- •Оглавление
- •Закон Кулона. Экспериментальные проверки закона Кулона. Теорема Остроградского-Гаусса. Дифференциальная формулировка закона Кулона.
- •Классическая теория электропроводности и ее затруднения. Объяснение законов Ома, Джоуля-Ленца, Видемана-Франца на основе классической электронной теории.
- •Объяснение закона Джоуля-Ленца с точки зрения классической электронной теории
- •Закон взаимодействия элементов тока (закон Лапласа-Био-Савара-Ампера). Полевая трактовка закона взаимодействия элементов тока. Релятивистская природа магнитного поля.
- •Нахождение электрического поля с использованием потенциала, прямым применением закона Кулона и с использованием теоремы Гаусса.
- •Закон Био-Савара. Вектор магнитной индукции. Закон Ампера.
- •Закон Ампера
- •Зависимость электропроводимости от температуры, явление сверхпроводимости.
- •Емкость уединенного проводника. Система проводников. Конденсаторы и их емкость. Общая задача электростатики. Понятие о методе изображений для решения некоторых электростатических задач.
- •Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции в стационарном случае. Вихревой характер магнитного поля.
- •Электростатическое поле при наличии диэлектриков. Поляризация. Связанные и свободные заряды. Электростатическая теорема Гаусса при наличии диэлектриков.
- •Понятие о зонной теории твердых тел. Расщепление энергетических уровней и образование зон. Энергетические зоны металлов, полупроводников и изоляторов.
- •Электрическое смещение и диэлектрическая проницаемость. Преломление силовых линий на границе раздела диэлектриков.
- •Собственная проводимость полупроводников. Примесная (электронная и дырочная) проводимость. Доноры и акцепторы. Температурная зависимость проводимости полупроводников.
- •Энергия электростатического поля. Энергия взаимодействия при непрерывном распределении зарядов. Собственная энергия.
- •Индукции токов в движущихся проводниках. Закон электромагнитной индукции Фарадея.
- •Объемная плотность энергии электрического поля. Энергия поля поверхностных зарядов. Энергия заряженных проводников.
- •Энергия заряженных проводников
- •Цепи квазистационарного переменного тока. Цепь с источником переменных сторонних эдс, сопротивлением, емкостью, и индуктивностью.
- •Силы в электрическом поле. Силы, действующие на точечный заряд, диполь и непрерывно распределенный заряд. Силы, действующие на диэлектрик и проводник. Энергетический метод определения сил.
- •Закон электромагнитной индукции Фарадея. Дифференциальная формулировка закона электромагнитом индукции Фарадея.
- •Энергия диполя во внешнем поле.Поле диполя
- •Метод векторных диаграмм и комплексных амплитуд.
- •Вращающееся магнитное поле. Принцип работы синхронных и асинхронных двигателей.
- •Электростатическое поле при наличии диэлектриков. Полярные диэлектрики. Зависимость их диэлектрической восприимчивости от температуры.
- •Работа и мощность переменного тока.
- •Основные сведения о сегнетоэлектриках, пьезоэлектриках, пироэлектриках.
- •Пьезоэлектрики
- •Сегнетоэлектрики (сегнетова соль, титанат бария)
- •Объяснение сегнетоэлектрических свойств
- •Резонанс напряжения в цепи переменного тока.
- •I. Сторонние силы.
- •II. Обобщённый закон Ома.
- •Трансформаторы. Векторные диаграммы простейших случаев работы трансформатора.
- •Дифференциальная форма закона Джоуля-Ленца. Работа, совершаемая при прохождении тока, развиваемая мощность.
- •Основные сведения о трехфазном токе. Соединение звездой и треугольником.
- •Токи Фуко. Скин-эффект и его использование в технике.
- •Контактные явления. Законы Вольта. Контактная разность потенциалов.
- •Фильтры низких и высоких частот, основные характеристики и физические принципы их реализации.
- •Выпрямляющее действие полупроводникового контакта Полупроводниковый диод и транзистор
- •Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях.
- •Термоэлектродвижущая сила, эффект Пельтье и эффект Томсона.
- •Ускорители заряженных частиц. Определение удельного заряда электрона и ионов.
- •Механизм электропроводности электролитов. Зависимость их электропроводимости от температуры. Электролиз. Законы Фарадея.
