naf-st.ru naf-st.ru naf-st.ru naf-st.ru
 
Поиск по сайту
 

Управление. Вступление. Диод


Кое-что о сопротивлении или что такое фонон К содержанию
Page copy protected against web site content infringement by Copyscape

Теперь немного отвлечемся от темы. Представьте, к примеру, что мы строим дом, и нам нужно бетонный блок весом, скажем, десять тонн, поднять на десятый этаж. Чего, казалось бы, сложного? Собрались, человек, так ...-цать, взвалили на плечи и по лестнице ножками... Пару дней не пройдет, и бетонный блок уже на месте. Так нет же, строится подъемный кран с электрическим двигателями. Садись в кабину, тыкай кнопки и смотри за тем, чтобы груз на свое место лег. И что же получается? Поднять надо десять тонн, а чтобы кнопку нажать требуется усилие, скажем, в десять граммов - в миллион раз меньше. Вся хитрость в том, чтобы в нужный момент нужную кнопку нажать. И называется все это управление. Вот об этом и поговорим.

Томас Альва Эдисон (1847-1931) изобрел много полезных вещей, в частности много занимался усовершенствованием электрической лампочки. Как устроена электрическая лампочка, мы уже знаем - тонкий волосок, по которому пропускают электрический ток, который нагревает волосок до белого каления. Дабы волосок не расплавился, его изготавливают из тугоплавкого материала - вольфрама. Но вольфрам, если его до очень высокой температуры нагреть, соединяется с кислородом воздуха, т.е. окисляется, или, попросту, ржавеет, пока весь в ржавчину не превратится, после чего, разумеется, разваливается. Чтобы этого не происходило, волосок помещают в стеклянный баллон и выкачивают из баллона воздух. У современных лампочек, после того, как воздух выкачан, баллон заполняют каким-нибудь инертным газом, например, аргоном.

Но в те далекие времена до инертного газа Эдисон еще не додумался. Думал он о другом - электрические лампочки, у которых внутри баллона была пустота, вакуум. Когда волосок в вакууме нагрет до очень высокой температуры, кинетическая энергия у частиц металла большАя и многие такие частицы из волоска в пустоту улетают. Волосок становится все тоньше и тоньше и в конце концов обрывается. Лампочки у Эдисона получались хорошие, яркие, но недолговечные. Вот он и ломал голову, как же вылетающие частички на место вернуть. Думал-думал, и решил, помещу-ка я в баллон металлическую пластинку. Подсоединю ее к положительному полюсу батарейки. Может быть частицы металла будут от этой пластинки отталкиваться и к волоску возвращаться.

Так и сделал. Поместил он в баллон пластинку и соединил все, как показано на рисунке ниже. Одна батарейка, обозначенная цифрой 2, заставляет волосок нагреваться, а вторая, обозначенная цифрой 1, положительным полюсом соединена с пластинкой, а отрицательным - с волоском. Еще Эдисон в цепь батарейки 1 включил амперметр. Зачем он это сделал - неизвестно. Наверно, валялся у него на столе лишний амперметр, ну он и решил его воткнуть, чего ему зря валяться.


Схема Эдисона

И тут началось самое интересное. Как только волосок у лампочки раскалился, стрелка амперметра взяла и отклонилась. Эдисон глазам своим не поверил. Между волоском и пластинкой пустота. Раз пустота, значит, ничего там нет, в том числе и электронов. Раз нет электронов, значит электрический ток проводить некому. А ток есть, ведь стрелка отклоняется! Эдисон подумал, может частички вольфрама создают нечто вроде металлического газа между волоском и пластинкой? Попробовал переключить батарею 1 минусом к пластинке, а плюсом - к волоску. Все, как на рисунке ниже.


Схема Эдисона

Стрелка как стояла на нуле, так и не шелохнулась. Снова Эдисон все соединил, как на первом рисунке. И снова стрелка отклоняется. Сколько раз он так не делал - все одно и то же получается. Тут Эдисон подумал: "Во дела! Да я никак открытие сделал!" Оказывается, лампочка с засунутой внутрь пластиной в одну сторону ток проводит, а в другую - нет. Назвали такую лампочку диодом, волосок - катодом, а металлическую пластину - анодом

Почему диод работает именно так, а не иначе, Эдисон сам до конца не понял. Ну мы щас сами попробуем все расставить на свои места. Итак, волосок электрической лампочки - это твердое тело, и в этом твердом теле напихано полным-полно положительно заряженных атомных ядер и электронов. В целом суммарный положительный заряд ядер в точности равен суммарному отрицательному заряду электронов, и волосок электрически нейтрален. Это нам уже известно. Где какой электрон в волоске расположен, сказать невозможно. Так есть, пока все электроны внутри волоска. А теперь попробуйте вытащить хотя бы один электрон наружу. Как только электрон оттащить на самую малость от волоска, он (волосок) сразу становится положительно заряженным, и, следовательно, тянет волосок к себе обратно отрицательно заряженный электрон. Причем чем сильнее тянет, тем меньше расстояние от электрона до волоска.

Как нам известно, чтобы переместить электрический заряд, действуя против сил электрического поля, надо совершить работу. Работа эта так и называется работа выхода. Пока волосок холодный работу выхода никому совершать не хочется, и все электроны на своих местах сидят в волоске. Когда же волосок хорошо нагревается, электроны приобретают дополнительную кинетическую энергию, и у некоторых из них эта энергия оказывается больше работы выхода. Они из нагретого волоска выскакивают. Сие явление называется термоэлектронная эмиссия (ссылка). Но далеко электроны от волоска уйти (или улететь) не могут, поскольку волосок, потерявший электроны, заряжен положительно, а электрон, все-таки, единичный отрицательный заряд. Поэтому все выскочившие, особо шустрые электроны собираются вокруг волоска, образуя нечто вроде облачка. Так оно и называется электронное облако или отрицательный объемный электрический заряд. Более того, некоторые электроны под действием сил притяжения обратно в волосок возвращаются, а на их место новые вылетают. Устанавливается, как говорят, динамическое равновесие. Волосок, который мы договорились называть катодом, а вокруг него электронное облако. Сколько электронов в единицу времени из волоска выскакивает, столько же за эту же единицу времени обратно возвращается. Катод заряжен положительно, облако - отрицательно. Так происходит в любой электрической лампочке. Самое важное то, что вокруг волоска образуется электрическое поле, которое тормозит вылетающие из волоска электроны и не дает им далеко отойти.

Теперь же добавим, как в опыте Эдисона (на первом рисунке) металлическую пластинку (анод) и включим батарею 1. Между катодом и анодом возникает свое электрическое поле, направленное противоположно электрическому полю электронного облака. Напряженность этого поля, как нам известно, равна напряжению между катодом и анодом, деленному на расстояние между ними. Поскольку электрические поля электронного облака и анода направлены в противоположные стороны, они вычитаются друг из друга. Суммарное поле становится меньше, и поэтому самые резвые выскочившие из катода электроны уже не тормозятся полем электронного облака, а летят прямо на анод. Так возникает электрический ток, отклоняющий стрелку амперметра.

Понятно, что чем больше напряжение на аноде, тем сильнее его электрическое поле, тем большее число электронов попадает на анод. Если сделать напряжение на аноде достаточно большим, электронное облако вовсе разрушится, и все электроны будут достигать анода. Если же поменять полярность подключения, т.е. анод соединить с отрицательным полюсом батарейки, все получится наоборот. Электрическое поле анода будет складываться с электрическим полем электронного облачка, и сила, тормозящая электроны, увеличится. Только самые шустрые электроны, обладающие самой большой кинетической энергией, смогут долетать до анода.

На рисунке ниже все описанное изображено в виде графика. На горизонтальной оси откладывается напряжение, на вертикальной - ток в цепи батареи 1.


Анодная вольт-амперная характеристика диода

Что же получается. При небольших отрицательных напряжениях на аноде ток очень мал, он образуется только самыми шустрыми электронами. При больших отрицательных напряжениях ток просто равен нулю. Все выскочившие из катода электроны либо остаются в облаке, либо возвращаются обратно на катод.

Теперь меняем полярность батарейки 1. Чем больше положительно напряжение на аноде, тем больше ток в цепи. Так происходит до тех пор, пока напряженность электрического поля анода не станет больше напряженности электрического поля электронного облачка. Теерь все вылетающие из катода электроны достигают анода. Дальше, сколько ни увеличивай положительное напряжение на аноде, ток увеличиваться не будет. Электронов больше нет. Наступает, как принято говорить, насыщение. Чтобы еще больше увеличить ток, нужно иметь больше электронов, а это можно сделать одним единственным способом - еще больше нагреть катод. В принципе, форма графика останется такой же, только кривая линия будет проходить выше нарисованной. Ну и понятно, что если температура катода меньше, то и кривая графика будет такая же по форме, но проходить ниже. Такой график называется анодной вольт-амперной характеристикой диода.

Таким образом, помещая в пустоту разогретый до высокой температуры катод, мы образуем вокруг него объемный электрический заряд. Следовательно, образуем в пустоте электрическое поле. Складывая это электрическое поле с другими электрическими полями можно получить разные интересные вещи, например, заставлять электрический ток проходить через пустоту.

Page copy protected against web site content infringement by Copyscape
Кое-что о сопротивлении или что такое фонон К содержанию
Новости:




 

copyright © 2003-2017 naf-st.ru, info@naf-st.ru
При полном, либо частичном цитировании материалов сайта naf-st.ru ссылка (для интернет изданий гиперссылка) обязательна!!! Будьте взаимовежливы!

Хостинг «Джино»
Карта сайта
Поиск по сайту
Помощь
Новости
Обратная связь
Карта сайта
Поиск по сайту
Помощь
Новости
Обратная связь