Лекции по „Основи електроніки та електротехніки”

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ  УНІВЕРСИТЕТ

Кафедра „Комп’ютерні системи”

 

 

 

 

Конспект лекцій

по курсу „Основи  електроніки та електротехніки”

для студентів інституту комп’ютерних систем

 

 

 

доц. Карпенко В.М.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2002 
З М І С Т

 

 

Частина 1. О  С Н О В И   Е Л Е  К Т Р О Т Е Х Н І  К И

Розділ   1. ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ............................................................3

Розділ 2. ЕЛЕКТРИЧНІ КОЛА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ..................20

Розділ 3. ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ.......................................37

 

Частина 2.    О С Н О В И   Е Л  Е К Т Р О Н І К И

Розділ 4.   НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ.................................56

Розділ 5.   ПРИСТРОЇ  ЕЛЕКТРОНІКИ............................................113

Розділ 6.   ПЕРЕДАЧА  ІНФОРМАЦІЇ  ТА  СИГНАЛИ....................150

Список  літератури..............................................................................166

 

 

Ч а с т и н а  1

о с н о в и    е л  е к т р о т е х н і к и

     

 Розділ  1.  ЕЛЕКТРИЧНЕ  ПОЛЕ

 Поняття  про електричний заряд

Усі тіла в природі складаються з атомів, в яких є позитивно заряджене ядро і негативно заряджені електрони. Якщо позитивний заряд ядра дорівнює негативному заряду електронів, то такий атом є електричне нейтральним. Якщо заряд ядра більше від заряду електронів, то такий атом має позитивний заряд, а якщо менше — то негативний. Ці атоми називаються іонами.

Під час електризації (процесу доповнення або зменшення  електронів у тілі) порушується нейтральність тіла і воно одержує відповідно негативний або позитивний заряд. Позначається електричний заряд буквою Q.

Між зарядженими тілами існує взаємодія. Тіла з різнойменними зарядами притягуються, а з однойменними — відштовхуються.

У міжнародній системі  одиниць (СІ) одиницею електричного заряду Q є кулон (Кл);

Кл = зарядів електрона. Щоб уявити цю кількість зарядів, припустимо, що тіло має негативний заряд в 1 Кл і з нього знімають по І млн електронів за секунду, то знімати їх доведеться 200 тис. років.

При розрахунках електричних зарядів застосовують також мілікулони (мКл) і мікрокулони (мкКл), 1 мКл = , 1 мкКл = Кл.

 

 Означення  електричного поля

Електричним полем називається особлива форма  матерії, в якій відбувається взаємодія електричних зарядів.

Взаємодія електричних  зарядів відбувається у матеріальному середовищі і навколо зарядів. Якщо в середовище внести електричний заряд, то воно зміниться, в усіх його точках діятимуть електричні сили F на кожен заряд, внесений у будь-яку точку цього середовища. Сила дії пропорційна величині електричного заряду.

Електричне  поле нерухомих заряджених тіл з незмінними у часі зарядами називається електростатичним полем.

Закон Кулона. Французький вчений Ш. Кулон у 1785 р. визначив силу взаємодії двох наелектризованих тіл.

Якщо вважати, що лінійні  розміри тіл нескінченно малі, тобто взаємодіють точкові заряджені  тіла (рис. 1.1), тс закон Кулона формулюється так. Сила взаємодії між двома точковими зарядженими тілами прямо пропорційна добутку зарядів цих тіл і обернено пропорційна квадрату відстані між ними:

,

де F — електрична сила, Н; Q₁, Q₂— електричні заряди, Кл; r — відстань між зарядженими тілами, м; e - електрична стала, e₀ = Ф/м;  e_r - відносна діелектрична проникність, задається таблично.

Добуток - характеризує вплив середовища на силу взаємодії між зарядами і називається абсолютною діелектричною проникністю середовища.

 

 Основні  характеристики електричного поля

Електричне поле характеризується потенціалом, напругою і напруженістю. Потенціал   ( j )    є енергетичною характеристикою електричного поля. Взаємодія ектричних зарядів відбувається саме тому, що електричне поле пов'язано з енергією. В електричному полі завжди можна знайти точку, потенціальну енергію якої відносно інших точок можна вважати такою, що дорівнює нулю. Таку точку називають нульовою.

