ОБЩАЯ ФИЗИКА МАГНИТИЗМ И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО (С.П. Степина, Н.Б. Бутко - Лабораторный практикум по курсу Общая физика. Электричество и магнетизм (исправленное издание 2018)), страница 9

(2") А в Возведя левую и правую части (2'), (2") в квадрат, а затем сложив их, можно получить уравнение траектории луча на экране осциллографа в следующем виде: Н + Н вЂ” 2 — соз(а — Р) = япз(а — р), (3) Если а — р =+2пл, где п = О, 1,2, 3, ..., то (3) преобразуется к уравнению прямой, проходящей через первый и третий квадраты в плоскости экрана, а именно: 74 в "г' = -Х. А (4) в У = — — „Х.

(5) Если а — р" = + (2п + -) уг, то (3) приводится к уравнению эллипса: (6) и При разности фаз — между действующими напряжег ниями на Х, )' пластинах луч на экране осциллографа вращается по часовой стрелке; при разности фаз — — луч вращается г против часовой стрелки. Если А = В, то уравнение (6) переходит в уравнение окружности, которая наблюдается на экране осциллографа. Разность фаз О и/4 и 2 Зи/4 и ~Я 'И Н О я/4 и/2 Зя/4 я ' Н Рие. 1. Фигуры Лиееажу Если а — р = +(2п + 1) .

л, то уравнение (3) определяет собой прямую, проходящую через второй и четвертый квадраты: Таким образом, при сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний одинаковой частоты (напряжения на Х и У пластинах) вид наблюдаемой на экране осциллографа кривой зависит от разности фаз (а — р') и значений амплитуд А и В. При других соотношениях частот осциллограммы могут иметь вид более сложных кривых. Наблюдаемые при этом на экране кривые называются фигурами Лис сажу (рис. 1), По форме фигуры Лиссажу определяют частотные, фазовые или амплитудные соотношения напряжений, подаваемых на отклоняемые пластины, ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7 ИЗУЧЕНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА И ВЫПРЯМИТЕЛЯ НАПОЛУПРОВОДНИКОВЫХДИОДАХ Цель работы: ознакомиться с основными свойствами полупроводников. Снять вольт-амперную характеристику полупроводникового диода.

Изучить процесс выпрямлення переменного тока, Оборудование: источник питания, осциллограф, панель с элементами, панель с диодом для снятия вольтамперной характеристики. Краткаятеорня Полупроводники — вещества, электропроводность которых меньше электропроводности металлов и больше, чем электропроводность диэлектриков. Основные свойства полупроводников следующие; 1) высокая чувствительность к внешним воздействиям (нагревание, давление, облучение и т.д.); 2) два механизма проводимости — электронный и дырочный; 3) отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления при высоких температурах.

Удельные сопротивления полупроводников заключены в пределах приблизительно от 10ь Ом ° см до 10 з Ом ° см. Наиболее важное практическое значение имеют следующие полупроводники: германий, кремний, индий, селен, сурьма, цезий, мышьяк, сернистый свинец, закись меди. В полупроводниках так же, как и в металлах, проводимость является результатом наличия свободных электронов. Но в ме- 77 галлах концентрация свободных электронов почти не зависит от температуры, а в полупроводниках она сильно зависит от температуры.

Самым важным является тот факт, что наряду с обычной электронной проводимостью полупроводники обладают дырочной проводимостью. «Дырк໠— это вакантное место, незанятое электроном. Она может быть занята другим электроном, тогда образуется новая дырка в том месте, откуда ушел электрон. В электрическом поле дырка перемещается как положительный заряд. Полупроводники, имеющие дырочную проводимость, называются р-полупроводниками (от слова рояй~е — положительный). Полупроводники, у которых имеется обычный электронный механизм проводимости, называются л-полупроводниками (от слова пейайче — отрицательный). В полупроводниках большую роль играет проводимость, обусловленная примесями. Допустим, например,что в кристалл германия введено некоторое количество атомов другого вещества, Эти атомы могут замещать атомы германия в узлах кристаллической решетки, Если число валентных электронов атома примеси больше, чем это необходимо для связи с атомами германия в решетке (пусть это будет, например, мышьяк), то избыточные валентные электроны ведут себя как свободные и могут образовывать ток.

Такие примесные атомы называются донорами; они дают полупроводнику электроны и делают его и-полупроводником. Если атомы примесного вещества содержат меньше электронов, чем это нужно для связи (пусть это будет, например, индий), то в решетке образуются вакантные места, или «дырки», которые могут быть заняты другими электронами. Такие примеси называются акцепторными.

Они сообщают полупроводнику дырочную проводимость и делают его р-полупроводником. Особое значение имеют процессы, которые происходят в месте контакта л- и р-полупроводников. При контакте часть дырок в месте соприкосновения замещается электро- 78 нами путем диффузии.

