояниям следующим образом:

Si(14) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2

Ge(32) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 4p2.

У этих атомов последняя (верхняя) оболочка заполнена частично, на ней находится по четыре валентных электрона, имеющих наибольшую энергию. Именно они и определяют электропроводность кремния и германия.

Дискретность уровней отчетливо проявляется на спектрах разреженных газов, которые состоят из отдельных узких линий, при этом каждый газ имеет свой специфический спектр.

В нормальном (невозбужденном) состоянии атома электроны должны располагаться на самых низких (наиболее выгодных) энергетических уровнях.

В невозбужденном состоянии атом находится до тех пор, пока какие-либо внешние воздействия (тепло, свет, электрическое поле, удары частиц и другие причины) не сообщат ему добавочную энергию. При передаче добавочной анергии атому какой-нибудь из

электронов может перейти на более высокий разрешенный энергетический уровень при оставшемся свободном более низком уровне, на котором он находился до этого. Такое состояние атома называется возбужденным. В этом состоянии атом и связанный с ним электрон находятся в течение малого промежутка времени, а затем самопроизвольно переходят в состояние с меньшей энергией. При этом электрон возвращается на незаполненный нижний уровень, высвобождая обычно в виде электромагнитного излучения энергию, затраченную ранее на возбуждение. Излучение квантов с частотой видимого света наблюдается, например, в работающих светодиодах, электронно-лучевых, газоразрядных и других приборах. При сообщении очень большой энергии электрон может оторваться от атома и стать свободным, т.е. электрон может перемещаться независимо от атома с любой скоростью и обладать любой энергией. Процесс отрыва и удаления одного или нескольких электронов от атома или молекулы называется ионизацией. При этом атом или молекула, потерявшие один или несколько электронов, становятся положительными ионами. В определенных условиях нейтральный атом или молекула могут захватить лишний электрон и превратиться в отрицательный ион. Процесс перехода иона к нейтральному состоянию путем присоединения недостающего электрона или потери лишнего называется деионизацией.

В твердом теле соседние атомы настолько близки друг с другом, что их внешние оболочки соприкасаются и даже перекрываются. В этом случае на электроны действует не только ядро собственного атома, но и ядра соседних атомов. Притягивая электрон, ядра будут ослаблять связь его в атоме, в результате чего изменяется характер движения электронов. Это приводит к изменению энергетического спектра электронов: к смещению уровней и к расщеплению их в энергетическую зону. Вместо узких уровней отдельного атома в твердом теле образуются широкие энергетические зоны, число уровней в которых равно числу атомов в данном твердом теле. Порядок расположения уровней на энергетической диаграмме твердого тела может не соответствовать порядку расположения энергетических уровней в атоме. В твердом теле электроны перераспределяются в соответствии с принципом Паули, т.е. все нижние уровни энергетического спектра заняты.

Рассмотрим процесс образования металла натрия. При сближении N атомов до расстояний d , равных междуатомным (d0≈10-8 см), из-за взаимодействия с соседними атомами уровни

расщепляются, образуются зоны разрешенных значений энергий, между которыми находятся запрещенные зоны (рис.2). Для кристалла с междуатомным расстоянием d0 получается зонная энергетическая диаграмма (рис.2,а), где по оси X отложена координата электрона

           
     
           
       
           
     
           
       
           
       

 

 
   

 


в кристалле. В идеальном кристалле электрон не может иметь энергию, соответствующую запрещенной зоне. Для глубоких уровней расщепление невелико, так как находящиеся на них внутренние электроны сильнее связаны с ядром собственного атома и экранируются внешними оболочками (электронами), т.е. практически не взаимодействуют с соседними атомами. На валентные электроны, более удаленные от ядра и слабее с ним связанные, влияние соседних атомов будет значительным, так как в твердых телах расстояние между соседними атомами d0 имеет тот же порядок, что и размеры электронных оболочек. Для внешних валентных оболочек расщепление может составлять несколько электронвольт. При абсолютном нуле температуры электроны заполняют самые нижние энергетические уровни, где их энергия минимальна. Согласно принципу Паули максимальное число

электронов, которые могут находиться на данном уровне, ограничено. Поэтому электроны заполняют несколько нижних зон. Верхняя из полностью заполненных электронами разрешенных зон, при абсолютном нуле температуры занятая валентными электронами, называется валентной, а следующая за ней незаполненная - зоной проводимости.

