Kontrollikysymykset .. 18

9. Laboratoriotyö nro 2. Termionisen emission tutkimus alhaisilla päästövirrantiheyksillä . 18

Työmääräys .. 19

Raporttivaatimukset . 19

Kontrollikysymykset .. 19

Johdanto

Emissioelektroniikka tutkii ilmiöitä, jotka liittyvät elektronien emissioon (emission) kondensoituneesta väliaineesta. Elektroniemissio tapahtuu tapauksissa, joissa osa kehon elektroneista hankkii ulkoisen vaikutuksen seurauksena energiaa, joka riittää voittamaan potentiaaliesteen sen rajalla, tai jos ulkoinen sähkökenttä tekee siitä "läpinäkyvän" osalle elektroneja. Ulkoisen vaikutuksen luonteesta riippuen on olemassa:

• lämpöpäästö (runkojen lämmitys);
• sekundaarinen elektroniemissio (pinnan pommittaminen elektroneilla);
• ioni-elektroniemissio (pinnan pommittaminen ioneilla);
• fotoelektroniemissio (sähkömagneettinen säteilytys);
• eksoelektroniikka päästöt (mekaaninen, lämpö- ja muun tyyppinen pintakäsittely);
• kenttäemissio (ulkoinen sähkökenttä) jne.

Kaikissa ilmiöissä, joissa on tarpeen ottaa huomioon joko elektronin poistuminen kiteestä ympäröivään tilaan tai siirtyminen kiteestä toiseen, "työfunktioksi" kutsuttu ominaisuus saa ratkaisevan merkityksen. Työfunktio määritellään vähimmäisenergiaksi, joka tarvitaan elektronin poistamiseen kiinteästä aineesta ja sen sijoittamiseksi pisteeseen, jossa sen potentiaalienergian oletetaan olevan nolla. Erilaisten emissioilmiöiden kuvauksen lisäksi työfunktion käsitteellä on tärkeä rooli selitettäessä kontaktipotentiaalieron esiintymistä kahden metallin, metallin puolijohteen kanssa, kahden puolijohteen kosketuksessa sekä galvaanisia ilmiöitä.

Ohjeet koostuvat kahdesta osasta. Ensimmäinen osa sisältää teoreettista perustietoa kiinteiden aineiden päästöilmiöistä. Päähuomio kiinnitetään termionisen emission ilmiöön. Toisessa osassa kuvataan laboratoriotyötä, joka on omistettu termionisen emission kokeelliselle tutkimukselle, kosketuspotentiaalieron ja työfunktion jakautumisen tutkimukselle näytteen pinnalla.

Osa 1. Teoreettiset perustiedot

1. Elektronityötoiminto. Vaikutus pintatilan työfunktioon

Se, että elektronit pysyvät kiinteän aineen sisällä, osoittaa, että kehon pintakerrokseen syntyy hidastava kenttä, joka estää elektroneja poistumasta siitä ympäröivään tyhjiöön. Kaavamainen esitys mahdollisesta esteestä kiinteän aineen rajalla on esitetty kuvassa. 1. Poistuakseen kiteestä elektronin täytyy tehdä työfunktiota vastaavaa työtä. Erottaa termodynaaminen Ja ulkoinen työtoiminto.

Termodynaaminen työfunktio on tyhjiön nollatason energian ja kiinteän aineen Fermi-energian välinen ero.

Ulkoinen työfunktio (eli elektroniaffiniteetti) on nollatyhjiötason energian ja johtavuuskaistan pohjan energian välinen ero (kuva 1).

Riisi. 1. Kidepotentiaalin muoto U ionien sijaintiviivaa pitkin kiteessä ja kiteen pinta-alalla: ionien paikat on merkitty vaakaviivalla pisteillä; φ=- U /е – työkykypotentiaali; E F – Fermi-energia (negatiivinen); E C– johtavuuskaistan pohjan energia; W O – termodynaaminen työtoiminto; W a – ulkoinen työtoiminto; varjostettu alue edustaa tavanomaisesti täytettyjä elektronisia tiloja

Mahdollisen esteen syntymiselle kiinteän aineen ja tyhjiön rajalla on kaksi pääsyytä. Yksi niistä johtuu siitä, että kiteestä säteilevä elektroni indusoi positiivisen sähkövarauksen sen pinnalle. Elektronin ja kiteen pinnan väliin syntyy houkutteleva voima (sähköinen kuvavoima, katso osa 5, kuva 12), joka pyrkii palauttamaan elektronin takaisin kiteen. Toinen syy johtuu siitä, että elektronit voivat lämpöliikkeen vuoksi ylittää metallin pinnan ja siirtyä pois siitä lyhyille etäisyyksille (atomien luokkaa). Ne muodostavat negatiivisesti varautuneen kerroksen pinnan yläpuolelle. Tässä tapauksessa elektronien karkaamisen jälkeen kiteen pinnalle muodostuu positiivisesti varautunut ionikerros. Tämän seurauksena muodostuu sähköinen kaksoiskerros. Se ei luo kenttää ulkoavaruuteen, mutta se vaatii myös työtä voittaakseen sähkökentän itse kaksoiskerroksen sisällä.

Useimpien metallien ja puolijohteiden työfunktioarvo on useita elektronivoltteja. Esimerkiksi litiumin työfunktio on 2,38 eV, raudan – 4,31 eV, germaniumin – 4,76 eV, piin – 4,8 eV. Työfunktion arvon määrää suurelta osin sen yksikidepinnan kristallografinen orientaatio, josta elektroniemissio tapahtuu. Volframitason (110) työfunktio on 5,3 eV, tasoilla (111) ja (100) nämä arvot ovat 4,4 eV ja 4,6 eV.

Kiteen pinnalle kerrostuneilla ohuilla kerroksilla on suuri vaikutus työskentelyyn. Kiteen pinnalle kerrostuneet atomit tai molekyylit luovuttavat sille usein elektronin tai ottavat vastaan ​​elektronin ja muuttuvat ioneiksi. Kuvassa Kuva 2 esittää metallin ja eristetyn atomin energiakaaviota tapaukseen, jossa elektronin termodynaaminen työfunktio metallista W 0 suurempi kuin ionisaatioenergia E-ioni sen pinnalle kerrostunut atomin elektroni on tässä tilanteessa energeettisesti edullinen tunneli metalliin ja laskeudu siinä Fermi-tasolle. Tällaisilla atomeilla peitetty metallipinta varautuu negatiivisesti ja muodostaa kaksinkertaisen sähkökerroksen positiivisilla ioneilla, joiden kenttä heikentää metallin työtoimintoa. Kuvassa Kuvassa 3 a esittää volframikidettä, joka on päällystetty yksikerroksisella cesiumkerroksella. Tässä yllä käsitelty tilanne toteutuu, koska energia E-ioni cesium (3,9 eV) on pienempi kuin volframin (4,5 eV) työfunktio. Kokeissa työfunktio pienenee yli kolme kertaa. Päinvastainen tilanne havaitaan, jos volframi on peitetty happiatomeilla (kuva 3 b). Koska valenssielektronien sidos hapessa on vahvempi kuin volframissa, muodostuu happea adsorboituessa volframin pintaan sähköinen kaksoiskerros, joka lisää metallin työtoimintoa. Yleisin tapaus on, kun pinnalle kerrostunut atomi ei luovuta kokonaan elektroniaan metallille tai ottaa sisäänsä ylimääräistä elektronia, vaan muuttaa elektronikuorensa muotoaan siten, että pinnalle adsorboituneet atomit polarisoituvat ja muuttuvat sähködipoleiksi (kuva 1). . 3c). Dipolien orientaatiosta riippuen metallin työfunktio heikkenee (dipolien orientaatio vastaa kuvaa 3c) tai kasvaa.

2. Termioninen emissioilmiö

Termoemissio on yksi kiinteän aineen pinnasta tulevan elektronien emission tyypeistä. Termionisen emission tapauksessa ulkoinen vaikutus liittyy kiinteän aineen kuumenemiseen.

Termoemissioilmiö on elektronien lähettäminen kuumennetuista kappaleista (emitterit) tyhjiöön tai muuhun väliaineeseen.

Termodynaamisissa tasapainoolosuhteissa elektronien lukumäärä n(E), joiden energia on välillä E ennen E+d E, määräytyy Fermi-Diracin tilastojen mukaan:

,(1)

Missä g(E)– energiaa vastaavien kvanttitilojen lukumäärä E; E F – Fermi-energia; k– Boltzmannin vakio; T- absoluuttinen lämpötila.

Kuvassa Kuvassa 4 on esitetty metallin energiakaavio ja elektronien energian jakautumiskäyrät T=0 K, alhaisessa lämpötilassa T 1 ja korkeissa lämpötiloissa T 2. 0 K:ssa kaikkien elektronien energia on pienempi kuin Fermin energia. Yksikään elektroneista ei voi poistua kiteestä, eikä termistä emissiota havaita. Lämpötilan noustessa metallista poistuvien termisesti virittyneiden elektronien määrä kasvaa, mikä aiheuttaa termionisen emission ilmiön. Kuvassa 4 tätä kuvaa se tosiasia, että milloin T = T 2 jakautumiskäyrän "häntä" ylittää potentiaalikaivon nollatason. Tämä osoittaa elektronien ilmaantumista, joiden energia ylittää potentiaaliesteen korkeuden.

Metalleilla työfunktio on useita elektronivoltteja. Energiaa k T jopa tuhansien kelvinien lämpötiloissa on elektronivoltin murto-osa. Puhtaille metalleille voidaan saada merkittävä elektroniemissio noin 2000 K:n lämpötilassa. Esimerkiksi puhtaassa volframissa havaittava emissio voidaan saada 2500 K:n lämpötilassa.

Termionisen emission tutkimiseksi on tarpeen luoda sähkökenttä kuumennetun kappaleen (katodi) pinnalle, kiihdyttäen elektroneja niiden poistamiseksi (imu) emitterin pinnalta. Sähkökentän vaikutuksesta emittoidut elektronit alkavat liikkua ja muodostuu sähkövirta, jota kutsutaan terminen. Termionisen virran tarkkailuun käytetään yleensä tyhjiodiodia - elektroniputkea, jossa on kaksi elektrodia. Lampun katodi on hehkulanka, joka on valmistettu tulenkestävästä metallista (volframi, molybdeeni jne.), jota lämmitetään sähkövirralla. Anodi on yleensä metallisylinterin muotoinen, joka ympäröi lämmitettyä katodia. Termionisen virran tarkkailemiseksi diodi kytketään kuvan 1 mukaiseen piiriin. 5. On selvää, että termionisen virran voimakkuuden tulisi kasvaa potentiaalieron kasvaessa V anodin ja katodin välillä. Tämä lisäys ei kuitenkaan ole suhteellinen V(Kuva 6). Kun tietty jännite saavutetaan, lämpövirran kasvu käytännössä pysähtyy. Termionisen virran raja-arvoa tietyssä katodin lämpötilassa kutsutaan kyllästysvirraksi. Kyllästysvirran suuruus määräytyy niiden termionisten elektronien lukumäärän mukaan, jotka pystyvät poistumaan katodin pinnasta aikayksikköä kohti. Tässä tapauksessa kaikki katodin termionisen emission tuottamat elektronit käytetään sähkövirran tuottamiseen.

