книги из ГПНТБ / Филаткин К.М. Радиометрист штурманский учеб. пособие

а там, гДе он был до этого, образуется пустое место,

вободились от междуатомпых связей вдали от по­

В' «дырки», образующиеся вблизи отрицательного полю­ са, проникают также электроны с этого полюса.

Таким образом, мы видим движение электронов от отрицательного полюса к положительному, а «дырок» — наоборот. Для повышения электропроводимости полу­ проводника в его структуру вводят небольшое количе­ ство атомов другого вещества.

В зависимости от структуры атомов примесей про­ водимость полупроводника может быть либо электрон­ ной, либо «дырочной». Если в кристалл германия ввести один атом сурьмы, который имеет во внешнем слое электронной оболочки пять электронов, то он четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон атома сурьмы окажется лишним и станет свободным. Чем больше введем атомов сурьмы, тем больше будет свободных электронов.

Если теперь к такому полупроводнику приложить электрический потенциал, то «дырки» в таком полупро­ воднике могут не образовываться, однако ток потечет через него вследствие движения свободных отрицатель­ ных зарядов-электронов.

Если в атом германия ввести атом индия, во внеш­ ней оболочке которого имеется только три электрона, то одна междуатомная связь .заполнена не будет, т. е. об­ разуется «дырка». Чтобы в таком полупроводнике элек­ троны могли двигаться, валентные связи между атома­ ми должны обязательно разрушаться. Полупроводники с электронной проводимостью 'называют с /г-типа про­ водимостью, а с «дырочной» — д-типа проводимостью. Все полупроводники под действием приложенного на­ пряжения хорошо проводят ток в одном направлении (прямой ток) и плохо — в обратном направлении (об-

31

ратный ток). Эти свойства полупроводников широко ис­ пользуются в современной радиоэлектронике.

§3. Тепловые действия электрического тока

В1&44 году русский ученый Ленц и английский уче­ ный Джоуль опытным путем установили следующую зависимость: количество тепла, выделяемое в провод­ нике при прохождении тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и вре­ мени прохождения тока

Q=I'2Rt,

где Q — количество тепла (джоуль); I — сила тока (ампер);

R — сопротивление (ом); t — время (сек).

Эта зависимость получила название закона Джоу­ ля—Ленца. Она отражает закон сохранения энергии при преобразовании электрической энергии в тепловую.

Электрический ток, проходя по проводникам, совер­ шает вполне определенную работу. При этом источник тока-затрачивает электрическую энергию, которая пре­ вращается в какой-либо другой вид энергии — тепло­ вую, световую, механическую и т. д. Работа, совершае­ мая электрическим током в цепи при переносе единицы количества электричества, численно равна падению на­ пряжения в цепи или просто напряжению на зажимах цепи. Следовательно, если при напряжении U вольт на зажимах цепи через проводник цепи пройдет коли­ чество электричества Q кулонов, то работа А электри­ ческого тока или энергия W, затраченная на совершение этой работы, будет равна A = W=UQ. Так как Q=It, то Л = Ult.

Для практических целей пользуются не работой, а

32

Мощность измеряется в ваттах. 1 ватт=1 вольтX XI ампер.

Не вся мощность источника тока расходуется в элек­ трической цепи полезно, т. е. затрачивается в потреби­ теле на совершение работы. Часть мощности источника теряется в проводах и вспомогательных элементах цепи на их нагрев. Коэффициентом полезного действия (ч\) электрической цепи называют отношение полезной мощ­ ности (Р2), затрачиваемой на потребление электричес­

тока наиболее характерными являются: режим холосто­ го хода, номинальный режим и короткое замыкание.

Режимом холостого хода называется состояние или, как иногда не совсем точно говорят, работа источника тока при разомкнутой внешней цепи. В этом режиме изза отсутствия тока источник не затрачивает никакой мощности.

Номинальным режимом называется такой режим ра­ боты, для которого предназначен источник электричес­ кой энергии. Данные номинального режима указываются в техническом паспорте источника тока.

Коротким замыканием называется такой режим ра­

сопротивление равно нулю). Данный режим характери­ зуется следующими особенностями:

— ток в цепи ограничивается только внутренним со­ противлением источника и может достигнуть значитель­ ной величины;

—напряжение на зажимах источника равно нулю;

—вся э.д.с. источника расходуется на преодоление внутреннего сопротивления источника;

—■мощность во внешней цепи равна нулю, поэтому вся мощность затрачивается внутри самого источника.

Большая потеря мощности внутри источника приво­ дит к его перегреву. Поэтому короткое замыкание опас-

Но для источника. От коротких замыканий электрические цепи предохраняются защитными устройствами, работа которых основана на тепловом действии электрического тока. К таким устройствам относятся предохранители. Главным элементом предохранителя является плавкая вставка, роль и назначение которой при больших токах в цепи перегорать и тем самым обрывать цепь.

