Для школьников (по материалам учебной литературы).
Электротехника и электроника - это науки, выросшие из физики, точнее из раздела физики под названием "Электричество".
Роднит эти науки (электротехнику и электронику) то, что они изучают процессы, связанные с направленным движением свободных электронов. Только электротехника рассматривает движение электронов в металлах (проводах), а электроника - в вакууме, газах и полупроводниках.
Итак, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА рассматривает движение свободных электронов (электрический ток) в проводах, рассчитывает электрические цепи, имеет дело с генераторами электрического тока, с выработкой электроэнергии, её распределением между потребителями, с превращением электрической энергии в другие виды энергий и т. п., то есть имеет дело с ЭЛЕКТРИЧЕСТВОМ.
Кратко о том, как развивалось учение об электричестве
Ещё в древние времена было замечено, что тела при трении приобретают способность притягивать к себе лёгкие предметы.
В 17 веке английский учёный Гильберт обнаружил, что такими свойствами обладают и металлы. Силу притяжения, которой обладают натёртые тела, он назвал электрической, а связанные с этим явления - электрическими явлениями.
Лишь в 18 веке учёные стали находить объяснения этим явлениям. Было замечено, что существует два рода электричества - их назвали положительным и отрицательным.
Натирая (электризуя) тела, исследователи не сразу обратили внимание на то, что электризуются оба тела, причём противоположными зарядами. Стало ясно, что электризация тел - это не создание электрических зарядов, а их разделение.
Тела, наэлектризованные равными противоположными зарядами, соприкасаясь, теряют свойство притяжения.
Стало ясно, что заряды при соприкосновении таких тел не уничтожаются, а нейтрализуются, т. е. на каждом из тел становится поровну положительных и отрицательных зарядов.
Отсюда следует важный вывод, что каждое электрически нейтральное тело содержит равное количество положительных и отрицательных зарядов. Тело становится наэлектризованным только в том случае, если в нём зарядов одного знака станет больше, чем зарядов другого знака.
В опытах с электризацией тел было также замечено, что одни тела хорошо передают электрические заряды, а другие совсем не передают. Первые были названы проводниками, а вторые - диэлектриками или изоляторами.
Направленное движение электрических зарядов в проводнике назвали ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ. Существует понятие "сила тока".
Под СИЛОЙ ТОКА понимается заряд, прошедший через поперечное сечение проводника в единицу времени:
(Но какие заряды являются носителями тока в металлических проводниках, не было известно до конца 19 века. Лишь с открытием электрона и проведёнными опытами стало ясно, что носителями тока в металлах являются свободные электроны).
Чтобы ток в проводнике был длительным, надо было получить источник тока, и он был создан в 1800 году итальянским физиком Вольта.
Вольта установил, что в месте контакта двух проводов из разных металлов наблюдается их электризация (разделение электрических зарядов), т. е. на одном из металлов скапливаются отрицательные заряды, а на другом - положительные.
Степень электризации этих металлов (любых заряженных тел) характеризуется ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОТЕНЦИАЛОМ:
(Сделаем отступление - ПОЯСНИМ, что понимается под электрическим потенциалом заряженного проводника. Представим, что имеется большой заряженный шар. Мы хотим увеличить заряд этого шара. Для этого можно взять маленький шарик на изолированной ручке, заряженный тем же знаком, и касаться им большого шара. Так как эти шары будут отталкиваться, то для обеспечения контакта между ними необходимо будет совершать какую-то механическую работу.
РАБОТА, которую надо проделать, чтобы увеличить заряд большого шара. на единицу заряда, назвали его ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОТЕНЦИАЛОМ.
В честь Вольта эту единицу потенциала назвали Вольтом.
Согласно определению потенциала, Вольт имеет такую размерность: В= Дж/Кл)
Продолжим говорить об опытах Вольта, проведенных им в 1800 году.
Итак, Вольта обнаружил, что в месте контакта проволок из разных металлов один металл получал положительный потенциал (зарядился положительно), другой металл получал отрицательный потенциал (зарядился отрицательно). В месте контакта создавалась разность потенциалов.