- •Законы Фарадея
- •Электропроводность газов. Основные типы газового разряда. Плазменное состояние вещества.
- •Энергия магнитного поля контуров с током. Энергия магнитного поля при наличии магнетиков.
- •Термоэлектронная эмиссия.
- •Плотность энергии магнитного поля. Индуктивность. Энергия магнетика во внешнем магнитном поле.
- •Закон сохранения энергии для электромагнитного поля.
- •Ток смещения. Система уравнений Максвелла, физический смысл отдельных уравнений. Граничные условия. Материальные уравнения.
- •Объемные силы, действующие на несжимаемые магнетики. Вычисление сил из выражения для энергии.
- •Электромагнитные волны. Волновое уравнение.
- •Диамагнетики. Механизмы намагничивания. Природа диамагнетизма, ларморова прецессия.
- •Плотность потока электромагнитной энергии. Вектор Умова - Пойтинга. Движение электромагнитной энергии вдоль линий передач.
- •Парамагнетики. Механизмы намагничивания. Зависимость парамагнитной восприимчивости от температуры. Закон Кюри.
- •Колебательный контур, свободные незатухающие и затухающие электрические колебания.
- •Колебательный контур, вынужденные электрические колебания.
- •Гиромагнитные эффекты. Соотношение между механическими и магнитными моментами атомов и электронов.
- •Электромагнитные взаимодействия в природе. Электромагнитное поле. Элементарный заряд и его свойства. Закон сохранения заряда.
- •Теорема о циркуляции векторов магнитного поля. Граничные условия для векторов магнитного поля.
- •Индуктивность. Явление самоиндукции. Взаимная индукция. Переходные процессы в цепи с индуктивностью. Взаимная индукция
- •Резонанс токов в цепи переменного тока.
Контактные явления. Законы Вольта. Контактная разность потенциалов.
Вольт расположил вещества в таком порядке, что любой предыдущий с последующим имел отрицательную разность потенциалов. Данная разность потенциалов – контактная. А этот ряд называется Ряд Вольта.
Пример: Al, Zn, Sn…
1-ый закон Вольта: контактная разность потенциалов зависит от химического состава контактирующих веществ и их температур. Концентрация электронов в разных металлах разная. Работа выхода – энергия, необходимая, чтобы электрон покинул металл. У разных металлов она разная.
;
- разность потенциалов, которую необходимо преодолеть электрону.
- кинетическая энергия электрона в металле (энергия Ферми). Каждого металла своя работа выхода (порядок – несколько ).
,-концентрация электронов в металле.
Контактная разность потенциалов возникает из-за влияния этих двух величин, но влияние рассмотрим по отдельности.
1). Пусть ,. Рассмотрим границу раздела:
;
;
2). ;;
Рассмотрим электронный газ справа и слева от контактной зоны.
, так как концентрации различные, то следовательно и давления различны.
;
;
;
;
;
;
;
2-ой закон Вольта: для нескольких контактных веществ контактная разность определяется первым и последним потенциалом.
Пример: .
Откуда вытекает, что при образовании кольца – тока внутри возникнуть не может (да и не должен:).
Фильтры низких и высоких частот, основные характеристики и физические принципы их реализации.
Фильтры – устройства, изменяющие амплитуду колебаний в зависимости от частоты и выделяющие отдельные гармоники или отдельные полосы из спектра сигнала.
Фильтр должен пропускать колебания в интервале частот (полоса прозрачности) и максимально ослабить колебания на других частотах (полоса непрозрачности).
В зависимости от полосы прозрачности фильтры подразделяются:
Фильтры нижних частот
Фильтры верхних частот
Полосовые фильтры и т.д.
Основные характеристики фильтров
1) Комплексный коэффициент передачи напряжения
модуль комплексного коэффициента передачи – {К} –амплитудно-частотная характеристика {АЧХ} определяет изменение амплитуды напряжения на выходе фильтра по сравнению с входом.