§ 5. Сложная электрическая цепь

Кроме простых электрических цепей, в электротех­ нике часто встречаются сложные или разветвленные це­ пи. Для расчета сложных цепей, кроме законов, рас­ смотренных в предыдущих параграфах, широко исполь­ зуются законы Кирхгофа.

Первый закон Кирхгофа определяет соотношение между токами в точке разветвления цепи. Он формули­ руется следующим образом: «Сумма токов, подходящих к любому узлу, равна сумме токов, отходящих от этого узла».

Второй закон Кирхгофа определяет соотношение между э.д.с. источников и падением напряжения в замк­ нутой цепи с последовательно включенными потребите­ лями и источниками электрической энергии. В соответст­ вии со вторым законом Кирхгофа можно сказать, что: «Во всяком контуре замкнутой электрической цепи ал­ гебраическая сумма электродвижущих сил равна алге­ браической сумме падений напряжений».

§6. Соединение потребителей

Всложной цепи потребители могут быть включены последовательно, параллельно или смешанно.

Последовательным соединением сопротивлений на­ зывается такое соединение, при котором конец первого сопротивления соединяется с началом второго, конец второго с началом третьего и т. д. Последовательное соединение сопротивлений характеризуется следующими закономерностями: по всем сопротивлениям проходит один,и тот.же ток; общее напряжение, подводимое к се­ ти, уравновешивается суммой падений напряжений на каждом из сопротивлений; общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений всех участков цепи.

34

Параллельным соединением сопротивлений называет­ ся такое соединение, при котором начало сопротивле­ ний присоединено к одной общей точке, а концы — к другой. При параллельном соединении ток разветвля­ ется по параллельным участкам цепи и, пройдя эти участки, суммируется вновь в общий то.к, напряжение на всех параллельных ветвях одинаково и равно подво­ димому.

Общая проводимость равна сумме проводимостей параллельно включенных ветвей.

Смешанное соединение сопротивлений характеризу­ ется сочетанием в одной цепи как последовательно, так и параллельно включенных сопротивлений.

При смешанном соединении с изменением сопротив­ ления любого участка цепи происходит перераспреде­ ление токов и напряжений на всех участках цепи.

§ 7. Химические источники тока

Гальваническая цепь «есть не что иное, как приспо­ собление, аппарат, превращающий освобождающуюся химическую энергию в электричество, подобно тому, как паровая машина превращает доставляемую ей теплоту в механическое движение, причем в обоих случаях со­ вершающий превращение аппарат не прибавляет еще от самого себя какой-либо добавочной энергии». Эти слова Ф. Энгельса очень точно характеризуют работу химических источников тока, процесс возникновения э.д.с. в которыхопределяется химическими реакциями между основными частями источника тока — его по­ ложительным и отрицательным электродами.

Наиболее простым источником постоянного тока яв­ ляется гальванический элемент. Он состоит из цинковой и медной пластинок, помещенных в раствор кислоты. Пластинки называются электродами, их выводы — по­ люсами, а раствор — электролитом. В результате хи­ мической реакции, происходящей в гальваническом эле­ менте мел<ду электродами и электролитом, на цинковом электроде образуется избыток электронов — отрица­ тельный заряд, а на медном электроде недостаток элек­ тронов — положительный заряд. Если замкнуть эти электроды, создав электрическую цепь, то по ней пой­ дет ток.

Напряжение одного гальванического элемента весь* Ма малое, поэтому их соединяют в батареи. Источники электрической энергии так же, как и потребители элек­ троэнергии, могут быть соединены последовательно, па­ раллельно и смешанно.

При последовательном соединении источников тока плюсовый вывод первого источника соединяется с ми­ нусовым второго, плюсовый второго — с минусовым третьего и т. д. Последовательное соединение источни­ ков характеризуется следующими особенностями: э.д.с. источников направлены в одну сторону и, следователь­ но, складываются; внутренние сопротивления также складываются; через каждый источник проходит полный ток цепи. Эта закономерность обусловливает примене­ ние батарей с последовательным включением элемен­ тов, так как во избежание выхода батарей из строя от нее можно брать ток не выше допустимого для каждого из последовательно включенных источников. При парал­ лельном соединении источников соединяют между со­ бой зажимы одноименной полярности. Параллельное соединение источников с одинаковыми э.д.с. характери­ зуется следующими особенностями: общая э.д.с. на за­ жимах источников равна э.д.с. каждого источника в отдельности; общий ток в цепи равен сумме токов от­ дельных источников.

Во избежание уравнительных токов и перегрузки ис­ точников параллельно соединяют только источники с одинаковой э.д.с. и одинаковыми допустимыми разряд­ ными токами.

Смешанное соединение характеризуется наличием в цепи как последовательно, так и параллельно включен­ ных источников. Оно характеризуется следующими осо­ бенностями: общая э.д.с. равна суммарной э.д.с. каж­ дой параллельной ветви; общий ток в цепи равен сум­ ме токов, отдаваемых параллельно включенными источ­ никами.