Если соединить вторые концы проволок (создать второй их контакт), то в нём тоже появится такая же разность потенциалов, как в первом контакте), но противоположного знака. Разности потенциалов между двумя контактами не будет, не будет и тока в соединённых проводниках.
Таким образом, Вольта пришёл к выводу, что в замкнутой цепи, образованной только металлическими проводниками (проводниками первого рода), электрического тока не будет, так как в этих проводниках не произойдёт никаких химических изменений.
Но если в цепь ввести проводник второго рода (электролит), то ток в цепи возникнет, так как будет иметь место химическая реакция и ток в цепи будет поддерживаться за счёт энергии химической реакции.
Вольта, погрузив медную и цинковую пластинки в раствор серной кислоты, при замыкании пластинок проволокой получил в замкнутой цепи, состоящей из проводников первого и второго рода, электрический ток.
Так был создан первый источник постоянного тока (гальванический элемент), названный элементом Вольта.
Далее на практике были получены и другие гальванические элементы, например, элемент Даниэля.
Последовательное соединение нескольких гальванических элементов даёт батарею гальванических элементов, их суммарное напряжение называется ЭДС (электродвижущей силой) батареи.
(ЭДС является характеристикой батареи элементов, ЭДС батареи измеряется при разомкнутой внешней цепи и обозначается буквой
Используя батареи гальванических элементов, немецкому физику Ому в 1826 году удалось получить основные законы постоянного электрического тока.
В опытах Ом использовал металлические провода из разных металлов, разной длины и разной площади их поперечного сечения.
Ток в цепи Ом находил гальванометром, созданным Ампером, в котором сила тока определялась по углу отклонения магнитной стрелки. Ом ввёл понятие электрического сопротивления, которое в его честь измеряется в Омах.
Закон Ома для полной цепи постоянного тока имеет следующий вид:
Сила тока в цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи, представленному суммой сопротивления внешней части цепи R и внутреннего сопротивления r источника (сопротивления раствора электролита и электродов).
(Электричеству и электротехнике на канале посвящено достаточное количество статей. При желании их можно найти и прочитать).
Электроника
Появление науки "Электроника" связано с открытием электрона, но здесь есть и своя предыстория.
Началось всё с создания русским электротехником и изобретателем Ладыгиным в 1872 году лампы накаливания и её совершенствования американским изобретателем Эдиссоном.
Показанная на рисунке лампа Ладыгина представляла собой систему из двух медных проводов 1 и 2 с закреплённым между ними угольным стерженьком 3, помещённых внутрь закрытого стеклянного баллона.
Ладыгин пытался откачать воздух из этого баллона, но качество насосов не позволило ему это сделать должным образом.
В 1879 году американский изобретатель Эдиссон усовершенствовал лампу Ладыгина, заменив угольный стерженёк обугленной бамбуковой нитью и создав в баллоне вакуум.
В 1890 году Ладыгин заменил в лампе угольный стерженёк вольфрамовой нитью.
Лампы накаливания того времени давали слабый неприятный красноватый цвет. Желая получить качественное освещение, учёные обратили свой взор на газоразрядное трубки, светящиеся при тлеющем газовом разряде.
На следующем рисунке показана эта трубка.
Газоразрядная трубка
Если трубка заполнена воздухом или газом, то даже при очень высоком напряжении между электродами (в несколько тысяч Вольт) невозможно пробить этот слой воздуха, и он остаётся тёмным.
Но если воздух (или газ) откачать до низкого давления, то в трубке возникнет самостоятельный тлеющий газовый разряд.
Проведя опыты с газоразрядными трубками, которые подробно описаны в статье "Развитие электромагнетизма. Как был открыт электрон?", Томсон в конце 19 века открыл новые частицы - электроны. Другие опыты позволили найти массу и заряд электрона.
Вернёмся к лампам накаливания и отметим наблюдаемые в них интересные явления:
Явление1
В те годы лампы накаливания работали на постоянном токе, т. е. к одному концу нити накала всегда подавался положительный потенциал (+), а к другому концу нити - отрицательный потенциал (-).
По непонятной причине электрические лампочки быстро перегорали, причём всегда перегорал конец нити накала, подсоединённый к положительному проводу (соединённому с положительным (+) электродом источника).