3. Termionisen virran riippuvuus lämpötilasta. Kaava Richardson-Deshman

Kun lasketaan termionisen virrantiheys käytämme elektronikaasumallia ja sovellamme Fermi-Dirac tilastot siihen. On selvää, että termionisen virran tiheyden määrää lähellä kiteen pintaa olevan elektronipilven tiheys, joka kuvataan kaavalla (1). Tässä kaavassa siirrytään elektronien energiajakaumasta elektronien liikemääräjakaumaan. Tässä tapauksessa otamme huomioon, että elektroniaaltovektorin sallitut arvot k V k -tila jaetaan tasaisesti siten, että jokaiselle arvolle k osuus 8 s 3 (jos kidetilavuus on yhtä). Ottaen huomioon, että elektronin liikemäärä p =ћ k saamme, että kvanttitilojen lukumäärä liikemääräavaruuden tilavuuselementissä dp xdp ydp z tulee olemaan tasa-arvoisia

(2)

Kaksi kaavan (2) osoittajassa ottaa huomioon kaksi mahdollista elektronin spinin arvoa.

Ohjataan akselia z suorakulmainen koordinaattijärjestelmä, joka on normaali katodin pintaan nähden (kuva 7). Valitaan kiteen pinnalta pinta-alayksikkö ja rakennetaan sille, kuten alustalle, suorakaiteen muotoinen suuntaissärmiö, jossa on sivureuna v z =p z /m n(m n– efektiivinen elektronimassa). Elektronit vaikuttavat komponentin kyllästysvirrantiheyteen v z akselin nopeus z. Yhden elektronin panos virrantiheyteen on yhtä suuri

(3)

Missä e- elektronivaraus.

Elektronien lukumäärä suuntaissärmiössä, jonka nopeudet sisältyvät tarkasteltavaan väliin:

Jotta kidehila ei tuhoutuisi elektronien emission aikana, merkityksettömän osan elektroneista on poistuttava kiteestä. Tätä varten, kuten kaava (4) osoittaa, ehdon on täytyttävä HÄNENF>> k T. Tällaisille elektroneille voidaan jättää huomiotta yksikkö kaavan (4) nimittäjässä. Sitten tämä kaava muunnetaan muotoon

(5)

Etsitään nyt elektronien lukumäärä dN tarkasteltavassa laajuudessa, z-jonka impulssikomponentti on välissä R z Ja R z +dp z. Tätä varten edellinen lauseke on integroitava päälle R x Ja R y välillä –∞ - +∞. Integroinnissa on otettava huomioon se

,

ja käytä taulukkointegraalia

,.

Tuloksena saamme

.(6)

Ottakaamme nyt huomioon (3), etsitään kaikkien suuntaissärmiön elektronien synnyttämän termionisen virran tiheys. Tätä varten lauseke (6) on integroitava kaikille elektroneille, joiden kineettinen energia on Fermin tasolla E ≥E F +W 0 Vain sellaiset elektronit voivat poistua kiteestä ja vain niillä on rooli lämpövirran laskemisessa. Tällaisten elektronien liikemäärän komponentti akselia pitkin Z täytyy täyttää ehto

Siksi kyllästysvirran tiheys

Integrointi suoritetaan kaikille arvoille. Otetaan käyttöön uusi integraatiomuuttuja

Sitten p z dp z =m n du Ja

.(8)

Tuloksena saamme

,(9)

,(10)

missä on vakio

.

Tasa-arvoa (10) kutsutaan kaavaksi Richardson-Deshman. Termionisen kyllästysvirran tiheyttä mittaamalla voidaan tämän kaavan avulla laskea vakio A ja työfunktio W 0 . Kokeellisia laskelmia varten kaava Richardson-Deshman se on kätevä esittää muodossa

Tässä tapauksessa kaavio näyttää riippuvuuden ln(js/T 2) alkaen 1 /T ilmaistaan ​​suoralla viivalla. Suoran ja ordinaatta-akselin leikkauspisteestä lasketaan ln A , ja suoran kaltevuuskulman perusteella määritetään työfunktio (kuva 8).

4. Kosketinpotentiaaliero

Tarkastellaan prosesseja, jotka tapahtuvat kahden elektronisen johtimen, esimerkiksi kahden metallin, joilla on eri työtehtävä, lähestyy ja koskettaa. Näiden metallien energiakaaviot on esitetty kuvassa. 9. Anna EF 1 Ja EF 2 on Fermi-energia ensimmäiselle ja toiselle metallille, vastaavasti, ja W 01 Ja W 02– heidän työtehtävänsä. Eristetyssä tilassa metalleilla on sama tyhjiötaso ja siten eri Fermi-tasot. Oletetaan varmuuden vuoksi W 01< W 02, silloin ensimmäisen metallin Fermi-taso on korkeampi kuin toisen (kuva 9 a). Kun nämä metallit joutuvat kosketuksiin metallin 1 käytössä olevia elektronisia tiloja vastapäätä, metallilla 2 on vapaita energiatasoja. Siksi näiden johtimien kosketuksissa syntyy elektronivirta johtimesta 1 johtimeen 2. Tämä johtaa tosiasia, että ensimmäinen johdin, joka menettää elektroneja, varautuu positiivisesti ja toinen johdin hankkii ylimääräinen negatiivinen varaus on latautunut negatiivisesti. Latauksen ansiosta metallin 1 energiatasot siirtyvät alas ja metalli 2 ylös. Tason siirtymäprosessi ja elektronin siirtyminen johtimesta 1 johtimeen 2 jatkuvat, kunnes molempien johtimien Fermi-tasot ovat kohdakkain (kuva 9 b). Kuten tästä kuvasta voidaan nähdä, tasapainotila vastaa johtimien 0 1 ja 0 2 nollatasojen välistä potentiaalieroa:

.(11)

Mahdollinen eroavaisuus V K.R.P nimeltään kosketuspotentiaaliero. Näin ollen kontaktipotentiaalin ero määräytyy kontaktijohtimien elektronien työfunktion eron perusteella. Saatu tulos pätee kaikkiin menetelmiin elektronien vaihtamiseksi kahden materiaalin välillä, mukaan lukien termioninen emissio tyhjiössä, ulkoisen piirin kautta jne. Samanlaisia ​​tuloksia saadaan, kun metalli joutuu kosketukseen puolijohteen kanssa. Metallien ja puolijohteen välille syntyy kosketuspotentiaaliero, joka on suunnilleen samaa suuruusluokkaa kuin kahden metallin kosketuksessa (noin 1 V). Ainoa ero on, että jos johtimissa koko kosketuspotentiaaliero putoaa lähes metallien väliseen rakoon, niin metallin joutuessa kosketuksiin puolijohteen kanssa koko kosketuspotentiaaliero putoaa puolijohteeseen, jossa on riittävän suuri kerros. muodostunut, rikastunut tai tyhjentynyt elektroneista. Jos tämä kerros on tyhjentynyt elektroneista (jos n-tyypin puolijohteen työfunktio on pienempi kuin metallin työfunktio), niin tällainen kerros estämiseksi ja sellaiseksi siirtymäksi on suoristusominaisuuksia. Potentiaalisulkua, joka syntyy metallin tasasuuntaavassa kosketuksessa puolijohteen kanssa, kutsutaan Schottky este ja sen perusteella toimivat diodit - Schottky diodit.

Voltti-ampeeriTermionisen katodin ominaisuudet alhaisilla emissiovirrantiheyksillä. Schottky-efekti

Jos termionisen katodin ja diodin anodin välille syntyy potentiaaliero (kuva 5) V, estäen elektronien liikkeen anodille, silloin vain ne, jotka lentävät katodilta ulos kineettisellä energiavaralla, joka on vähintään anodin ja katodin välisen sähköstaattisen kentän energia, voivat saavuttaa anodin, ts. -e V(V< 0). Tätä varten niiden energian termionisessa katodissa ei saa olla vähemmän W 0 –еV. Sitten korvataan kaavassa Richardson-Deshman (10) W 0 päällä W 0 –еV, saamme seuraavan lausekkeen lämpöemissiovirrantiheydelle:

,(12)

Tässä j S– kyllästysvirran tiheys. Otetaan tämän lausekkeen logaritmi

.(13)

Kun anodilla on positiivinen potentiaali, kaikki termionisesta katodista lähtevät elektronit laskeutuvat anodille. Siksi piirin virran ei pitäisi muuttua, vaan se pysyy samana kuin kyllästysvirta. Täten, voltti-ampeeri Lämpökatodin ominaiskäyrä (virta-jännite-ominaisuus) on kuviossa 2 esitetyn muodon mukainen. 10 (käyrä a).

Samanlainen virta-jännite-ominaisuus havaitaan vain suhteellisen alhaisilla emissiovirtatiheyksillä ja korkeilla positiivisilla potentiaaleilla anodilla, kun merkittävää elektronitilavarausta ei synny lähelle emittoivaa pintaa. Termionisen katodin virta-jännite-ominaisuudet ottaen huomioon tilavarauksen, joita käsitellään luvussa. 6.

Huomattakoon toinen tärkeä virta-jännite-ominaisuuden piirre pienillä emissiovirtatiheyksillä. Johtopäätös on, että lämpövirta saavuttaa kyllästymisen klo V=0, pätee vain siinä tapauksessa, että katodi- ja anodimateriaalilla on sama termodynaaminen työfunktio. Jos katodin ja anodin työtoiminnot eivät ole samat, syntyy anodin ja katodin välillä kosketuspotentiaaliero. Tässä tapauksessa jopa ulkoisen sähkökentän puuttuessa ( V=0) anodin ja katodin välillä on sähkökenttä kontaktipotentiaalieron vuoksi. Esimerkiksi jos W 0k< W 0a silloin anodi varautuu negatiivisesti katodiin nähden. Kosketinpotentiaalieron tuhoamiseksi anodiin tulee soveltaa positiivista esijännitettä. Siksi voltti-ampeeri kuumakatodin ominaisuus siirtyy kosketuspotentiaalieron määrällä kohti positiivista potentiaalia (kuva 10, käyrä b). Käänteisen suhteen välillä W 0k Ja W 0a virta-jännite-ominaisuuden siirtymän suunta on päinvastainen (käyrä c kuvassa 10).

Johtopäätös kyllästysvirrantiheyden riippumattomuudesta at V>0 on erittäin idealisoitu. Termionisen emission todellisissa virta-jännite-ominaisuuksissa termionisessa emissiovirrassa havaitaan pientä kasvua virran kasvaessa V kylläisyystilassa, joka liittyy Schottky-efekti(Kuva 11).

Schottky-ilmiö on elektronien työfunktion lasku kiinteistä aineista ulkoisen kiihdyttävän sähkökentän vaikutuksesta.

Selittääksesi Schottky-ilmiön, harkitse voimia, jotka vaikuttavat elektroniin lähellä kiteen pintaa. Sähköstaattisen induktion lain mukaisesti kiteen pinnalle indusoituu vastakkaisen etumerkin pintavarauksia, jotka määräävät elektronin vuorovaikutuksen kiteen pinnan kanssa. Sähköisten kuvien menetelmän mukaisesti todellisten pintavarausten vaikutus elektroniin korvataan kuvitteellisen toiminnan vaikutuksella. piste positiivinen veloittaa +e, joka sijaitsee samalla etäisyydellä kiteen pinnasta kuin elektroni, mutta pinnan vastakkaisella puolella (kuva 12). Sitten Coulombin lain mukaisesti kahden pistevarauksen välinen vuorovaikutusvoima

,(14)

Tässä ε o– sähkövakio: X on elektronin ja kiteen pinnan välinen etäisyys.