§ 8. Магнетизм и электромагнетизм

Тела, обладающие свойством притягивать к себе же­ лезо, кобальт, никель и их сплавы, называют магнита­ ми, а само явление — магнетизмом. Каждая молекула железа обладает магнитными свойствами и имеет се-

36

верный и южный полюсы. Эти маленькие магнитики на­ зываются молекулярными магнитами. В ненамагниченном железе эти магниты расположены беспорядочно (рис. 9,я). Их совокупность не обнаруживает магнит­ ных свойств при взаимодействии с окружающими тела­ ми. В намагниченном железе молекулярные магниты расположены упорядоченно: один рядом с другим и один под другим (рис. 9,6).

магнитные силы, образующие магнитное поле, которое принято условно изображать магнитно-силовыми лини­ ями (рис. 9,е).

Магнитные силовые линии обладают следующими свойствами: имеют форму замкнутых линий, стремя­ щихся пройти по кратчайшему пути; выходят нз север­ ного полюса и входят .в южный, нигде не пересекаясь; направленные в одну сторону ■— притягиваются, а иду­ щие навстречу — отталкиваются.

Общее количество магнитных силовых линий, про­ ходящих через какую-либо площадь, называется маг­ нитным потоком. Число магнитно-силовых линий маг­ нитного потока, приходящихся на единицу площади, на­ зывается магнитной индукцией. Магнитная индукциязависит от магнитных свойств среды и определяется ее магнитной проницаемостью.

Магнитная проницаемость — способность среды про­ пускать магнитные силовые линии. Магнитная проница­ емость воздуха считается равной единице.

Вещества, магнитная проницаемость которых немно­ го больше магнитной проницаемости воздуха, называ­

37

ются парамагнитными (алюминий, платина, олово и др.), а вещества с магнитной проницаемостью, меньшей, чем воздух, называются диамагнитными (медь, сереб­ ро, стекло, парафин и т. д.).

Наибольшее применение в электротехнике получили вещества со значительно большей магнитной проницае­ мостью, чем в парамагнитных веществах. Такие веще­ ства называются ферромагнитными (железо, сталь, ко­ бальт, никель и др.).

Способность тел сохранять магнитные свойства пос­ ле прекращения намагничивания называется остаточ­ ным магнетизмом.

Наибольшим остаточным магнетизмом обладает сталь, поэтому она используется для изготовления по­ стоянных магнитов и деталей электрических машин.

Имеются вещества с хорошим магнитным качеством, но не обладающие остаточным магнетизмом. К числу таких веществ относятся ферриты, представляющие со­ бой смесь порошков ферромагнитных и немагнитных окислов. Применяются ферриты для изготовления сер­ дечников трансформаторов, дросселей, экранов, рабо­ тающих на высоких радиочастотах.

Кроме постоянных магнитов, в технике нашли ши­ рокое применение электромагниты, в которых исполь­ зуются магнитные действия электрического тока.

Известно, что при прохождении по проводнику то­ ка. вокруг проводника создается магнитное поле. Это поле легко обнаружить при помощи железных опилок или магнитной стрелки. Железные опилки (рис. 10,а) располагаются вокруг проводника с током по концент­ рическим окружностям, а магнитная 'стрелка по каса­ тельной к этим окружностям. Таким образом, силы маг­ нитного поля имеют определенное направление. Услов­ но считают, что направление магнитных сил совпадает с тем направлением, которое показывает северный по­ люс магнитной стрелки. Зная направление тока в про­ роднике, можно определить направление созданного им поля, пользуясь правилом буравчика: «Если буравчик ввинчивать по направлению тока в проводе, то его ру­ коятка будет вращаться по направлению действия маг­ нитных сил, возникающих вокруг проводника» (рис,

10, 6 ) .

38

Если проводник с током согнуть в кольцо, как это показано на рис. 10,е, то мы получим виток. Магнит­ ные линии, создаваемые током витка, будут выходить из витка с одной стороны и входить с другой. Приме­

северный полюс, а со стороны, обращенной к нам, — южный.

Рис. 10. Магнитное поле проводника с током

Если вместо одного витка взять несколько витков соединенных по спирали, то мы получим катушку, или иначе говоря, соленоид. В соленоиде магнитное поле от­ дельных витков складывается, образуя единое магнит­ ное поле (рис. 10,г).

Наименование полюсов соленоида определяется по правилу правой руки: «Если правую руку расположить над витками ладонью так, чтобы вытянутые четыре пальца показывали направление тока в витках, то ото­ гнутый большой палец покажет северный полюс соле­ ноида».

Если в магнитное поле поместить проводник с то­ ком, то он будет выталкиваться из этого поля, что объ­ ясняется взаимодействием магнитного поля основного магнита с магнитным полем проводника с током. На­ правление движения проводника с током в магнитном

39