В зоне энергетических уровней натрия, которая образовалась при расщеплении уровня 3s, на каждом уровне могут располагаться по два электрона, поэтому N валентных электронов в кристалле будут находиться в нижней половине этой зоны по два на каждом уровне - это и есть валентная зона. К ней примыкает (это характерно для металлов) незаполненная при абсолютном нуле температуры зона разрешенных энергетических уровней - зона проводимости.

Для возникновения тока необходимо упорядоченное движение электронов. Силы поля должны ускорять электроны, движущиеся в одном направлении, и замедлять электроны, движущиеся в обратном направлении. Но ускорение или замедление электронов сопровождается неизбежно изменением их энергий, т.е. переходом с одних уровней на другие. Электропроводность в твердом теле возможна лишь тогда, когда возможен переход электрона на другой энергетический уровень. Это означает, что в проводимости могут участвовать электроны только тех зон, где есть свободные уровни, а при температуре абсолютного нуля они имеются лишь в самой верхней разрешенной зоне - зоне проводимости.

Так как в процессах электропроводности и в химических реакциях принимают участие валентные электроны, то в дальнейшем при рассмотрении твердых тел зоны энергетических уровней, занятые внутренними электронами, приниматься во внимание не будут (внутренние электроны сильно связаны с ядром и не влияют на проводимость кристалла).

Электропроводность твердых тел зависит от взаимного расположения зоны проводимости и валентной зоны. Именно по характеру энергетических диаграмм твердые тела более четко разделяются на проводники (металлы), полупроводники и диэлектрики (изоляторы) (рис.3).

В металлах зона проводимости и валентная зона перекрываются, электроны валентной зоны могут легко переходить в зону проводимости независимо от температуры тела. В зоне проводимости электроны принадлежат всему твердому телу и свободно внутри него перемещаются.

Проводящее состояние в металле является обычным. Число электронов проводимости во всех металлах имеет порядок 1022в 1см3 и не зависит от температуры, в то время как

величина электрического сопротивления различных металлов изменяется в десятки раз и зависит от температуры.

Удельное сопротивление металла

, (1)

где σ- удельная электропроводность; е- заряд электрона; μn-подвижность электронов.

Подвижность электронов μn -коэффициент пропорциональности между скоростью упорядоченного движения электронов и напряженностью электрического поля (численно равна той средней упорядоченной скорости, с которой движутся электроны в данном теле при напряженности поля, равной 1 В/см). Так как во всех металлах число свободных электронов примерно одинаково, то величина сопротивления определяется главным образом значением подвижности электронов, которая, в свою очередь,

зависит от строения кристаллической структуры металла, её упорядоченности. Подвижность уменьшается при возрастании температуры (увеличиваются тепловые колебания решетки), увеличении содержания примесей, нарушающих упорядоченность кристаллической решетки (больше торможений электронов). Поэтому сопротивление металлов возрастает при увеличении температуры, а сопротивление сплавов всегда больше сопротивления металлов, из которых он составлен.

В диэлектриках и полупроводниках между валентной зоной и зоной проводимости есть область значений энергий, которыми не могут обладать электроны в кристалле (запрещённая зона). Минимальное расстояние между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны называют шириной запрещенной зоны (ΔW).

Ширина запрещенной зоны ΔW - один из важнейших параметров материала, определяющий его электрические свойства (указывается в электронвольтах). Чем больше число оболочек в атоме, тем меньше ширина запрещенной зоны, тем слабее валентные электроны связаны с ядром.

В отличие от металлов при нулевой температуре у изоляторов и полупроводников зона проводимости пуста, электропроводность отсутствует.

В диэлектрике и при обычных условиях электроны практически не попадают в зону проводимости, поэтому такое вещество не проводит электрического тока и обладает большим сопротивлением. Плотность электронов проводимости в хороших диэлектриках при комнатной температуре на 1 см3 составляет всего 1-100 электронов против 1022 в проводниках, поэтому сопротивление диэлектриков в 1022—1023 раз выше сопротивления металла. Сопротивление диэлектрика зависит от ширины запрещенной зоны и температуры. Чем меньше ширина запрещенной зоны и выше температура, тем больше число тепловых возбуждений (больше забросов из валентной зоны в зону проводимости) и меньше сопротивление диэлектрика. Изоляционные свойства диэлектрика ухудшаются при возрастании температуры.