Sähköisen kuvan voimakentässä olevan elektronin potentiaalienergia, jos se lasketaan tyhjiön nollatasosta, on yhtä suuri kuin

.(15)

Elektronin potentiaalienergia ulkoisessa kiihtyvässä sähkökentässä E

Elektronin kokonaispotentiaalienergia

.(17)

Graafinen määritys kiteen pinnan lähellä sijaitsevan elektronin kokonaisenergiasta on esitetty kuvassa. 13, joka osoittaa selvästi kiteestä tulevan elektronin työfunktion vähenemisen. Kokonaiselektronin potentiaalienergiakäyrä (kiinteä käyrä kuvassa 13) saavuttaa maksimin pisteessä x m:

.(18)

Tämä piste on 10 Å:n päässä pinnasta ulkoisella kentänvoimakkuudella » 3× 10 6 V/cm.

Pisteessä X m potentiaalinen kokonaisenergia, joka on yhtä suuri kuin potentiaaliesteen väheneminen (ja siten työfunktion väheneminen),

.(19)

Schottky-ilmiön seurauksena lämpödiodivirta positiivisella jännitteellä anodilla kasvaa anodijännitteen kasvaessa. Tämä vaikutus ei ilmene vain elektronien emittoiessa tyhjiöön, vaan myös silloin, kun ne liikkuvat metalli-puolijohde- tai metalli-eristekontaktien läpi.

6. Tyhjiövirrat rajoittavat tilavarauksen. "Kolmen sekunnin" laki

Suurilla lämpöemissiovirtatiheyksillä katodin ja anodin väliin muodostuva tilavuus negatiivinen varaus vaikuttaa merkittävästi virta-jännite-ominaisuuteen. Tämä negatiivinen bulkkivaraus estää katodista karkaavia elektroneja saavuttamasta anodia. Siten anodivirta osoittautuu pienemmäksi kuin katodista tuleva elektronien emissiovirta. Kun anodiin kohdistetaan positiivinen potentiaali, katodilla avaruusvarauksen synnyttämä lisäpotentiaalisulku pienenee ja anodivirta kasvaa. Tämä on laadullinen kuva tilavarauksen vaikutuksesta lämpödiodin virta-jännite-ominaisuuteen. Langmuir tutki tätä kysymystä teoreettisesti vuonna 1913.

Lasketaan useilla yksinkertaistavilla oletuksilla lämpödiodin virran riippuvuus anodin ja katodin välisestä ulkoisesta potentiaalierosta ja selvitetään kentän, potentiaalin ja elektronikonsentraation jakauma anodin ja katodin välillä ottaen huomioon tilamaksu.

Riisi. 14. "Kolmen sekunnin" lain päätökseen

Oletetaan, että diodielektrodit ovat litteitä. Pieni etäisyys anodin ja katodin välillä d niitä voidaan pitää äärettömän suurina. Asetamme koordinaattien origon katodin pinnalle ja akselille X Suunnataan se kohtisuoraan tähän pintaan anodia kohti (kuva 14). Pidämme katodin lämpötilan vakiona ja tasaisena T. Sähköstaattisen kentän potentiaali j , joka on anodin ja katodin välisessä tilassa, on vain yhden koordinaatin funktio X. Hänen täytyy tyydyttää Poissonin yhtälö

,(20)

Tässä r – tilavuusvaraustiheys; n– elektronipitoisuus; j , r Ja n ovat koordinaatin funktioita X.

Ottaen huomioon, että katodin ja anodin välinen virrantiheys

ja elektronin nopeus v voidaan määrittää yhtälöstä

Missä m– elektronin massa, yhtälö (20) voidaan muuntaa muotoon

, .(21)

Tätä yhtälöä on täydennettävä reunaehdoilla

Nämä rajaehdot johtuvat siitä, että katodin pinnalla olevan potentiaalin ja sähkökentän voimakkuuden täytyy hävitä. Kerrotaan yhtälön (21) molemmat puolet dj /dx, saamme

.(23)

Ottaen huomioon

(24a)

Ja ,(24b)

kirjoitamme (23) muotoon

.(25)

Nyt voimme integroida yhtälön (25) molemmat puolet X vaihtelevat 0:sta tähän arvoon x, jossa potentiaali on yhtä suuri j . Sitten, ottaen huomioon reunaehdot (22), saamme

Integroi molemmat osat (27) alkaen X=0, j =0 to X=1, j= V a, saamme

.(28)

Neliöimällä yhtälön (28) molemmat puolet ja ilmaisemalla virrantiheys j alkaen A(21) mukaan saamme

.(30)

Kaavaa (29) kutsutaan Langmuirin "kolmen sekunnin laiksi".

Tämä laki pätee mielivaltaisen muotoisille elektrodeille. Numeerisen kertoimen lauseke riippuu elektrodien muodosta. Yllä saadut kaavat mahdollistavat potentiaalin, sähkökentän voimakkuuden ja elektronitiheyden jakaumien laskemisen katodin ja anodin välisessä tilassa. Ilmaisun integrointi (26) alkaen X=0 arvoon, kun potentiaali on yhtä suuri j , johtaa suhteeseen

nuo. potentiaali vaihtelee suhteessa etäisyyteen katodista X 4/3:n teholla. Johdannainen dj/ dx luonnehtii sähkökentän voimakkuutta elektrodien välillä. Kohdan (26) mukaan sähkökentän voimakkuuden suuruus E ~X 19 . Lopuksi elektronipitoisuus

(32)

ja (31) mukaan n(x)~ (1/x) 2/9 .

Riippuvuudet j (X ), E(X) Ja n(X) on esitetty kuvassa. 15. Jos X→0, silloin pitoisuus pyrkii äärettömään. Tämä on seurausta elektronien lämpönopeuksien huomiotta jättämisestä katodilla. Todellisessa tilanteessa termionisen emission aikana elektronit eivät poistu katodista nollanopeudella, vaan tietyllä rajallisella emissionopeudella. Tässä tapauksessa anodivirta on olemassa, vaikka katodin lähellä olisi pieni käänteinen sähkökenttä. Näin ollen tilavuusvaraustiheys voi muuttua sellaisiksi arvoiksi, että katodin lähellä oleva potentiaali pienenee negatiivisiksi arvoiksi (kuva 16). Anodin jännitteen kasvaessa minimipotentiaali pienenee ja lähestyy katodia (käyrät 1 ja 2 kuvassa 16). Riittävän korkealla jännitteellä anodilla minimipotentiaali sulautuu katodin kanssa, katodin kentänvoimakkuus muuttuu nollaksi ja riippuvuus j (X) lähestyy (29), joka on laskettu ottamatta huomioon elektronien alkunopeuksia (käyrä 3 kuvassa 16). Suurilla anodisilla jännitteillä tilavaraus on lähes täysin liuennut ja katodin ja anodin välinen potentiaali muuttuu lineaarisen lain mukaan (käyrä 4, kuva 16).

Siten potentiaalijakauma elektrodien välisessä avaruudessa, ottaen huomioon elektronien alkunopeudet, poikkeaa merkittävästi siitä, mikä on idealisoidun mallin perusta johdettaessa "kolmen sekunnin" lakia. Tämä johtaa anodin virrantiheyden muutokseen ja riippuvuuteen. Laskenta ottaen huomioon elektronien alkunopeudet kuvassa 2 esitetyn potentiaalijakauman tapauksessa. 17, ja sylinterimäisille elektrodeille antaa seuraavan riippuvuuden termioniselle kokonaisemissiovirralle minä (minä=jS, Missä S- lämpövirran poikkipinta-ala):

.(33)

Vaihtoehdot x m Ja Vm riippuvuuden tyypin mukaan j (X), niiden merkitys käy selvästi ilmi kuvasta. 17. Parametri X m yhtä suuri kuin etäisyys katodista, jolla potentiaali saavuttaa minimiarvonsa = Vm. Tekijä C(x m), paitsi x m, riippuu katodin ja anodin säteistä. Yhtälö (33) pätee pienille anodijännitteen muutoksille, koska Ja X m Ja Vm, kuten edellä mainittiin, riippuvat anodin jännitteestä.

Siten "kolmen sekunnin" laki ei ole universaali, se pätee vain suhteellisen kapealla jännitteiden ja virtojen alueella. Se on kuitenkin selkeä esimerkki virran ja jännitteen välisestä epälineaarisesta suhteesta elektroniikkalaitteessa. Virta-jännite-ominaisuuden epälineaarisuus on monien radio- ja sähköpiirien elementtien tärkein ominaisuus, mukaan lukien puolijohdeelektroniikan elementit.

Osa 2. Laboratoriotyöt

7. Kokeellinen järjestely termionisen emission tutkimiseksi

Laboratoriotyöt nro 1 ja 2 tehdään yhdelle laboratoriolaitteistolle, joka toteutetaan yleisen laboratoriotelineen pohjalta. Asennuskaavio näkyy kuvassa. 18. Mittausosassa on EL-tyhjiödiodi, jossa on suoraan tai epäsuorasti lämmitetty katodi. Mittausosan etupaneelissa näkyvät hehkulangan "Hehkulamppu", anodin "Anodi" ja katodin "Cathode" koskettimet. Hehkulangan lähde on tyypin B5-44A stabiloitu tasavirtalähde. I-kuvake kaaviossa osoittaa, että lähde toimii nykyisessä stabilointitilassa. Tasavirtalähteen kanssa työskentelyohjeet löytyvät tämän laitteen teknisestä kuvauksesta ja käyttöohjeista. Samanlaiset kuvaukset ovat saatavilla kaikista laboratoriotyössä käytettävistä sähkömittauslaitteista. Anodipiiri sisältää stabiloidun tasavirtalähteen B5-45A ja universaalin digitaalisen volttimittarin B7-21A, jota käytetään tasavirran mittaustilassa lämpödiodin anodivirran mittaamiseen. Anodin jännitteen ja katodin lämmitysvirran mittaamiseen voit käyttää virtalähteeseen sisäänrakennettuja laitteita tai liittää ylimääräisen volttimittarin RV7-32 katodin jännitteen tarkempaan mittaamiseen.

Mittausosassa voi olla alipainediodeja, joilla on erilaiset toimivat katodifilamenttivirrat. Hehkulangan nimellisvirralla diodi toimii tilassa, jossa anodin virtaa rajoitetaan tilavarauksella. Tämä tila on tarpeen laboratoriotyön nro 1 suorittamiseksi. Laboratoriotyö nro 2 suoritetaan alennetuilla filamenttivirroilla, kun tilavarauksen vaikutus on merkityksetön. Hehkulangan virtaa asetettaessa tulee olla erityisen varovainen, koska Hehkulangan virran ylittäminen nimellisarvon yläpuolella tietyllä tyhjiöputkella johtaa katodilangan palamiseen ja diodin rikkoutumiseen. Varmista siis työhön valmistautuessasi opettajaltasi tai insinööriltäsi työssä käytetyn diodin käyttöhehkulangan virran arvo, muista kirjoittaa tiedot työkirjaan ja käyttää niitä raporttia laadittaessa. laboratoriotyöt.