Потенціалом даної точки електричного поля називають  фізичну величину, що характеризує потенціальну енергію в цій точці і чисельно дорівнює роботі, яку необхідно виконати для переміщення одиниці позитивного заряду з цієї точки в нульову. Потенціал визначається за формулою:

де    j  — потенціал даної точки, В; W — потенціальна енергія в точці поля або виконана робота, W == А, Дж; Q — електричний заряд в даній точці, Кл; В = Кл/Дж.

Потенціал точки електричного поля дорівнює одному вольту, якщо при  переміщенні заряду величиною в  один кулон з цієї точки в нульову  виконується робота в один джоуль. Потенціал може бути позитивним, якщо поле утворено позитивним зарядом, і негативним, якщо поле утворено негативним зарядом.

Напругою (U) називається  різниця потенціалів між двома  точками електричного поля:

;

де U — напруга, В; j _А, j _В — потенціали відповідно в точках А і В.

Напруга між двома  точками електричного поля дорівнює роботі, яку треба виконати для переміщення позитивного заряду між цими точками:

;

Напруга дорівнює одному вольту, якщо при переміщенні заряду в один кулон з однієї точки в другу виконується робота в один джоуль:

В=Кл/Дж.

За формулою можна  знайти роботу, необхідну для переміщення  електричних зарядів в електричному полі:

A=UQ.

Як бачимо, робота, виконана по переміщенню електричного заряду, залежить від його величини і напруги між точками і не залежить від шляху переміщення заряду. Напруженістю електричного поля називається фізична величина, що діє на одиничний позитивний заряд, внесений в дану точку поля. Напруженість електричного поля (Е) чисельно дорівнює силі, яка діє на одиничний позитивний заряд:

де Е — напруженість електричного поля; F — електрична сила; Q — електричний заряд. Одиницею напруженості є вольт на метр:

 

 Графічне  зображення електричного пеня

Для наочного зображення електричного поля умовно застосовують електричні силові лінії.

Електричними  силовими лініями називають лінії, які визначають напрям дії сил  електричного поля на позитивний заряд. При різнойменних зарядах електричні силові лінії напрямлені від позитивного заряду до негативного. У кожній точці дотичні до силових ліній збігаються з вектором напруженості в цій точці. Чим більше напруженість електричного поля, тим більше густота електричних силових ліній. Електричні силові лінії при однойменних (позитивних) зарядах зображено на рис. () Якщо в точках електричного поля електричні силові лінії мають однакову густоту, тобто однакову напруженість, то воно називається однорідним, а якщо густота електричних силових ліній в різних точках електричного поля не однакова, тобто напруженість не однакова, то воно називається неоднорідним. Наприклад, електричне поле всередині між двома пластинами з різнойменними  зарядами є однорiдним, а на кінцях пластин — неоднорiдним.

Електричні силові лінії  визначають напрям дії вектора напруженості в даній точці поля.

Електричне поле середовища навколо заряду може бути зображене  не тільки електричними силовими лініями, а й поверхнями рівнозначного  потенціалу, або еквіпотенціальними поверхнями. Навколо зарядженої кулі точки з однаковими потенціалами знаходяться на сферичній поверхні.

Якщо в даній точці  діє електричне поле кількох зарядів, то його напруженість дорівнює геометричній сумі напруженостей  електричних полів зарядів. Так, у точці А діє електричне поле заряду Q₁ з напруженістю е₁ і заряду Q₂ з напруженістю E₂. Геометрична сума напруженостей в цій точці є напруженість Е.

Між напругою і напруженістю електричного поля існує певний взаємозв'язок. Справді, нехай маємо дві паралельні пластини, які розміщені одна від  одної на відстані d і напругу U. Ці пластини утворюють напруженість Е електричного поля. Величина напруги

де А == Fd, тобто робота дорівнює добутку сили, що діє на заряд, на шлях переміщення заряду від однієї пластини до другої. Тоді     . Оскільки , то U = Ed. Звідси ця формула застосовується для розрахунків конденсаторів і придатна тільки для однорідних електричних полів.

.

 

Провідники  й діелектрики в електричному полі

Розглянемо електричне поле в провідниках та однорідних діелектриках. Зазначимо, що провідники мають велику кількість електронів, які покинули орбіти атомів і рухаються хаотично. Такі електрони називаються вільними.

Характерною особливістю  діелектриків є те, що вони мають  дуже малу кількість вільних електронів. Тіла, в яких вільних електронів менше, ніж у провідниках, але більше, ніж у діелектриках, називаються напівпровідниками.