Явление 2
Второе явление было обнаружено Эдиссоном в 1883 году при его работе с вакуумной лампой накаливания (вакуум в лампе создавался для предотвращения перегорания нити накала).
Ниже показана схема опыта Эдиссона.
Из рисунка видно, что в стеклянный баллон лампы впаяна металлическая пластинка (вверху баллона).
Эдиссон, подключив случайно эту пластинку к положительному полюсу батареи, а нить накала к отрицательному полюсу батареи, заметил, что в пространстве между нитью и пластинкой течёт электрический ток (гальванометр показал наличие тока).
Это открытие заинтересовало Эдиссона, но объяснить, почему ток течёт через безвоздушное пространство, он не смог.
Дать объяснение указанным явлениям (Явлению 2) и (Явлению 1), стало возможным только после открытия Томсоном электрона и после связи этих явлений с вылетом электронов из нагретого металла нити.
Явление вылета электронов из нагретой нити накала (из нагретого металла) назвали ЯВЛЕНИЕМ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ.
Сейчас, когда мы знаем структуру металла, явление термоэлектронной эмиссии нам понятно. При нагреве нити лампы из неё, получая дополнительную энергию, вылетают свободные электроны (валентные электроны), наиболее слабо связанные со своими атомами. Чем выше становится температура нити накала, тем больше электронов покидает металл.
Металл, из которого вылетели электроны, заряжается положительно и тогда металл начинает притягивать электроны обратно. Около нити накала образуется облако из электронов.
В опыте Эдиссона электроны из электронного облака, притягиваясь к положительно заряженной пластине, впаянной в лампу, и создавали электрический ток в вакуумном пространстве лампы.
Явление термоэлектронной эмиссии объясняет и перегорание нити лампы в "Явлении 1".
А именно, из раскалённой вольфрамовой нити вылетает большое количество электронов, которые, как известно, притягиваются к положительному заряду.
В лампе накаливания наибольший положительный заряд находится на кончике вольфрамовой нити, подсоединённом к положительному проводу.
Этот конец нити подвергался электронной бомбардировке с разных концов нити накала, в первую очередь с противоположного конца нити, подсоединённого к отрицательному проводу сети, что и приводило к перегоранию нити лампы в этом месте.
Какими же особенными свойствами обладают электроны, если им обязано появление науки под названием "Электроника"?
Эти особенности заключаются в том, что электрон имеет очень малую массу и элементарный отрицательный заряд:
Имея малую массу, электрон обладает малой инерционностью (мгновенно реагирует на наличие поля), а наличие заряда позволяет легко управлять потоком электронов с помощью электрического и магнитного полей, ведь движущиеся электроны есть ток.
Мгновенной реакцией электронов на присутствие электрического и магнитного полей и объясняется создание в "Электронике" разных ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ.
Теперь можно дать простое определение науке под названием "Электроника":
ЭЛЕКТРОНИКА - это наука, изучающая движение электронов в ВАКУУМЕ, ГАЗАХ и ПОЛУПРОВОДНИКАХ, а также создающая электронные приборы, используя особенности движения электронов в этих средах.
Эти приборы так и называются - вакуумными, газоразрядными или полупроводниковыми электронными приборами.
В настоящее время последние (полупроводниковые) приборы нашли широчайшее распространение в технике и в быту, а электроника стала занимать ведущее положение в техническом развитии общества.
ВАКУУМНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Первые вакуумные электронные лампы - диод и триод
Рассмотренная схема опыта Эдиссона по существу и есть диод (вакуумная двухэлектродная электронная лампа). Она содержит два электрода, а ток в ней представляет собой направленное движение свободных электронов от катода к аноду.
ВАКУУМНЫЙ ДИОД
Опираясь на открытие Эдиссона, Флеминг в 1904 году создал двухэлектродную электронную лампа (диод). Она представляла собой колбу, из которой откачан воздух и в которой находились два электрода: катод и анод.
Создание вакуума в колбе является обязательным условием. Чем выше вакуум в колбе, тем большее число электронов долетит до анода.
Если воздух из колбы не откачивать, то вылетевшие из катода электроны сразу встречались бы с атомами и молекулами воздуха и, потеряв свою энергию, не достигли бы анода.