8. Laboratoriotyö nro 1. Avaruusvarauksen vaikutuksen tutkiminen voltti-ampeerilämpövirran ominaisuudet

Työn tarkoitus: kokeellinen tutkimus termionisen emissiovirran riippuvuudesta anodijännitteestä, eksponentin määritys "kolmen sekunnin" laissa.

Voltti-ampeeri Termionisen emissiovirran ominaisuutta kuvaa "kolmen sekunnin" laki (katso osa 6). Tämä diodin toimintatapa tapahtuu riittävän suurilla katodifilamenttivirroilla. Tyypillisesti hehkulangan nimellisvirralla tyhjiodiodivirtaa rajoittaa tilavaraus.

Kokeellinen järjestely tämän laboratoriotyön suorittamiseksi on kuvattu kohdassa Sect. 7. Työn aikana on tarpeen mitata diodin virta-jännite-ominaisuus hehkulangan nimellisvirralla. Käytettävän alipaineputken käyttövirta-asteikon arvo tulee ottaa opettajalta tai insinööriltä ja kirjoittaa työkirjaan.

Työmääräys

1. Tutustu kokeellisen järjestelmän toimintaan tarvittavien instrumenttien kuvaukseen ja käyttömenettelyyn. Kokoa piiri kuvan 18 mukaisesti. Asennus voidaan liittää verkkoon vasta, kun insinööri tai opettaja on tarkistanut kootun piirin oikeellisuuden.

2. Kytke katodilangan virransyöttö päälle ja aseta tarvittava hehkulangan virta. Koska hehkulangan virran muuttuessa hehkulangan lämpötila ja vastus muuttuvat, mikä puolestaan ​​johtaa hehkulangan virran muutokseen, säätö on suoritettava peräkkäisten approksimaatioiden menetelmällä. Kun säätö on suoritettu loppuun, sinun on odotettava noin 5 minuuttia, jotta hehkulangan virta ja katodin lämpötila stabiloituvat.

3. Liitä vakiojännitelähde anodipiiriin ja mittaa virta-jännite ominaiskäyrä piste pisteeltä muuttamalla anodin jännitettä. Otetaan virta-jännite-ominaiskäyrä välillä 0...25 V, 0,5...1 V välein.

Ia(V a), Missä Ia- anodivirta, V a- anodijännite.

5. Jos anodijännitteen muutosalue otetaan pieneksi, niin arvot x m, C(x,n) Ja Vm, joka sisältyy kaavaan (33), voidaan pitää vakiona. Vapaana V a koko Vm voidaan jättää huomiotta. Tämän seurauksena kaava (33) muunnetaan muotoon (lämpövirran tiheydestä siirtymisen jälkeen j täyteen arvoonsa minä)

6. Määritä arvo kaavasta (34). KANSSA kolmelle anodijännitteen maksimiarvolle virta-jännite-ominaiskäyrässä. Laske saatujen arvojen aritmeettinen keskiarvo. Korvaa tämä arvo kaavaan (33) ja määritä arvo Vm kolmelle minimijännitearvolle anodilla ja laske aritmeettinen keskiarvo Vm.

7. Käyttämällä saatua arvoa Vm, piirrä ln:n riippuvuus Ia alkaen ln( V a+|Vm|). Määritä riippuvuuden aste tämän kuvaajan kulman tangentista Ia(V a + Vm). Sen pitäisi olla lähellä 1,5.

8. Valmistele työstä raportti.

Raporttivaatimukset

5. Johtopäätökset työstä.

Kontrollikysymykset

1. Millä nimellä termionisen emission ilmiötä kutsutaan? Määrittele elektronin työfunktio. Mitä eroa on termodynaamisen ja ulkoisen työfunktion välillä?

2. Selitä syyt mahdollisen esteen syntymiseen kiinteän aineen ja tyhjiön rajalla.

3. Selitä metallin energiakaavion ja elektronien energian jakautumiskäyrän perusteella elektronien lämpöemissio metallista.

4. Missä olosuhteissa termioninen virta havaitaan? Kuinka voit tarkkailla lämpövirtaa? Kuinka lämpödiodin virta riippuu käytetystä sähkökentästä?

5. Ilmoita laki Richardson-Deshman

6. Selitä laadullinen kuva negatiivisen tilavuusvarauksen vaikutuksesta lämpödiodin virta-jännite-ominaisuuteen. Muotoile Langmuirin "kolmen sekunnin" laki.

7. Mitkä ovat potentiaalin, sähkökentän voimakkuuden ja elektronitiheyden jakaumat katodin ja anodin välisessä tilassa avaruusvarauksen rajoittamilla virroilla?

8. Mikä on termisen emissiovirran riippuvuus anodin ja katodin välisestä jännitteestä, kun otetaan huomioon tilavaraus ja elektronien alkunopeudet? Selitä parametrien merkitys, jotka määrittävät tämän riippuvuuden;

9. Selitä kokeellisen järjestelyn suunnittelu termionisen emission tutkimiseksi. Selitä piirin yksittäisten elementtien tarkoitus.

10. Selitä menetelmä eksponentin kokeelliseksi määrittämiseksi "kolmen sekunnin" laissa.

9. Laboratoriotyö nro 2. Termionisen emission tutkimus alhaisilla päästövirrantiheyksillä

Työn tarkoitus: tutkia lämpödiodin virta-jännite-ominaisuuksia alhaisella katodin lämmitysvirralla. Katodin ja anodin välisen kosketuspotentiaalieron, katodin lämpötilan määritys kokeellisista tuloksista.

Alhaisilla lämpövirrantiheyksillä voltti-ampeeri ominaisuudella on tunnusomainen ulkonäkö, jonka käännepiste vastaa katodin ja anodin välisen kosketuspotentiaalieron moduulia (kuva 10). Katodin lämpötila voidaan määrittää seuraavasti. Jatketaan yhtälöön (12), joka kuvaa termionisen emission virta-jännite-ominaisuutta pienillä virrantiheyksillä, lämpövirran tiheydestä j täyteen arvoonsa minä(j=minä/S, Missä S– lämpövirran poikkipinta-ala). Sitten saamme

Missä ON– kyllästysvirta.

Ottaen (35) logaritmit, meillä on

.(36)

Siinä määrin kuin yhtälö (36) kuvaa virta-jännite-ominaisuutta alueella, joka on käännepisteen vasemmalla puolella, katodin lämpötilan määrittämiseksi on tarpeen ottaa mitkä tahansa kaksi pistettä tällä alueella anodivirroilla. Minä olen 1, minä 2 ja anodijännitteet U a 1, U a 2 vastaavasti. Sitten yhtälön (36) mukaan

Tästä saamme katodin lämpötilan työkaavan

.(37)

Työmääräys

Laboratoriotöitä varten sinun tulee:

1. Tutustu kokeellisen järjestelmän toimintaan tarvittavien instrumenttien kuvaukseen ja käyttömenettelyyn. Kokoa piiri kuvan 1 mukaisesti. 18. Asennus voidaan liittää verkkoon vasta, kun insinööri tai opettaja on tarkastanut kootun piirin oikeellisuuden.

2. Kytke katodilangan virransyöttö päälle ja aseta tarvittava hehkulangan virta. Virran asettamisen jälkeen sinun on odotettava noin 5 minuuttia, jotta hehkulangan virran ja katodin lämpötila vakiintuvat.

3. Liitä vakiojännitelähde anodipiiriin ja mittaa virta-jännite ominaiskäyrä piste pisteeltä muuttamalla anodin jännitettä. Voltti-ampeeri ota ominaiskäyrä välillä 0...5 V joka 0.05...0.2 V.

4. Esitä mittaustulokset graafina ln koordinaatteina Ia(V a), Missä Ia- anodivirta, V a- anodijännite. Koska tässä työssä kontaktipotentiaaliero määritetään graafisesti, tulee vaaka-akselin asteikko valita siten, että määritystarkkuus V K.R.P oli vähintään 0,1 V.

5. Määritä anodin ja katodin välinen kosketuspotentiaaliero käyttämällä virta-jännite-ominaisuuden käännepistettä.

6. Määritä katodin lämpötila kolmelle pisteparille virta-jännite-ominaiskäyrän kaltevassa lineaarisessa osassa käännepisteen vasemmalla puolella. Katodin lämpötila tulee laskea kaavalla (37). Laske keskilämpötila näistä tiedoista.

7. Valmistele työstä raportti.

Raporttivaatimukset

Raportti laaditaan tavalliselle A4-arkille ja sen tulee sisältää:

1. Teorian perustiedot.

2. Koejärjestelyn kaavio ja sen lyhyt kuvaus.

3. Mittausten ja laskelmien tulokset.

4. Saatujen koetulosten analyysi.

5. Johtopäätökset työstä.

Kontrollikysymykset

1. Listaa elektronien emission tyypit. Mikä aiheuttaa elektronien vapautumisen kussakin elektroniemissiossa?

2. Selitä termionisen emission ilmiö. Määrittele elektronin työfunktio kiinteästä aineesta. Kuinka voimme selittää potentiaalisen esteen olemassaolon kiinteän alipaineen rajalla?

3. Selitä metallin energiakaavion ja elektronien energian jakautumiskäyrän perusteella elektronien lämpöemissio metallista.

4. Ilmoita laki Richardson-Deshman. Selitä tähän lakiin sisältyvien määrien fyysinen merkitys.

5. Mitkä ovat termionisen katodin virta-jännite-ominaisuudet pienillä emissiovirtatiheyksillä? Miten katodin ja anodin välinen kontaktipotentiaaliero vaikuttaa siihen?

6. Mikä on Schottky-efekti? Miten tämä vaikutus selitetään?

7. Selitä elektronien potentiaaliesteen pieneneminen sähkökentän vaikutuksesta.

8. Miten katodin lämpötila määritetään tässä laboratoriossa?

9. Selitä menetelmä kosketuspotentiaalieron määrittämiseksi tässä työssä.

10. Selitä laboratoriojärjestelyn yksittäisten elementtien kaavio ja tarkoitus.

Johtoelektroneja ei spontaanisti poistu metallista huomattavia määriä. Tämä selittyy sillä, että metalli on potentiaalinen reikä niille. Vain ne elektronit, joiden energia riittää voittamaan pinnalla olevan potentiaaliesteen, voivat poistua metallista. Tämän esteen aiheuttavilla voimilla on seuraava alkuperä. Elektronin satunnainen poistaminen hilan positiivisten ionien ulkokerroksesta johtaa ylimääräisen positiivisen varauksen ilmestymiseen kohtaan, josta elektroni lähti.

Coulombin vuorovaikutus tämän varauksen kanssa pakottaa elektronin, jonka nopeus ei ole kovin suuri, palaamaan takaisin. Siten yksittäiset elektronit poistuvat jatkuvasti metallin pinnasta, siirtyvät siitä pois useita atomien välisiä etäisyyksiä ja kääntyvät sitten takaisin. Tämän seurauksena metallia ympäröi ohut elektronipilvi. Tämä pilvi muodostaa yhdessä ulomman ionikerroksen kanssa sähköisen kaksoiskerroksen (kuva 60.1; ympyrät - ionit, mustat pisteet - elektronit). Tällaisessa kerroksessa olevaan elektroniin vaikuttavat voimat suunnataan metalliin.

Näitä voimia vastaan ​​tehty työ siirrettäessä elektronia metallista ulospäin lisää elektronin potentiaalienergiaa

Siten metallin sisällä olevien valenssielektronien potentiaalienergia on pienempi kuin metallin ulkopuolella potentiaalikuopan syvyyttä vastaavan määrän (kuva 60.2). Energian muutos tapahtuu useiden atomien välisten etäisyyksien pituudelta, joten kaivon seinämiä voidaan pitää pystysuorana.