Якщо металевий провідник  знаходиться в електричному полі з напруженістю Е1, то вільні електрони  переміщуються до одного боку, який, завдяки накопиченню електронів, дістає негативний заряд, а протилежний бік провідника через нестачу електронів заряджається позитивно. Тоді в провіднику утворюється внутрішнє електричне поле з напруженістю Е2 напрямлене протилежно до зовнішнього електричного поля Е1. Цей процес відбувається швидко і доти, поки напруженості зовнішнього і внутрішнього полів не зрівняються, тобто е₁ = Е₂. Таке явище називаєтся електростатичною індукцією.

При цьому результуюча напруженість електричного поля у провіднику дорівнюватиме нулю. Це означає, що напруга між двома будь-якими точками провідника теж дорівнює нулю, тобто провідник має сталий потенціал.

Діелектриками є: папір, повітря, скло, парафін, гума, слюда та інші матеріали. Діелектрики на одиницю об'єму мають дуже малу кількість вільних електронів та інших заряджених частинок. Тому, якщо діелектрик знаходиться в зовнішньому електричному полі, то напрямленим рухом цих частинок можна знехтувати.Рис.() Одночасно слід зазначити, що атоми діелектриків мають позитивно заряджене ядро і негативно заряджені, міцно зв'язані з ним, електрони. Загальний потенціал таких атомів нейтральний. Проте під дією зовнішнього електричного поля Е3 відбувається зсув орбіт обертання електронів у бік позитивного заряду цього поля. Тому атоми можна розглядати як електричний диполь, тобто сукупність двох частинок з електричними зарядами, які рівні за величиною, протилежні за знаком і мають дуже малу відстань між собою.

Процес одночасного  зсуву орбіт  атомів діелектриків під дією електричного поля і переміщення зарядів з утворенням диполів викликає струм, який називають струмом зсуву або струмом поляризації:

де i_п — миттєве значення струму поляризації; dQ — миттєве значення заряду; dt — миттєве значення часу.

При повільних електричних  процесах (сталій напрузі i низьких  частотах) струм зсуву не спостерігається, проте він завжди спостерігається  при підключені до конденсатора джерела постійного струму. Тут є зміна електричного поля і струм зсуву. Якщо напруга змінюється безперервно, то струм зсуву буде теж безперервний. Цим пояснюється властивість конденсатора пропускати струм змінного джерела напруги.

Електричні диполі розташовуються вздовж напряму вектора напруженості Е, що створює так звану поляризацію діелектрика рис. Внаслідок такої поляризації від зовнішнього електричного поля в діелектрику будь-якого об'єму, не меншого від об'єму атома, зберігається рівність обох зарядів. Тому діелектрик залишається нейтральним. Проте на боках діелектрика, в місцях прилягання до металевих пластинок, зосереджено частинкі з зарядом одного знака: від'ємного — на боці з позитивною пластиною і додатною — на боці з негативною пластиною. Вони утворюють заряд поляризації діелектрика Qn.

Таким чином, між металевою  пластиною і діелектриком кожного боку знаходяться два типи заряджених частинок: вільні частинки металевих пластин з зарядом Qo, який утворює зовнішнє електричне поле Е₀, і зв'язані частинки діелектрика протилежного знака із загальним зарядом Qn, який утворює внутрішнє електричне поле Еп. Загальна напруженість цих полів у діелектрику визначається так:

Е = Ео -Еп

Характеристики електричного поля в діелектрику порівняно з характеристиками у вакуумі або в повітрі можна визначити, замінивши у відповідній формі  e₀     (електричну сталу для повітря) на  e_а , що характеризує властивості діелектрика і називається абсолютною діелектричною проникністю, причому e_а>e₀. Величина діелектричної проникності різних діелектриків наводиться в таблицях. Здебільшого вона подається як відносна діелектрична проникність   e_r,  яка є відношенням абсолютної діелектричної проникності e_а, до діелектричної сталої e₀. Відносна діелектрична проникність визначає, у скільки разів зменшується сила взаємодії в даному середовищі відносно вакууму або повітря:

 

 Електрична  ємність. Конденсатори

Провідник, який дістав електричний  заряд, стає джерелом електричного поля. При зміні електричного заряду провідника здійснюється певна робота, а тому й енергетична характеристика провідника   (потенціал) змінюється. Властивість провідника накопичувати електричний заряд залежить від розмірів і форми його поверхні та від середовища, в якому знаходиться провідник. Ця залежність виражається за допомогою поняття електричної ємності С.