2) Фазовый сдвиг между и- Фазово-частотная характеристика (ФЧХ)
( ФЧХ)
Граничная частота ()
Определяется при значении коэффициента передачи, при котором он меньше max значения в раз
I. Фильтры низких частот пропускают низкие частоты – полосы пропускания. Частоты выше граничной быстро затухают и фильтр для них действует как затвор.
uвх
uвых
U rm
Im
U ст
U вх
АЧХ:
ФЧХ:
II. Фильтры высоких частот:АЧХ:
ФЧХ:
Выпрямляющее действие полупроводникового контакта Полупроводниковый диод и транзистор
Имеет нелинейные свойства.
Прямой ток в десятки мА получается при напряжении десятые доли вольта. Прямое сопротивление порядка десятка Ом. Для более мощных диодов и при таком же малом напряжении -.
Для обратного тока:
;
;
;
Нелинейность на участке 01 объясняется тем, что при увеличении напряжения сопротивление запирающего слоя падает.
12-запирающий слой исчез, остается постоянным собственное сопротивление p и n – областей (прямая зависимость).
Далее с повышением тока сопротивление падает.
Вольтамперная Характеристика диода:
При повышении обратного напряжения обратный ток быстро растет, а затем растет незначительно. Имеют место лавинные движения носителей из-за ударной ионизации. При более высоком обратном напряжении ионы приобретают большую скорость и выбивают из атомов решетки новые электроны, которые в сою очередь выбивают новые. Этот процесс усиливается с повышением напряжения. Далее возникает пробой при некотором напряжении, при котором обратный ток резко возрастает, сопротивление резко уменьшается. Электрические пробои делятся на лавинный и туннельный. Лавинный пробой – пробивное напряжение 10-100 В. Туннельный обусловлен туннельным эффектом. Суть туннельного эффекта: при более, чем напряженности, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Такие переходы возможны с высокой концентрацией примесей, напряжение соответствующее туннельному пробою порядка одного вольта. Имеются также тепловые пробои. Причина – нарушение теплового режима перехода. Теплота, выделенная обратным током, становится большей, чем отводимая теплота. В результате температура повышается, сопротивление падает, ток растет. Переход перегревается и разрушается.PN-переход обладает емкостью, называемой барьерной:
;;
Емкость перехода от 1 до 100 пикофарад.
Если обратное напряжение растет, то толщина запирающего слоя растет и емкость уменьшается. При прямом напряжении, диод имеет диффузию, емкость которой линейна и возрастает с повышением прямого напряжения. Диффузионная емкость гораздо больше барьерной.
Биполярный транзистор
Средняя область транзистора – это база. Слева – эмиттор, справа – коллектор. Соответственно эммиторный и коллекторный переходы. База делается очень тонкой. Концентрация примесей в базе меньше, чем в эмиттере и коллекторе. Имеется 3 режима работы транзистора:
Активный: когда на эммиторном переходе напряжение прямое, на коллекторе – обратное
Режим отсечки или запирания: На оба перехода – обратное напряжение.
Режим посещения: на обоих переходах напряжение прямое.
Основным является активный режим. Различают входную (управляющую) цепь, которая служит для управления работой транзистора. Сигнал подается между эмиттером и базой. В выходной (управляемой) цепи получают усиленные колебания. В выходную цепь включается нагрузка между базой и коллектором.
Сопротивление коллекторного перехода велико и обычно составляет единицы или десятки вольт.
Обычно:
;
При работе в активном режиме: , то есть.
Вольтамперная характеристика эмиттерного перехода – это характеристика диода при прямом токе, а коллекторного перехода – при обратном токе.
Принцип работы: Прямое напряжение э. перехода существенно влияет на токи эмиттера и коллектора. Чем больше напряжение эмиттера, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменение тока коллектора мало отлично от изменения тока эмиттера. Т. е. , т.е. входное напряжение, может управлять током коллектора. При повышении прямого входного напряжения понижается потенциальный барьер в эммитерном переходе и повышается ток через этот переход, т. е. ток эммитора. Электроны этого тока иннектируются из эммитера в базу и вследствие диффузии проникают через базу в коллекторный переход. Этим самым повышается ток коллектора. Из-за того, что коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в нем возникают объемные заряды и поле между этими зарядами. Это поле способствует продвижению через коллекторный переход электронов, т. е. втягивают электроны. Если толщина базы мала и концентрация дырок мала, то большинство электронов из эмиттера проскакивают в базу, не успевая рекомбинировать, и достигают коллектора. Та часть электронов, которая рекомбинирует в базе, создает ток базы.