Elektronin potentiaalienergialla ja sen pisteen potentiaalilla, jossa elektroni sijaitsee, on vastakkaiset merkit. Tästä seuraa, että metallin sisällä oleva potentiaali on suurempi kuin potentiaali sen pinnan välittömässä läheisyydessä (sanomme yksinkertaisesti "pinnalla" lyhyyden vuoksi)

Ylimääräisen positiivisen varauksen antaminen metallille lisää potentiaalia sekä metallin pinnalla että sisällä. Elektronin potentiaalienergia pienenee vastaavasti (kuva 60.3, a).

Muistetaan, että potentiaali- ja potentiaalienergian arvot äärettömässä otetaan vertailupisteeksi. Viesti negatiivisesta varauksesta alentaa potentiaalia metallin sisällä ja ulkopuolella. Vastaavasti elektronin potentiaalienergia kasvaa (kuva 60.3, b).

Metallin elektronin kokonaisenergia koostuu potentiaali- ja kineettisistä energioista. Pykälässä 51 todettiin, että absoluuttisessa nollassa johtavuuselektronien kineettisen energian arvot vaihtelevat nollasta Fermi-tason kanssa samaan energiaan Emax. Kuvassa 60.4, johtavuuskaistan energiatasot on merkitty potentiaalikuoppaan (katkoviiva osoittaa tyhjiä tasoja). Eri elektroneille on annettava eri energiat, jotta ne voidaan poistaa metallista.

Näin ollen johtavuuskaistan alimmalla tasolla sijaitsevalle elektronille on annettava energiaa, Fermi-tasolla sijaitsevalle elektronille energia riittää

Vähimmäisenergiaa, joka elektroniin on välitettävä, jotta se voidaan poistaa kiinteästä tai nesteestä tyhjiöön, kutsutaan työfunktioksi. Työfunktiota merkitään yleensä missä Ф on määrä, jota kutsutaan lähtöpotentiaaliksi.

Yllä olevan mukaisesti metallista peräisin olevan elektronin työfunktio määräytyy lausekkeen avulla

Saimme tämän lausekkeen olettaen, että metallin lämpötila on 0 K. Muissa lämpötiloissa työfunktio määräytyy myös potentiaalikaivon syvyyden ja Fermi-tason erona, eli määritelmä (60.1) laajenee mihin tahansa lämpötila. Sama määritelmä pätee puolijohteisiin.

Fermi-taso riippuu lämpötilasta (katso kaava (52.10)). Lisäksi lämpölaajenemisen aiheuttaman keskimääräisten atomien välisten etäisyyksien muutoksen vuoksi potentiaalikaivon syvyys muuttuu hieman, mikä johtaa siihen, että työtoiminto on hieman riippuvainen lämpötilasta.

Työtoiminto on erittäin herkkä metallipinnan tilaan, erityisesti sen puhtauteen. Oikean pinnoitteen valinnalla työskentelyä voidaan vähentää huomattavasti. Esimerkiksi maa-alkalimetallioksidikerroksen (Ca, Sr, Ba) levittäminen volframin pinnalle vähentää työtoimintoa 4,5 eV:sta (puhdas W) 1,5-2:een.

FYSIIKKA

Varauksen säilymisen laki. Coulombin laki. Aineen dielektrisyysvakio.

Sähkövarauksen säilymislaki toteaa, että sähköisesti suljetun järjestelmän varausten algebrallinen summa säilyy.

Varauksen säilymislaki yhtenäisessä muodossa:

Tässä Ω on jokin mielivaltainen alue kolmiulotteisessa avaruudessa, on tämän alueen raja, ρ on varaustiheys ja on virrantiheys (sähkövarausvuon tiheys) rajan yli.

Varauksen säilymislaki differentiaalimuodossa:

Varauksen säilymislaki elektroniikassa:

Kirchhoffin säännöt virroille perustuvat suoraan varauksen säilymisen laista. Johtimien ja radioelektronisten komponenttien yhdistelmä esitetään avoimena järjestelmänä. Varausten kokonaisvirtaus tiettyyn järjestelmään on yhtä suuri kuin järjestelmästä peräisin olevien varausten kokonaismäärä. Kirchhoffin säännöissä oletetaan, että elektroninen järjestelmä ei voi merkittävästi muuttaa kokonaisveloitustaan.

Coulombin laki. Kahden pistevarauksen välisen vuorovaikutusvoiman moduuli tyhjiössä on suoraan verrannollinen näiden varausten moduulien tuloon ja kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön. missä on voima, jolla varaus 1 vaikuttaa varaukseen 2; q1,q2 - varausten suuruus; - sädevektori (vektori, joka on suunnattu varauksesta 1 varaukseen 2 ja on absoluuttisesti yhtä suuri kuin varausten välinen etäisyys - r12); k - suhteellisuuskerroin. Siten laki osoittaa, että samanlaiset varaukset hylkivät (ja toisin kuin varaukset vetävät puoleensa).

Aineen dielektrisyysvakio. Fysikaalista määrää, joka on yhtä suuri kuin tyhjössä olevan ulkoisen sähkökentän voimakkuuden moduulin suhde homogeenisen dielektrisen kokonaiskentänvoimakkuuden moduuliin, kutsutaan aineen dielektrisyysvakioksi.

Sähkökenttä. Sähkökentän voimakkuus. Sähkökentän superpositiomenetelmä.

Sähkökenttä - yksi sähkömagneettisen kentän komponenteista; erityinen ainetyyppi, joka esiintyy kappaleiden tai hiukkasten ympärillä sähkövarauksella sekä vapaassa muodossa magneettikentän muuttuessa (esimerkiksi sähkömagneettisissa aalloissa). Sähkökenttä on suoraan näkymätön, mutta se voidaan havaita sen voimakkaan vaikutuksen ansiosta varautuneisiin kappaleisiin.

Sähkökentän voimakkuus - vektorifyysinen suure, joka luonnehtii sähkökenttää tietyssä pisteessä ja on numeerisesti yhtä suuri kuin kentän tiettyyn pisteeseen sijoitettuun testivaraukseen vaikuttavan voiman suhde tämän varauksen arvoon q: .

Sähkökentän superpositiomenetelmä. Jos kenttä ei muodostu yhdestä varauksesta, vaan useammasta, niin testivaraukseen vaikuttavat voimat summautuvat vektorin summaussäännön mukaan. Siksi varausjärjestelmän vahvuus tietyssä pisteessä, kentässä, on yhtä suuri kuin kunkin varauksen kenttävoimakkuuksien vektorisumma.

Sähkökentän voimakkuusvektorivirtaus. Sähköinen bias. Ostrogradsky-Gaussin lause.

sähkökentän voimakkuus tietyllä pinnalla

kaikkien alueiden läpi kulkevien virtausten summa, joihin pinta on jaettu

Sähköinen bias. Erilaisten eristeiden erilaisesta polarisoituvuudesta johtuen niiden kenttävoimakkuudet ovat erilaisia. Siksi myös voimalinjojen lukumäärä kussakin dielektrissä on erilainen.

Osa suljetun pinnan ympäröimistä varauksista lähtevistä viivoista päättyy dielektriseen rajapintaan eivätkä läpäise tätä pintaa. Tämä vaikeus voidaan poistaa ottamalla huomioon kentän uusi fyysinen ominaisuus - sähköinen siirtymävektori

Vektori on suunnattu samaan suuntaan kuin. Vektoriviivojen ja siirtymävuon käsite on samanlainen kuin kenttäviivojen ja jännitysvuon käsite dN0= DdScos(α)

Ostrogradskyn kaava - kaava, joka ilmaisee vektorikentän virtauksen suljetun pinnan läpi tämän kentän divergenssin integraalilla (kuinka pitkälle tuleva ja lähtevä virtaus eroavat) tämän pinnan rajoittaman tilavuuden yli: eli tietyn tilavuuden T yli ulottuvan vektorikentän divergenssin integraali on yhtä suuri kuin vektorin virtaus tätä tilavuutta rajoittavan pinnan S läpi.

Gaussin lauseen soveltaminen joidenkin sähkökenttien laskemiseen tyhjiössä.

a) Äärettömän pitkän langan kenttä

kentänvoimakkuuden moduuli, jonka muodostaa tasaisesti varautunut äärettömän pitkä kierre etäisyydellä R siitä,

b) tasaisesti varautuneen äärettömän tason kenttä

Olkoon σ pintavarauksen tiheys tasossa

c) kahden tasaisesti varautuneen vastakkaisen tason kenttä

d) tasaisesti varautuneen pallomaisen pinnan kenttä

Sähkökentän potentiaali. Sähkökenttien potentiaalinen luonne.

Sähköstaattinen potentiaali (katso myös Coulombin potentiaali) - sähköstaattisen kentän skalaarienergian ominaisuus, joka kuvaa kentän potentiaalienergiaa, joka on kentän tiettyyn pisteeseen sijoitetun yksikkövarauksen hallussa. Sähköstaattinen potentiaali on yhtä suuri kuin varauksen ja kentän vuorovaikutuksen potentiaalienergian suhde tämän varauksen suuruuteen: J/C

Sähkökenttien potentiaalinen luonne.

Kiinteävarausten välinen vuorovaikutus tapahtuu sähköstaattisen kentän kautta: varaukset eivät ole vuorovaikutuksessa, vaan yksi lataus sijainnissaan vuorovaikuttaa toisen varauksen luoman kentän kanssa. Tämä on ajatus lyhyen kantaman toiminnasta – ajatus vuorovaikutusten välittämisestä aineellisen ympäristön, kentän läpi.

Työskentele varauksen siirtämiseksi sähkökentässä. Mahdollinen eroavaisuus.

Fysikaalista määrää, joka on yhtä suuri kuin sähköstaattisen kentän sähkövarauksen potentiaalienergian suhde tämän varauksen suuruuteen, kutsutaan potentiaalia

Kun testivaraus q liikkuu sähkökentässä, sähkövoimat toimivat tehdä työtä . Tämä työ pienelle siirtymälle on yhtä suuri kuin

Sähkökentän voimakkuus potentiaaligradienttina. Potentiaalien tasauspinnat.

Potentiaalinen gradientti yhtä suuri kuin potentiaalinen lisäys pituusyksikköä kohti ja otetaan suuntaan, jossa tällä lisäyksellä on suurin arvo.

Potentiaalien tasauspinta on pinta, jolla tietyn potentiaalikentän skalaaripotentiaali saa vakioarvon. Toinen, vastaava määritelmä on pinta, joka on missä tahansa pisteessä kohtisuorassa kenttäviivojen suhteen.

Dipoli sähkökentässä. Sähköinen dipolimomentti.

yhtenäinen kenttä

Kokonaisvääntömomentti on yhtä suuri

epähomogeeninen ulkoinen kenttä

ja tässä syntyy vääntömomentti, joka kääntää dipolia kenttää pitkin (kuva 4). Mutta tässä tapauksessa varauksiin vaikuttavat erisuuruiset voimat, joiden resultantti on nollasta poikkeava. Siksi dipoli liikkuu myös translaationaalisesti vetäytyen vahvemman kentän alueelle

Sähköinen dipolimomentti

Eristeiden tyypit. Eristeiden polarisaatio.