Полупроводники по величине удельной электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами и имеют обширную область значений. Их удельная проводимость сильно зависит от температуры и концентрации примесей, а во многих случаях и от различных внешних воздействий (света, электрического поля и т.д.).

Для производства полупроводниковых приборов необходимы материалы с определенной величиной ширины запрещенной зоны ΔW, чтобы обеспечить электропроводность в заданном диапазоне рабочих температур прибора.

ПОЛУПРОВОДНИКИ

Полупроводники - наиболее распространенная в природе группа веществ. К ним относят химические элементы: бор (В), углерод (С), кремний (Si), фосфор (Р), сера (S), германий (Ge), мышьяк (As), селен (Se), олово (Sn), сурьма (Sb), теллур (Те), йод (I); химические соединения типа АI ВVII, АIII ВV, АIV ВIV, AI BVI, AII BVI (GaAs, GeSi, CuO, PbS, InSb и другие); большинство природных химических соединений - минералов, число которых составляет около двух тысяч; многие органические вещества. Наиболее подходящими для производства полупроводниковых приборов считаются германий и кремний. Бор, фосфор, мышьяк, сурьма, индий, галлий, алюминий используются в качестве примесей.

Германий встречается в сернистых минералах, некоторых силикатах и карбонатах, а также в каменных углях и богатых углем породах. Содержание германия в земной коре — 7·10-4 %. Для полупроводниковых приборов необходим германий, почти не содержащий примесей других элементов. На 108 его атомов лишь один может быть чужеродным, но и то не любым, а принадлежащим к группе определенных "легирующих" элементов (чаще всего Sb, As, Ga, In). Поэтому производство германия представляет известную сложность.

Кремний - наиболее распространенный (после кислорода) элемент, но в чистом виде он не встречается. Давно известным соединением является его двуокись SiO2. Твердая земная кора содержит по массе 27,6% Si и состоит более чем на 97% из природных силикатов, т.е. солей кремниевых кислот, а также двуокиси кремния SiO2 преимущественно в виде кварца. Для производства полупроводниковых приборов необходим также очень чистый кремний. Получение чистых кристаллов кремния еще более сложно, чем кристаллов германия. Кремний имеет высокую температуру плавления (около 1500ºС) и в расплавленном состоянии очень высокую химическую активность. Это повышает технологические трудности получения чистых кристаллов и легирования их нужными примесями. Поэтому чистый кремний, как и германий, довольно дорогой элемент.

При комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении ширина запрещенной зоны германия Ge достаточной степени чистоты равна 0,67 эВ, кремния Si - 1,12 эB, арсенида галлия

GaAs - 1,43 эВ, антимонида индия InSb - 0,18 эВ.

Кремний и германий представляют собой кристаллы с регулярной структурой. Кристаллическая решетка кремния и германия называется тетраэдрической, или решёткой типа алмаза (рис.4).


 

2 вопрос

Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход (p — n-переход), область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной n к дырочной p). Поскольку в р-области Э.-д. п. концентрация дырок гораздо выше, чем в n-области, дырки из p -области стремятся диффундировать в электронную область. Электроны диффундируют в р-область. Однако после ухода дырок в p-области остаются отрицательно заряженные акцепторные атомы, а после ухода электронов в n-области — положительно заряженные донорные атомы. Т. к. акцепторные и донорные атомы неподвижны, то в области Э.-л. п. образуется двойной слой пространственного заряда — отрицательные заряды в р-области и положительные заряды в n -области (рис. 1). Возникающее при этом контактное электрическое поле по величине и направлению таково, что оно противодействует диффузии свободных носителей тока через Э.-д. п.; в условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения полный ток через Э.-д. п. равен нулю. Т. о., в Э.-д. п. существует динамическое равновесие, при котором небольшой ток, создаваемый неосновными носителями (электронами в р-области и дырками в n-области), течёт к Э.-д. п. и проходит через него под действием контактного поля, а равный по величине ток, создаваемый диффузией основных носителей (электронами в n-области и дырками в р-области), протекает через Э.-д. п. в обратном направлении. При этом основным носителям приходится преодолевать контактное поле (потенциальный барьер). Разность потенциалов, возникающая между p- и n-областями из-за наличия контактного поля (контактная разность потенциалов или высота потенциального барьера), обычно составляет десятые доли вольта.


Дата добавления: 2015-04-21; просмотров: 62; Нарушение авторских прав







lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2022 год. (0.071 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты