Файл: Филаткин К.М. Радиометрист штурманский учеб. пособие.pdf

ния прохождения зарядов но электрической цепи. Элек­ тродвижущая сила источника определяется работой, ко­ торую он затрачивает для переноса единицы заряда электричества по полной цепи.

Е = Л вольт джоуль

чкулон

где Е — электродвижущая сила; А — работа;

q — общий заряд электронов, проходящий через поперечное сечение проводника (кулон).

Работа, которую источник затрачивает для переноса единицы заряда по какому-либо из участков цепи, на­ зывается падением напряжения на данном участке цепи.

Прохождение тока по проводнику затрудняется из-за взаимодействия движущихся зарядов с атомами веще­ ства, т. е. проводник как бы оказывает сопротивление прохождению тока.

Сопротивление проводника зависит от его материа­ ла, геометрических размеров и температуры. За вели­ чину электрического сопротивления в 1 ом принято со­ противление ртутного столба длиной 106,3 см и пло­ щадью поперечного сечения 1 мм2.

Сопротивление однородного металлического провод­ ника определяется выражением

где р — удельное сопротивление, т. е. сопротивление проводника длиной в 1 м и сечением в I мм2;

I — длина проводника (м);

5 — сечение проводника (мм2).

Зависимость сопротивления от температуры опреде­ ляется формулой

+«(*!—293°К)],

где R — сопротивление при температуре (i;

^t=2o— сопротивление три температуре t=293°K;

а — температурный коэффициент сопротивления. Величины удельного сопротивления и температурно­ го коэффициента некоторых материалов приведены в

нижеследующей таблице;

27

Величина, обратная сопротивлению, называется про­ водимостью. Она обозначается буквой g и характери­ зует способность проводника пропускать электрический ток.

Для полной характеристики электрической цепи не­ обходимо определить еще одну величину, характеризу­ ющую электрическую цепь, это величина (сила) элек­ трического тока. Силу тока в цепи можно определить количеством зарядов, проходящих через поперечное се­ чение проводника в единицу времени,

кулон'

эмпер= —— .

сек

При силе тока в 1 ампер через поперечное сечение проводника проходит количество электричества в I ку­ лон за 1 секунду. Между электродвижущей силой источ­ ника, сопротивлением цепи и силой тока существует за­ висимость. Эта зависимость была установлена немец­ ким ученым Омом в 1827 году и названа законом Ома.

Ток в замкнутой цепи прямо пропорционален элек­ тродвижущей силе источника и обратно пропорциона­ лен сопротивлению всей цепи

28

где г — внутреннее сопротивление источника; R — сопротивление внешней цепи.

Закон Ома справедлив также для любого участка электрической цепи

В О Л Ь Т

ампер=------

ом

§ 2. Проводники, изоляторы и полупроводники

Все вещества в природе в зависимости от их способ­ ности проводить электрический ток делятся на провод­ ники, изоляторы и полупроводники.

Проводниками называются вещества, обладающие хорошей проводимостью электрического тока. К ним от­ носятся все металлы и их сплавы. Они имеют большое количество свободных электронов, хаотически движу­ щихся внутри проводника. При включении проводника в цепь под воздействием приложенной к нему разности потенциалов хаотическое движение электронов превра­ щается в упорядоченное, при этом в проводнике появ­ ляется электрический ток. Изоляторами называются ве­ щества, практически не обладающие электропроводимо­ стью. К их числу относятся слюда, асбест, мрамор, стек­ ло, прессшпан, эбонит, гетинакс и другие вещества.

Кроме проводников и изоляторов, существуют хими­ ческие элементы, которые, не являясь изоляторами, про­ водят электрический ток во много раз хуже, чем метал­ лы. Эти химические элементы называются полупровод­ никами. Полупроводники обладают свойством, резко от­ личающим . их от металлов: под влиянием различных внешних воздействий их сопротивление изменяется в очень больших пределах. В одних условиях они стано­ вятся проводниками, в других — изоляторами, а в неко­ торых случаях даже источниками тока. Это свойство полупроводников широко используется сейчас в радио­ технике.

В атомах полупроводника, как и в атомах многих других веществ, есть валентные электроны, но в полу­ проводнике они не всегда могут стать свободными.

Для примера рассмотрим строение германия. Гер­ маний в периодической системе Менделеева расположен в четвертой группе. Каждый атом его во внешнем слое

29

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-