Ei-polaarinen dielektrinen- aine, joka sisältää molekyylejä, joissa on pääasiassa kovalenttisia sidoksia.

Napainen dielektrinen- aine, joka sisältää dipolimolekyylejä tai -ryhmiä tai jonka rakenteessa on ioneja.

Ferrosähköinen- aine, joka sisältää spontaaneja polarisaatioita.

Eristeiden polarisaatio - positiivisten ja negatiivisten sähkövarausten siirtyminen eristeisiin vastakkaisiin suuntiin.

Sähkökenttä dielektrissä. Polarisaatiovektori. Kenttäyhtälö dielektrissä.

Dielektrisessä läsnäolo sähkökenttä ei häiritse maksujen tasapainoa. Sähkökentästä eristeessä oleviin varauksiin vaikuttavaa voimaa tasapainotetaan molekyylin sisäisillä voimilla, jotka pitävät varaukset dielektrisen molekyylin sisällä, joten varaustasapaino on mahdollista eristeessä sähkökentän olemassaolosta huolimatta.

Sähköinen polarisaatiovektori on dipolimomentti dielektrin tilavuusyksikköä kohti.

Kenttäyhtälö dielektrissä

missä r on kaikkien sähkövarausten tiheys

Aineen dielektrinen herkkyys. Sen suhde väliaineen dielektrisyysvakioon.

Aineen dielektrinen herkkyys - fysikaalinen määrä, mitta aineen kyvystä polarisoitua sähkökentän vaikutuksesta. Dielektrinen suskeptiibiliteetti χe on lineaarinen kytkentäkerroin dielektrisen P polarisaation ja ulkoisen sähkökentän E välillä riittävän pienissä kentissä: SI-järjestelmässä: missä ε0 on sähkövakio; tuloa ε0χe kutsutaan absoluuttiseksi dielektriseksi suskeptibiliteetiksi SI-järjestelmässä.

Ferrosähköiset. Niiden ominaisuudet. Pietsoefekti.

Ferrosähköiset, kiteiset dielektriset aineet, joilla on spontaani (spontaani) polarisaatio tietyllä lämpötila-alueella, joka muuttuu merkittävästi ulkoisten vaikutusten vaikutuksesta.

Pietsosähköinen vaikutus - dielektrisen polarisaation vaikutus mekaanisen rasituksen vaikutuksesta

Johtimet sähkökentässä. Varausten jakautuminen johtimessa.

Ε = Taso - Taso = 0

Viedään johdinlevy sähkökenttään, kutsutaan tätä kenttää ulkoiseksi .

Tämän seurauksena vasemmalla pinnalla on negatiivinen varaus ja oikealla pinnalla on positiivinen varaus. Näiden varausten väliin syntyy oma sähkökenttä, jota kutsumme sisäiseksi. Levyn sisällä on samanaikaisesti kaksi sähkökenttää - ulkoinen ja sisäinen, vastakkaiseen suuntaan.

Johtimien sähkökapasiteetti. Kondensaattori. Kondensaattorien kytkentä.

Sähköinen kapasiteetti - fysikaalinen määrä, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin varauksen määrä, joka on annettava tiettyyn johtimeen lisätäkseen sen potentiaalia yhdellä.

Kondensaattori - laite sähkökentän varauksen ja energian keräämiseen.

rinnakkain kytketty

sarja kytkettynä

Varautuneen johtimen, kondensaattorin energia. Sähkökentän energia. Sähkökentän tilavuusenergiatiheys.

Varautuneen johtimen energia yhtä suuri kuin työ, joka on tehtävä tämän johtimen lataamiseksi:

Ladatun kondensaattorin energia

Sähköstaattisen kentän energia

Sähköstaattisen kentän tilavuusenergiatiheys

16. Sähkökentän voimakkuus ja tiheys. EMF. Jännite.

Nykyinen vahvuus - skalaarinen fyysinen suure, joka määräytyy johtimen poikkileikkauksen läpi tietyn ajanjakson AT aikana kulkevan varauksen Δq suhteessa tähän ajanjaksoon.

Virran tiheys j on vektorifyysinen suure, jonka moduuli määräytyy johtimessa olevan virran I suhteesta johtimen poikkipinta-alaan S.

Sähkömotorinen voima (EMF) - fyysinen määrä, joka kuvaa kolmansien osapuolien (ei-potentiaalisten) voimien työtä tasa- tai vaihtovirtalähteissä. Suljetussa johtavassa piirissä EMF on yhtä suuri kuin näiden voimien työ siirtää yksittäistä positiivista varausta pitkin piiriä.

Sähköjännite - fysikaalinen suure, jonka arvo on yhtä suuri kuin sähkökentän työn suhde koesähkövarauksen siirtämisessä pisteestä A pisteeseen B testivarauksen arvoon.

17. Ohmin laki ketjun homogeeniselle osalle. Ohmin laki epähomogeeniselle alueelle integraalimuodossa. Ohmin laki täydelliselle piirille.

virranvoimakkuus I homogeenisessa metallijohtimessa on suoraan verrannollinen jännitteeseen U tämän johtimen päissä ja kääntäen verrannollinen tämän johtimen resistanssiin R

Ohmin laki piirin epähomogeeniselle osalle integraalisessa muodossa IR = (φ1 - φ2) + E12

Ohmin laki täydelliselle piirille :

18. Ohmin lain differentiaalinen muoto.

j-virrantiheys, σ - aineen, josta johdin on tehty, ominaissähkönjohtavuus Est-ulkoisten voimien kenttä

19. Joule-Lenzin laki integraali- ja differentiaalimuodoissa.

differentiaalisessa muodossa:

lämpötehotiheys -

kiinteässä muodossa:

20. Epälineaariset elementit. Laskentamenetelmät epälineaarisilla elementeillä. Kirchhoffin sääntö.

epälineaarinen Niitä kutsutaan sähköpiireiksi, joissa reaktiot ja vaikutukset liittyvät epälineaarisesti.

Yksinkertainen iterointimenetelmä

1. Sähköpiirin alkuperäinen epälineaarinen yhtälö, jossa on haluttu muuttuja, esitetään muodossa .

2. Laskenta suoritetaan algoritmin mukaan Missä

Iterointivaihe. Lineaariset riippuvuudet

Tässä on määritetty virhe

Kirchhoffin ensimmäinen sääntö:

solmussa konvergoivien virranvoimakkuuksien algebrallinen summa on yhtä suuri kuin nolla

Kirchhoffin toinen sääntö:

missä tahansa yksinkertaisessa suljetussa piirissä, joka on mielivaltaisesti valittu haaroittuneessa sähköpiirissä, virranvoimakkuuksien ja vastaavien osien vastusten tulojen algebrallinen summa on yhtä suuri kuin piirissä olevien emfs-arvojen algebrallinen summa

21. Virta tyhjiössä. Päästöilmiöt ja niiden tekniset sovellukset.

Tyhjiö on kaasun tila astiassa, jossa molekyylit lentää astian seinämästä toiseen törmätämättä koskaan toisiinsa.

Tyhjiöeristin, siinä oleva virta voi syntyä vain varautuneiden hiukkasten keinotekoisen lisäämisen vuoksi; tähän tarkoitukseen käytetään aineiden elektronien emissiota (emission). Termioninen emissio tapahtuu tyhjiöputkissa, joissa on lämmitetyt katodit, ja fotoelektroniemissio tapahtuu fotodiodissa.

Termioninen emissio on kuumennettujen metallien elektronien emissio. Metallien vapaiden elektronien pitoisuus on melko korkea, joten jopa keskilämpötiloissa elektronien nopeuksien (energioiden) jakautumisen vuoksi joillakin elektroneilla on riittävästi energiaa ylittääkseen potentiaaliesteen metallin rajalla. Lämpötilan noustessa elektronien määrä, joiden lämpöliikkeen kineettinen energia on suurempi kuin työfunktio, kasvaa ja termisen emission ilmiö tulee havaittavaksi.

Termionisen emission ilmiötä käytetään laitteissa, joissa on tarpeen saada elektronivirta tyhjiössä, esimerkiksi tyhjiöputkissa, röntgenputkissa, elektronimikroskopeissa jne. Elektroniputkia käytetään laajalti sähkö- ja radiotekniikassa. , automaatio ja telemekaniikka vaihtovirtojen tasasuuntaukseen, sähköisten signaalien ja vaihtovirtojen vahvistamiseen, sähkömagneettisten värähtelyjen tuottamiseen jne. Lampuissa käytetään käyttötarkoituksesta riippuen lisäohjauselektrodeja.

Valoelektroniemissio on elektronien emission metallista valon sekä lyhytaaltoisen sähkömagneettisen säteilyn (esimerkiksi röntgensäteilyn) vaikutuksesta. Tämän ilmiön pääperiaatteita käsitellään valosähköistä vaikutusta tarkasteltaessa.

Toissijainen elektroniemissio - on elektronien emission metallien, puolijohteiden tai eristeiden pinnalta, kun niitä pommitetaan elektronisuihkulla. Toissijainen elektronivirta koostuu pinnan heijastamista elektroneista (elastisesti ja kimmoisasti heijastuneista elektroneista) ja "oikeista" sekundäärielektroneista - elektroneista, jotka primäärielektroni lyövät ulos metallista, puolijohteesta tai dielektrisestä.

Toissijaisen elektroniemission ilmiötä käytetään valomonistinputkissa.

Ajoneuvon päästöt on elektronien emission metallien pinnalta voimakkaan ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. Nämä ilmiöt voidaan havaita tyhjennetyssä putkessa.

22. Virta kaasuissa. Kaasujen riippumaton ja ei-riippumaton johtavuus. Kaasujen virran CVC. Päästötyypit ja niiden tekniset sovellukset.

Normaaleissa olosuhteissa kaasut ovat dielektrisiä, koska koostuvat neutraaleista atomeista ja molekyyleistä, eikä niissä ole riittävästi vapaita varauksia. Kaasun tekemiseksi johtavaksi sinun on lisättävä tai luotava siihen vapaita varauksenkuljettajia - varautuneita hiukkasia - tavalla tai toisella. Tässä tapauksessa kaksi tapausta on mahdollista: joko nämä varautuneet hiukkaset syntyvät jonkin ulkoisen tekijän vaikutuksesta tai ne johdetaan kaasuun ulkopuolelta, tai ne syntyvät kaasussa itse elektrodien välissä olevan sähkökentän vaikutuksesta. . Ensimmäisessä tapauksessa kaasun johtavuutta kutsutaan ei-riippumattomaksi, toisessa - riippumattomaksi.

Virta-jännite-ominaisuus (voltti-ampeeri-ominaisuus ) - kaavio kaksinapaisen verkon kautta kulkevan virran riippuvuudesta tämän kaksinapaisen verkon jännitteestä. Virta-jännite-ominaisuus kuvaa kaksinapaisen piirin käyttäytymistä tasavirralla.

Hehkupurkaus havaitaan alhaisissa kaasunpaineissa. Käytetään metallien katodisputteroinnissa.

Kipinäpurkaus usein luonnossa havaittu salama. Kipinävolttimittarin toimintaperiaate on laite erittäin korkeiden jännitteiden mittaamiseen.