Кристалл, из которого электроны уходят, заряжается положительно, а тот, в который они проникают, — отрицательно. Возникает электрическое поле, препятствующее переходу электронов. В результате такого рода рекомбинации электронов и дырок концентрация носителей тока вблизи границы уменьшается, следовательно, возрастает сопротивление контакта или р — п-перехода. Допустим, что р — л-переход помещен в электрическое поле и оно направлено так, как это указано на рис. 1.

Электроны и дырки будут непрерывно двигаться к месту контакта и рекомбинировать:через контакт будет идти электрический ток. Проводимость р-и-перехода в таком направлении будет велика. Иное получится, если поле направлено согласно рис. 2. Электроны и дырки будут двигаться от места контакта. Рис. К Пропускное направление Рис. 2. Запиранопее направление , Концентрация носителей тока в р — л-переходе будет мала, следовательно, его сопротивление при таком направлении поля будет велико. Направление поля, указанное на рис. 1, называется пропускным ~прямым), а на рис. 2 — запирающим (обратным). Это свойство контакта полупроводников р — и-типа применяется для выпрямленна переменного тока.

Полупро- водниковое устройство, содержащее один р-п-переход, называют полупроводниковым диодом. Зависимость силы тока, протекающего через диод, от величины приложенного напряжения называется вольтамперной характеристикой диода (рис. 3). Выпрямляющие свойства диода характеризуются коэффициентом выпрямления Й тпв Й = — 'при У = сопят.

~пап. Здесь!вр и 1,„„— в пропускном и запирающем направлениях. Рис. 3. Вольт-ампернап характеристика полупроводникового диода: а — область пропускных напряжений, Ь вЂ” область насыщения, с — область пробивных напряжений Важными электрическими параметрами полупроводникового диода являются внутреннее сопротивление Н; (в пропускном направлении) и крутизна вольт-амперной характеристики Я. Внутреннее сопротивление показывает, на сколько вольт надо изменить напряжение на диоде', чтобы ток изменился на 1 мА: аи в й. = — —.

Ы мА 80 Крутизна характеристики показывает, . на сколько миллиампер изменяется ток при изменении напряжения на 1 В: Ы 1 мА .-Аи Гч В ' Параметры Я, Я и /г позволяют выбрать диод, наиболее подходящий для тех или иных технических целей. В электрических и радиосхемах полупроводниковые диоды изображаются схемой, изображенной на рис. 4. + Рис, 4. Изображение полупроводникового диода Знаками с<+» и « — » указана полярность напряжения, вызывающего прямой ток. Если приложенное («входное») напряжение изменяется во времени по закону и,„= и, з1паог, то ток по цепи с диодом будет проходить только во время положительных полупериодов синусоиды.

В результате получается «пульсирующий» ток, постоянный по направлению, но переменный по величине. Чтобы сделать постоянной величину тока, в цепь включают сглаживающий фильтр. Он состоит из катушки,Ь, имеющей большую индуктивность (она называется дросселем фильтра), и двух конденсаторов С, и Сз, имеющих большую емкость.

Катушка и конденсаторы включаются в цепь так, как это показано на рис. 5. Здесь Во — сопротивление нагрузки, на котором при прохождении выпрямленного тока выделяется постоянное напряжение («выходное»). 81 и Рпе. 5. Схема выпрямителя па полупроводниковом диоде Действие сглаживающего фильтра основано на следующем: 1) изменение величины тока в катушке приводит к изменению магнитного потока через нее, которое, в свою очередь, вызывает ток индукции, препятствующий этим изменениям (правило Ленца); 2) при изменении напряжения на конденсаторах возникает ток зарядки или разрядки, препятствующий этим изменениям.

Подбирая величины индуктивности дросселя и емкости конденсаторов, можно уменьшить пульсацию до любой заданной величины. Описаниеустановки Схема установки для снятия вольт-амперной характеристики диода изображена на рис. б. Здесь Š— источник ЭДС; Я вЂ” реостат; с него снимается напряжение и подается через переключатель П на диод и — р. Вольтметр Ч измеряет напряжение, которое подается на диод.

Миллиамперметр (или микроамперметр) шА измеряет ток, который идет через диод. 82 Рвс. о. Схема уставовки Установка для изучения процесса вьшрямления тока полупроводниковым диодом состоит из следующих частей: 1) понижающий трансформатор с выводами на 220 и 127 В; 2) полупроводниковые диоды; 3) дроссель |. фильтра; 4) сопротивление для фильтра йф, 5) конденсаторы Ст и Сз; б) сопротивление нагрузки тса. Сннусоидальное напряжение подается на трансформатор с отводом от середины вторичной обмотки (рис. 7). Рис. 7.

Схема устройства трансформатора Напряжение между выводами А и В противоположно по фазе напряжению между В и С. 1Если вывод В принять за нулевой, то, когда на А потенциал положительный, на выводе С вЂ” отрицательный.) Таким образом, получаются два источника напряжения, работающие в противофазе. Бели в це- 83 пи каждого из них поставить диод, то ток будет выпрямляться в течение обоих полупериодов синусоиды.