На рисунке ниже показана схема работы вакуумного диода.
Если на катод подать отрицательный потенциал, а на анод положительный, то электроны долетят до анода, замкнут изображённую на рисунке электрическую цепь, а амперметр покажет наличие тока в этой цепи.
Теперь представим что будет, если диод включить в цепь переменного тока.
Он будет работать (пропускать через себя ток) только в те периоды времени, когда к аноду приложен положительный потенциал. Это хорошо видно из графика, представленного на следующем рисунке.
Таким образом, диод, включенный в сеть переменного тока, даёт пульсирующий ток, текущий в одном направлении.
Вывод: вакуумный диод на практике можно использовать для выпрямления переменного тока.
ВАКУУМНЫЙ ТРИОД И ЕГО СВОЙСТВА
Особенно большое значение для развития техники, в частности радиотехники, имело создание Форестом в 1906 году трёхэлектродной электронной лампы (триода).
Форест ввёл в диод третий электрод, напоминающий сетку, разместив его между катодом и анодом, ближе к катоду. Эту электронную лампу назвали триодом.
Какую роль играет сетка в лампе?
Если на сетку не подан электрический потенциал, то электроны свободно проходят через неё.
Если на сетку подать небольшой отрицательный потенциал (зарядить её отрицательно), то сетка будет отталкивать от себя электроны, уменьшая этим ток, так как только малая часть электронов пролетит через сетку.
Если отрицательный потенциал сетки увеличить настолько, что она будет отталкивать от себя все электроны обратно к катоду, то анодный ток в цепи прекратится. В этом случае говорят, что лампа "заперта".
Если же на сетку подать небольшой положительный потенциал, то она будет притягивать к себе электроны, разгоняя их (сообщая им ускорение). При этом большинство электронов, несмотря на притяжение к сетке, благодаря большой скорости пролетают через сетку и летят к аноду, так как положительный потенциал анода значительно больше положительного потенциала сетки. Анодный ток в цепи резко возрастает, т. е. триод можно использовать в качестве усилителя электрического сигнала.
Ниже показано, как надо включать триод в электрическую цепь, чтобы он работал как усилитель тока и напряжения.
Хотя при положительном потенциале сетки основная часть электронов пролетает через сетку и летит к аноду, но небольшая часть электронов всё же притягивается сеткой и, попадая на неё, образует сеточный ток. Обычно сеточный ток i очень мал по сравнению с анодным Iа током.
Малому сеточному току соответствует очень большое сеточное сопротивление Rc. Пусть в опыте при сеточном сопротивлении Rc= 1 МОм, сеточный ток оказался равным 1мкА (i =1мкА).
Тогда напряжение на сеточном сопротивлении, равное произведению тока на сопротивление, составит Uc = 1В.
При таком изменении сеточного напряжения (1В), как показывает опыт, анодный ток меняется примерно на (2 - 3)мА.
Значит, изменение тока через сеточное сопротивление на 1мкА вызывает изменение анодного тока в несколько тысяч раз большее.
Таким образом, первоначально очень слабый ток усиливается в несколько тысяч раз. Необходимая для этого энергия берётся от анодной батареи.
Если в анодную цепь включить некоторое нагрузочное сопротивление, например, Rнагр= 10 кОм, то изменение анодного тока на (2 - 3) мА вызовет приращение напряжения на этом сопротивлении (20 - 30) В.
Иначе, изменение сеточного напряжения на 1В изменяет напряжение между точками а и б нагрузочного сопротивления Rнагр на (20 - 30) В.
Таким образом, на нагрузке в анодной цепи получаем очень большое усиление первоначально очень малого сеточного напряжения.
На следующем рисунке показана такая же электрическая цепь, включающая в себя вакуумный триод, но здесь на сетку приложено ПЕРЕМЕННОЕ сеточное напряжение (сеточное напряжение - это напряжение между сеткой и катодом).
Это переменное сеточное напряжение благодаря очень малой массе электронов будет мгновенно ослаблять или увеличивать анодный ток в такт с изменениями напряжения на сетке, т. е. на нагрузке анода появится копия всех изменений сеточного напряжения, но копия значительно увеличенная.