Valokaaripurkaus voidaan havaita seuraavissa olosuhteissa: jos kipinäpurkauksen sytytyksen jälkeen piirin vastus pienenee vähitellen, kipinän virranvoimakkuus kasvaa. Sähkökaari on voimakas valonlähde ja sitä käytetään laajasti projektio-, valonheitin- ja muissa valaistusasennuksissa. Korkean lämpötilansa ansiosta kaaria käytetään laajalti metallien hitsaukseen ja leikkaamiseen. Korkeita kaarilämpötiloja käytetään myös valokaariuuneissa, joilla on tärkeä rooli nykyaikaisessa sähkömetallurgiassa.

Koronapurkaus havaitaan suhteellisen korkeissa kaasunpaineissa (esimerkiksi ilmakehän paineessa) jyrkästi epähomogeenisessa sähkökentässä. Sitä käytetään tekniikassa sähkösuodattimien asentamiseen, jotka on suunniteltu puhdistamaan teollisuuskaasut kiinteistä ja nestemäisistä epäpuhtauksista.

23. Magneettikenttä. Magneettinen induktio. Virtojen magneettinen vuorovaikutus.

Magneettikenttä - liikkuviin sähkövarauksiin ja kappaleisiin, joilla on magneettinen momentti, niiden liiketilasta riippumatta vaikuttava voimakenttä, sähkömagneettisen kentän magneettinen komponentti.

Magneettinen induktio - vektorisuure, joka on magneettikentän ominaisuus (sen vaikutus varautuneisiin hiukkasiin) tietyssä avaruuden pisteessä. Määrittää voiman, jolla magneettikenttä vaikuttaa nopeudella liikkuvaan varaukseen.

Virtojen vuorovaikutus johtuu niiden magneettikentistä: yhden virran magneettikenttä toimii ampeerivoimana toiseen virtaan ja päinvastoin.

24. Pyöreän virran magneettinen momentti. Amperen laki.

Pyöreän virran magneettinen momentti käämiä pitkin kulkevan virran I voimakkuus, virran ympärillä kulkema alue S ja käämin suunta avaruudessa, joka määräytyy kelan tasoon nähden kohtisuorassa olevan yksikkövektorin suunnan mukaan.

Amperen laki kahden virran mekaanisen (ponderomotorisen) vuorovaikutuksen laki, joka virtaa pienissä johtimien osissa, jotka sijaitsevat tietyllä etäisyydellä toisistaan.

25. Biot-Savart-Laplacen laki ja sen soveltaminen tiettyjen magneettikenttien laskemiseen:

A) virtaa kuljettavan suoran johtimen magneettikenttä.

B) pyöreä virtakenttä pyöreän virran keskellä.

Biot-Savart-Laplacen laki johtimelle, jonka virta on I, jonka elementti dl luo kenttäinduktion dB jossain kohdassa A, kirjoitetaan muodossa missä dl on vektori, joka on yhtä suuri kuin johdinelementin pituus dl ja osuu suunnassa yhteen virran kanssa, r on johdinelementistä dl kentän pisteeseen A siirretty sädevektori, r on sädevektorin moduuli r.

eteenpäin suuntautuvan virtakentän magneettinen induktio

magneettikentän induktio virtaa kuljettavan pyöreän johtimen keskellä

26. Magneettisen induktion kierto. Magneettivirran pyörteinen luonne. Kokonaisvirran laki tyhjiössä (induktiovektorin kiertolause).

Magneettinen induktiokierto missä dl on piirin ohitusta pitkin suunnatun ääriviivan alkeispituuden vektori, Bl=Bcosα on vektorin B komponentti ääriviivan tangentin suunnassa (ottaen huomioon piirin ohituksen suunnan valinta ), α on vektorien B ja dl välinen kulma.

Magneettikentän pyörteinen luonne.

Magneettiset induktiolinjat ovat jatkuvia: niillä ei ole alkua eikä loppua. Tämä tapahtuu kaikille magneettikentille, jotka ovat aiheuttaneet minkä tahansa virtaa kuljettavan piirin. Vektorikenttiä, joissa on jatkuvia viivoja, kutsutaan pyörrekentiksi. Näemme, että magneettikenttä on pyörrekenttä. Tämä on merkittävä ero magneettikentän ja sähköstaattisen kentän välillä.

Magneettikentän kokonaisvirran laki tyhjiössä (vektorin B kierron lause): vektorin B kierto mielivaltaisessa suljetussa piirissä on yhtä suuri kuin magneettivakion μ0 tulo katettujen virtojen algebrallisella summalla tällä piirillä:

27. Kokonaisvirran lain soveltaminen solenoidin magneettikentän laskemiseen.

Magneettinen rengaspiiri

1 ja samat, joten α = 0;

2 Hx:n arvo on sama kaikissa ääriviivan pisteissä;

Kuviossa 3 piirin läpi kulkevien virtojen summa on yhtä suuri kuin IW.

[Olen],

jossa Lx on sen ääriviivan pituus, jota pitkin integrointi suoritettiin;

rx – ympyrän säde.

Vektori renkaan sisällä riippuu etäisyydestä rх. Jos α on renkaan leveys

Hav = IW / L,

jossa L on keskimääräisen magneettiviivan pituus.

28. Magneettivuo. Gaussin lause magneettisen induktiovektorin vuolle.

Magneettinen virtaus - vuo magneettisen induktiovektorin integraalina äärellisen pinnan läpi. Määritetään pintaintegraalin kautta

Gaussin magneettisen induktion lauseen mukaisesti magneettisen induktiovektorin vuo minkä tahansa suljetun pinnan läpi on nolla:

29. Työskentele johtimen ja piirin siirtämiseksi virralla magneettikentässä.

työstää suljetun silmukan liikuttamista virran ollessa magneettikentässä on yhtä suuri kuin piirissä olevan virran ja piiriin kytketyn magneettivuon muutoksen tulo.

30. Lorentzin voima. Varautuneiden hiukkasten liike magneettikentässä. Varautuneiden hiukkasten kiihdyttimet magneettikentässä.

Lorentzin voima - voima, jolla sähkömagneettinen kenttä vaikuttaa pistevarautuneeseen hiukkaseen. hiukkasen v-nopeus

. Varautuneiden hiukkasten liike magneettikentässä

Kiihdyttimen toiminnan perusta sisältää varautuneiden hiukkasten vuorovaikutuksen sähkö- ja magneettikenttien kanssa. Sähkökenttä voi suoraan tehdä työtä hiukkasella, eli lisätä sen energiaa. Magneettikenttä, joka luo Lorentzin voiman, vain poikkeuttaa hiukkasen muuttamatta sen energiaa ja asettaa kiertoradan, jota pitkin hiukkaset liikkuvat.

31. Sähkömagneettisen induktion ilmiö. Faradayn laki. Lenzin sääntö.

Elektromagneettinen induktio - ilmiö sähkövirran esiintymisestä suljetussa piirissä, kun sen läpi kulkeva magneettivuo muuttuu.

Faradayn laki

Lenzin sääntö , sääntö induktiovirran suunnan määrittämiseksi: Johtavan piirin ja magneettikentän lähteen suhteellisesta liikkeestä syntyvä induktiovirta on aina sellaisessa suunnassa, että sen oma magneettivuo kompensoi ulkoisen magneettivuon muutoksia. aiheutti tämän virran.

32. Induktio emf. Sähkömagneettisen induktion laki.

Sähkömotorinen voima (EMF) on fyysinen suure, joka luonnehtii kolmannen osapuolen (ei-potentiaalisten) voimien työtä tasa- tai vaihtovirtalähteissä. Suljetussa johtavassa piirissä EMF on yhtä suuri kuin näiden voimien työ siirtää yksittäistä positiivista varausta pitkin piiriä.

EMF voidaan ilmaista ulkoisten voimien sähkökentän voimakkuudella (Eex). Suljetussa silmukassa (L) EMF on yhtä suuri kuin: , jossa dl on ääriviivan pituuselementti.

Sähkömagneettisen induktion laki Sähköposti virta piirissä on mahdollista, jos ulkoiset voimat vaikuttavat johtimen vapaisiin varauksiin. Näiden voimien suorittamaa työtä yksittäisen positiivisen varauksen siirtämiseksi suljettua silmukkaa pitkin kutsutaan emf:ksi. Kun magneettivuo muuttuu ääriviivan rajoittaman pinnan läpi, piiriin ilmaantuu vieraita voimia, joiden toiminnalle on tunnusomaista indusoitunut emf.

33. Itseinduktio. Induktanssi.

Itseinduktio - induktion sähkömotorisen voiman (emf) viritys sähköpiirissä, kun tämän piirin sähkövirta muuttuu; sähkömagneettisen induktion erikoistapaus. Itseinduktion sähkömotorinen voima on suoraan verrannollinen virran muutosnopeuteen

Induktanssi (latinan kielestä inductio - ohjaus, motivaatio), fysikaalinen määrä, joka kuvaa sähköpiirin magneettisia ominaisuuksia. Johtavassa piirissä kulkeva virta luo magneettikentän ympäröivään tilaan, ja piiriin tunkeutuva (siihen liitetty) magneettivuo Ф on suoraan verrannollinen virranvoimakkuuteen I:

34. Keskinäisen induktion ilmiö. Keskinäinen induktiokerroin.

Keskinäisen induktion ilmiö kutsutaan EMF:n induktioksi yhdessä piirissä, kun virta muuttuu toisessa.

Ф21 = M21I1 Kerroin M21 kutsutaan keskinäinen induktio toinen piiri ensimmäisestä riippuen.

35. Magneettikentän energia. Magneettikentän energiatiheys.

Magneettikentän energia

Magneettikentän energiatiheys (H-magneettikentän voimakkuus).

36. Aineen magneettiset ominaisuudet. Aineen magnetoituminen. Gaussin lause magneettikentän induktiolle.

Tekijä: magneettiset ominaisuudet kaikki aineet voidaan jakaa kolmeen luokkaan:

aineet, joilla on selvät magneettiset ominaisuudet - ferromagneettiset; niiden magneettikenttä on havaittavissa huomattavilta etäisyyksiltä

paramagneettinen; niiden magneettiset ominaisuudet ovat yleensä samanlaiset kuin ferromagneettisten materiaalien, mutta paljon heikommat

diamagneettiset aineet - niitä hylkii sähkömagneetti, ts. diamagneettisiin materiaaleihin vaikuttava voima on suunnattu päinvastoin kuin ferro- ja paramagneettisiin materiaaleihin vaikuttava voima.

aineen magnetointi

Gaussin lause magneettiselle induktiolle

Magneettisen induktiovektorin vuo minkä tahansa suljetun pinnan läpi on nolla:

tai differentiaalimuodossa:

Tämä vastaa sitä tosiasiaa, että luonnossa ei ole "magneettisia varauksia" (monopoleja), jotka aiheuttaisivat magneettikentän, aivan kuten sähkövaraukset luovat sähkökentän. Toisin sanoen Gaussin lause magneettiselle induktiolle osoittaa, että magneettikenttä on (täysin) pyörre.

37. Magneettikentän voimakkuus. Lause magneettikentän voimakkuusvektorin kierrosta.

Magneettikentän voimakkuus - (vakiomerkintä H) on fyysinen vektorisuure, joka on yhtä suuri kuin magneettisen induktiovektorin B ja magnetointivektorin M välinen ero.

, jossa μ0 on magneettinen vakio

Lause magneettikentän voimakkuusvektorin kierrosta:

Tasavirtojen magneettikentän kierto missä tahansa suljetussa piirissä on verrannollinen kiertopiiriin läpäisevien virranvoimakkuuksien summaan.

