Министерство образования Российской Федерации

Волжский филиал МАДИ (ГТУ)

Факультет Транспортное машиностроение

Кафедра электротехники и электрооборудования

Кузин Н. П.

Элементы электроники

(конспект лекций)

Чебоксары 2010

Программа курса

Основные понятия электротехники и электроники

Объекты изучения:

1. электрическое поле (напряженность, потенциал, разность потенциалов);

2. электрический ток (сила тока, плотность тока);

3. электрическое напряжение;

4. электрическая мощность;

5. магнитное поле (напряженность);

6. магнитный поток (индукция);

7. электродвижущая сила.

Фундаментальные законы электротехники и электроники

Объекты изучения:

1. закон Ома;

2. закон Ампера;

3. законы Кирхгофа;

4. закон Фарадея;

5. законы Максвелла;

6. закон (правило) Лоренца;

7. закон (правило) Ленца.

Базовые элементы электроники

Пассивные линейные элементы электроники

Объекты изучения:

1. резисторы;

2. конденсаторы;

3. индуктивности;

4. трансформаторы;

5. дроссели.

Пассивные нелинейные элементы электроники

Объекты изучения:

1. диоды;

2. стабилитроны.

Активные нелинейные элементы электроники

Объекты изучения:

1. транзисторы;

2. тиристоры.

Соединения элементов и цепи

Объекты изучения:

1. параллельное соединение элементов;

2. последовательное соединение элементов;

3. комбинированное соединение (разветвленные цепи).

Лекция 1

Введение

Электронное устройство - это изделие, состоящее из отдельных электронных функциональных узлов, каждый из которых выполняет определенную операцию. Функциональный узел состоит из пассивных и активных элементов, соединение которых образует электрическую схему.

Исторически в развитии технической электроники можно выделить три основных этапа: ламповая электроника, полупроводниковая электроника, микроэлектроника (интегральная микросхема).

Ламповая электроника, как раздел электроники, берет начало с XIX века, когда создали первую лампочку накаливания, это послужило началом изучения электронных явлений (термоионная и фотоэлектронная эмиссия).

Применение полупроводниковых приборов позволило в несколько раз уменьшить габаритные размеры электронных устройств, повысить надежность работы, снизить потребляемую мощность.

Интегральная микросхема – это законченный функциональный узел, выполненный на единой несущей конструкции – подложке, в едином технологическом процессе и выполняющий определенную функцию преобразования информации.

Компоненты электронной техники делятся на активные и пассивные.

Активные элементы способны усиливать, обрабатывать и преобразовывать сигналы. Пассивные - накапливать или расходовать энергию сигнала. Элемент электрической схемы, имеющий определенное функциональное назначение и имеющий выводы для соединения с другими элементами, называется деталью радиоэлектронного устройства, или радиодеталью. С помощью этих приборов можно, преобразовать электрическую энергию по форме, величине и частоте тока или напряжения. С помощью электронных приборов, удается преобразовать неэлектрическую энергию в электрическую и наоборот (фотоэлементы, терморезисторы, пьезоэлементы и т.д.).

Основными компонентами электронной техники являются:

1. Резисторы;

2. Конденсаторы;

3. катушки индуктивности и дроссели;

4. Трансформаторы;

5. коммутационные устройства;

6. электровакуумные приборы;

7. приборы отображения информации;

8. полупроводниковые приборы;

9. акустические приборы;

10. антенны;

11. пьезоэлектрические приборы;

12. линии задержки;

13. источники тока;

14. предохранители и разрядники;

15. электродвигатели;

16. лампы накаливания,

17. элементы цифровой техники;

18. элементы аналоговой техники;

19. провода, кабели, волноводы.

Основные законы электричества

Молеку­ла - это мельчайшая частица вещества, которую можно считать его частью. Разбиение молекул приводит к атомам, которые являются мельчай­шими частицами материи. Химический элемент это вещество, которое включает атомы только од­ного определенного рода.

Рис. 1.1. Модель атома

Атом состоит из центрального ядра, образован­ного из протонов и нейтронов. Вокруг ядра распо­ложены орбиты электронов, которые напоминают орбиты планет, вращающихся вокруг Солнца. Атом имеет равное количество положительных и отрицательных зарядов и, следовательно, электри­чески нейтрален. Нейтрон - частица ядра, не име­ющая заряда. Протон — другая частица ядра, и он заряжен положительно. Нейтрон - электрически нейтрален, а протон положителен, из чего следует, что ядро атома заряжено положительно. Электрон частица, заряженная отрицательно. Он дви­жется по орбите вокруг ядра и удерживается на ор­бите благодаря притяжению положительного заряда ядра. Все электроны в любом атоме одинаковы. Когда атомы находятся в равновесном электри­ческом состоянии, число электронов, вращающих­ся вокруг ядра, равно числу протонов в ядре. Атомы некоторых веществ имеют электроны, легко поки­дающие «родительское» ядро, что, таким образом, делает их способными присоединяться к другим смежным атомам. В этом процессе смежные атомы за счет отталкивания зарядов перемещают электро­ны от одного атома к другому, и в результате элект­роны движутся через вещество. Движение это случайное, а такие «сорванные» электроны называются свободными электронами.

Вещество называется проводником, если его электроны могут перемещаться. В некоторых ве­ществах оторвать электроны от родных атомов крайне затруднительно. Такие вещества называют изоляторами.

Движение электронов в ускоряющем электрическом поле

Рассмотрим однородное электрическое поле с напря­женностью Е = U/d (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Однородное электрическое поле

На единичный заряд, помещенный в электрическое поле, действует сила F, равная по величине напряженности этого поля Е, т. е. F = Е. Заряд электро­на по модулю равен е = 1,6 • 10^-19 Кл. Действующую на электрон е силу можно вычислить по формуле

F = - еЕ.

Знак «-» показывает, что сила F, действующая на электрон, направлена против линии напряженности электрического поля Е. Под действием данной силы электрон будет двигаться равноускоренно и приобретет максимальную скорость в конце пути. Ускоряющим электрическим полем называют такое поле, у которого линии напряженности направлены навстречу вектору начальной скорости электрона V₀. Работа А по перемеще­нию электрона из одной точки поля в другую равняется произведению заряда электрона на разность потенциалов U между этими точками,

А = Fd = еЕd = eUd/d = е U.

Данная работа затрачивается на сообщение электрону кинетической энергии W_к,

W_к = m (V – V₀)²/2

где V - скорость электрона в конечной точке перемещения;

V₀ - скорость электрона в точке начала движения;

m - масса электрона, со­стоянии покоя, равная 91 • 10^-29 г.

Если электрон находится в электрическом поле в со­стоянии покоя, такое поле называют электростатическим. Предположим, что начальная скорость электрона равна 0, то есть V₀ = 0.

Работа по перемещению электрона равна кинетичес­кой энергии электрона,

А = W_к.

Вместо обозначения работы А равное ей произведение еU. Учитывая, что мы приняли равной 0 начальную скорость электрона, можем упростить формулу нахождения кинетической энергии, записав W_к = mV²/2. Теперь можно записать равенс­тво работы по перемещению заряда и его кинетической энергии в следующем виде,

eU = mV²/2.

Cкоростm электрона в конечной точке.

Так как заряд электрона е и его масса m являются константами, то

V = 600√U.

Из данной формулы видно, что скорость электрона в электрическом поле определяется только величиной напряжения между двумя точками поля.