Последний рисунок и демонстрирует большое усиление слабого входного переменного сеточного напряжения в усиленное выходное напряжение на нагрузке анодной цепи.
Итак, триод способен во много раз (во много тысяч раз) усиливать слабые входные напряжения, способен работать в качестве усилителя радиосигналов.
Вот такую огромную роль в техническом развитии общества сыграло введение в вакуумный диод третьего электрода (управляющей движением электронов сетки).
Вакуумный триод способен также генерировать высокочастотные колебания в колебательном контуре. Как это происходит описано в статье "Генераторы высокой частоты. Электрические автоколебания".
С появлением ламповых генераторов стала стремительно развиваться радиотехника.
Стало возможным передавать речь и музыку, используя электромагнитные волны (радиоволны). Как это осуществляется на практике подробно рассмотрено в статье "Изобретение радио. Принципы радиотелефонной связи"
Надо отметить ещё создание очень важного вакуумного прибора, позволяющего наблюдать быстро протекающие электрические процессы, называемого электронно-лучевой трубкой.
Электронно-лучевая трубка
Поместим рисунки, показывающие устройство электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и опишем принцип их работы.
Обычно ЭЛТ- это стеклянная трубка, из которой выкачан воздух. В горловине трубки находится катод, из которого вылетают быстрые электроны. Специальные электронные линзы собирают эти электроны в узкий пучок (электронный луч).
На пути пучка электронов встречаются две пары взаимно перпендикулярно отклоняющих пластин (подавая напряжение на любую пару пластин, можно вызвать отклонение электронного луча вверх-вниз и вправо-влево).
Пройдя через пластины, электронный луч попадает в точку экрана, покрытого особым люминесцентным веществом, который под действием луча начинает светиться.
Точка экрана продолжает светиться ещё несколько секунд и после того, как луч из неё уже ушёл. Обладая огромной скоростью, электронный луч, бегая по экрану, почти непрерывно подсвечивает каждую его точку.
Электронно-лучевые трубки применяются в осциллографах. Здесь на одну пару пластин подаётся напряжение, линейно меняющееся со временем (напряжение развёртки), а на другую пару пластин подаётся исследуемое напряжение. Отклонение электронного луча, вследствие его ничтожной инерционности, без запаздывания следует за изменениями напряжений на обеих парах отклоняющих пластин. При этом луч вычерчивает на экране осциллографа график зависимости исследуемого напряжения от времени.
С помощью ЭЛТ можно наблюдать электрический сигнал в любой точке радиоприёмника или передатчика и производить точную настройку радиоаппаратуры.
Электронно-лучевые трубки позволили создать первые телевизоры (о работе телевизоров будет говориться в следующей статье). Только в телевизорах применялись трубки с магнитным управлением электронным лучом: вместо отклоняющих пластин в них применялись две расположенные снаружи взаимно перпендикулярные системы катушек, каждая из которых создавала перпендикулярное к лучу магнитное поле.
В настоящее время вакуумные диоды и триоды уступили своё место полупроводниковым диодам и триодам (транзисторам), которые обладают лучшими техническими характеристиками: большей надёжностью, долговечностью, меньшей стоимостью, малыми размерами и т. д.
Полупроводниками называются вещества, которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
При низких температурах в чистых полупроводниках (кремний, германий, селен и др.) валентные электроны в их атомах прочно связаны со своими атомами. Свободных электронов нет и вещество ведёт себя как диэлектрик.
Но если полупроводник нагревать, то валентные электроны (находящиеся на дальних орбитах в атомах) приобретают дополнительную энергию и получают возможность оторваться от своих атомов. В результате появляются свободные электроны и вещество становится проводником.
Чистый полупроводник приобретает свойства проводника и в том случае, если в него ввести примеси даже в небольших количествах. Как это происходит, как появляются полупроводники с электронной и дырочной проводимостью, как работают полупроводниковые диоды и триоды узнаете прочтя следующие статьи:
"Занятие 62. Электрический ток в полупроводниках", "Принцип работы полупроводниковых триодов" и "Усилительные свойства полупроводниковых триодов".
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Физика и химия. Как работают химические источники электрического тока.
Следующая запись:Физические основы телевидения. Как передаётся движущееся изображение на расстояние?
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70