38. Aineen kokonaisvirran laki.

koko nykyinen laki : Magneettikentän voimakkuusvektorin kierto missä tahansa suljetussa piirissä L on yhtä suuri kuin piirin kattamien makrovirtojen algebrallinen summa.

39. Aineen magneettinen susceptibiliteetti ja magneettinen permeabiliteetti.

Magneettinen permeabiliteetti on fysikaalinen suure, joka kuvaa aineen magneettisen induktion B ja magneettikentän voimakkuuden H välistä suhdetta.

40. Dia-, para- ja ferromagneetit.

CM. №36

41. Sähkömagneettiset värähtelyt värähtelypiirissä. Thomsonin kaava.

Piirin resonanssitaajuus määräytyy ns. Thomsonin kaavan mukaan

Thomsonin kaava

42. Maxwellin yhtälö integraalimuodossa.

Ostrogradsky-Gaussin ja Stokesin kaavojen avulla Maxwellin differentiaaliyhtälöt voidaan antaa integraaliyhtälöiden muodossa:

Gaussin laki

Gaussin laki magneettikenttään

Faradayn induktiolaki

Työtoiminto

energia, joka kuluu elektronin poistamiseen kiinteästä tai nesteestä tyhjiöön. Elektronin siirtymiseen tyhjöstä kondensoituneeseen väliaineeseen liittyy R.v:n suuruisen energian vapautuminen. Näin ollen R. v. on elektronin ja kondensoituneen väliaineen välisen yhteyden mitta; Mitä pienempi RV, sitä helpompi elektronien emissio tapahtuu. Siksi esimerkiksi termionisen emission (katso Thermionic emission) tai kenttäemission (katso Tunnelipäästö) virrantiheys riippuu eksponentiaalisesti R.V.

R.v. eniten tutkittu johtimille, erityisesti metalleille (katso Metallit). Se riippuu pinnan kristallografisesta rakenteesta. Mitä tiheämmin kristallipinta on "pakattu", sitä korkeampi R.V. φ. Esimerkiksi puhtaalle volframille φ = 4,3 ev reunoihin (116) ja 5.35 ev kasvoille (110). Metalleilla kasvu (keskiarvo pintojen yli) φ vastaa suunnilleen ionisaatiopotentiaalin kasvua. Pienin R.v. (2 ev) ovat ominaisia ​​alkalimetalleille (Cs, Rb, K) ja suurimmat (5.5 ev) - Pt-ryhmän metallit.

R.v. herkkä pintarakenteen virheille. Omien epäjärjestyneiden atomien läsnäolo tiiviisti tiivistetyllä pinnalla vähentää φ:tä. φ riippuu vieläkin terävämmin pinnan epäpuhtauksista: elektronegatiivisista epäpuhtauksista (happi, halogeenit, metallit, joiden φ , suurempi kuin substraatin φ) lisäävät yleensä φ:tä ja sähköpositiiviset - pienentävät. Useimmilla sähköpositiivisilla epäpuhtauksilla (Cs W:llä, Tn W:llä, Ba W:llä) havaitaan RV:n lasku, joka saavuttaa tietyn optimaalisen epäpuhtauspitoisuuden. n opt minimiarvo, joka on pienempi kuin perusmetallin φ; klo n≈ 2n tukkumyynti R.v. tulee lähelle pinnoitemetallin φ:tä eikä muutu enempää (katso. riisi. ). Koko n opt vastaa järjestettyä epäpuhtausatomien kerrosta, joka on sopusoinnussa substraatin rakenteen kanssa, pääsääntöisesti, kun kaikki vapaat paikat on täytetty; ja magnitudi 2 n opt - tiheä yksiatomikerros (koordinaatio alustan rakenteen kanssa on rikki). T.o., R. v. ainakin metallisen sähkönjohtavuuden omaaville materiaaleille määräytyy niiden pinnan ominaisuuksien mukaan.

Metallien elektroniikkateoria katsoo, että R. v. työnä, joka vaaditaan elektronin poistamiseksi Fermi-tasolta tyhjiöön. Nykyaikainen teoria ei vielä mahdollista φ:n tarkkaa laskemista tietyille rakenteille ja pinnoille. Perustiedot φ:n arvoista saadaan kokeella. φ:n määrittämiseen käytetään emissio- tai kosketusilmiöitä (katso kosketuspotentiaaliero).

R.v. olennainen sähkötyhjiölaitteiden suunnittelussa (katso Electrovacuum-laitteet), joissa käytetään elektronien tai ionien emissiota, sekä laitteissa, kuten lämpöenergiamuuntimissa (katso Thermionic converter).

Lit.: Dobretsov L.N., Gomoyunova M.V., Emission Electronics, M., 1966; Zandberg E. Ya., Ionov N. I., Pintaionisaatio, M., 1969.

V. N. Shrednik.

Suuri Neuvostoliiton tietosanakirja. - M.: Neuvostoliiton tietosanakirja. 1969-1978 .

Katso, mitä "Työtyö" on muissa sanakirjoissa:

Ero vähimmäisenergian (mitataan yleensä elektronivolteina), joka on välitettävä elektronille sen "suoraan" poistamiseksi kiinteän aineen tilavuudesta, ja Fermi-energian välillä. Tässä "välittömyys" tarkoittaa, että elektroni... ... Wikipedia

Energiaa F on käytettävä elektronin poistamiseksi kiinteästä aineesta tai nesteestä tyhjiöön (tilaan, jossa kineettinen energia on nolla). R.v. Ф=еj, missä j on R.V.:n potentiaali, e abs. sähköinen arvo elektronin varaus. R.v. yhtä suuri kuin ero.... Fyysinen tietosanakirja

työtoiminto- elektroni; työtoiminto Työ, joka vastaa kehon kemiallisen potentiaalin tason ja sen ulkopuolella olevan kehon pinnan lähellä olevan potentiaalitason välistä energiaeroa sähkökentän puuttuessa... Ammattikorkeakoulun terminologinen selittävä sanakirja

Työ, joka vaaditaan elektronin poistamiseksi kondensoituneesta aineesta tyhjiöön. Se mitataan elektronin vähimmäisenergian tyhjiössä ja kehon sisällä olevien elektronien Fermi-energian välillä. Riippuu pinnan kunnosta...... Suuri Ensyklopedinen sanakirja

TYÖTYÖ, energia, joka kuluu elektronin poistamiseen aineesta. Otettu huomioon VALOSÄHKÖISESSÄ JA TERMOELEKTRONIIKASSA... Tieteellinen ja tekninen tietosanakirja

työtoiminto- Energia, joka tarvitaan kuljettamaan äärettömään elektroni, joka sijaitsee alkuperäisessä paikassaan Fermi-tasolla tietyssä materiaalissa. [GOST 13820 77] Aiheet: sähkötyhjiölaitteet... Teknisen kääntäjän opas

työtoiminto- energia, joka kuluu elektronin poistamiseen kiinteästä tai nesteestä tyhjiöön. Elektronin siirtymiseen tyhjöstä kondensoituneeseen väliaineeseen liittyy työfunktiota vastaavan energian vapautuminen; mitä pienempi työtoiminto, sitä... ... Ensyklopedinen metallurgian sanakirja

työtoiminto- Työfunktio Vähimmäisenergia (mitataan yleensä elektronivolteina), joka on kulutettava elektronin poistamiseksi kiinteän aineen tilavuudesta. Elektroni poistetaan kiinteästä aineesta tietyn pinnan läpi ja siirtyy... Selittävä englanti-venäläinen sanakirja nanoteknologiasta. - M.

Työ, joka vaaditaan elektronin poistamiseksi kondensoituneesta aineesta tyhjiöön. Se mitataan elektronin vähimmäisenergian tyhjiössä ja kehon sisällä olevien elektronien Fermi-energian välillä. Riippuu pinnan kunnosta...... tietosanakirja

työtoiminto- išlaisvinimo darbas statusas T ala Standartisointi ir metrologia apibrėžtis Darbas, kurį atlieka 1 molis dalelių (atomų, molekulių, elektronų) pereidamas iš vienos fazės į kitą arba į vakuumą. atitikmenys: engl. työtoiminto vok.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

työtoiminto- išlaisvinimo darbo statusas T ala fizika atitikmenys: engl. työtoiminto; päästöjen työ; poistumistyö vok. Ablösearbeit, f; Auslösearbeit, f; Austrittsarbeit, f rus. työtoiminto, f pranc. travail de sortie, m … Fizikos terminų žodynas

Tarkastellaan tilannetta: varaus q 0 tulee sähköstaattiseen kenttään. Tämä sähköstaattinen kenttä on myös jonkin varautuneen kappaleen tai kappaleiden järjestelmän luoma, mutta tämä ei kiinnosta meitä. Kentän varaukseen q 0 vaikuttaa voima, joka voi tehdä työtä ja siirtää tätä varausta kentällä.

Sähköstaattisen kentän toiminta ei riipu liikeradalta. Pellon tekemä työ panoksen liikkuessa suljettua polkua pitkin on nolla. Tästä syystä kutsutaan sähköstaattisia kenttävoimia konservatiivinen, ja itse kenttää kutsutaan potentiaalia.

potentiaalia

"Varaus - sähköstaattinen kenttä" tai "varaus - varaus" -järjestelmällä on potentiaalienergiaa, aivan kuten "gravitaatiokenttä - keho" -järjestelmällä on potentiaalienergiaa.

Fysikaalinen skalaarisuure, joka kuvaa kentän energiatilaa, on nimeltään potentiaalia tietty piste kentällä. Varaus q sijoitetaan kenttään, sillä on potentiaalienergia W. Potentiaali on sähköstaattisen kentän ominaisuus.

Muistakaamme potentiaalienergia mekaniikassa. Potentiaalienergia on nolla, kun keho on maassa. Ja kun keho nostetaan tietylle korkeudelle, sanotaan, että keholla on potentiaalienergiaa.

Mitä tulee sähkön potentiaalienergiaan, potentiaalienergialla ei ole nollatasoa. Se valitaan satunnaisesti. Siksi potentiaali on suhteellinen fysikaalinen suure.

Mekaniikassa kappaleilla on tapana olla asemassa, jossa on vähiten potentiaalista energiaa. Sähkössä kenttävoimien vaikutuksesta positiivisesti varautunut kappale pyrkii siirtymään korkeamman potentiaalin pisteestä pienemmän potentiaalin pisteeseen ja negatiivisesti varautuneella kappaleella päinvastoin.

Potentiaalikentän energia on työtä, jonka sähköstaattinen voima tekee siirrettäessä varausta tietystä kentän pisteestä nollapotentiaaliin.

Tarkastellaanpa erikoistapausta, jossa sähköstaattinen kenttä syntyy sähkövarauksella Q. Tällaisen kentän potentiaalin tutkimiseksi ei siihen tarvitse viedä varausta q. Voit laskea minkä tahansa sellaisen kentän pisteen potentiaalin, joka sijaitsee etäisyydellä r varauksesta Q.

Väliaineen dielektrisyysvakiolla on tunnettu arvo (taulukkomuotoinen) ja se kuvaa väliainetta, jossa kenttä on. Ilmalle se on yhtä kuin yhtenäisyys.

Mahdollinen eroavaisuus

Työtä, jonka kenttä suorittaa varauksen siirtämiseksi pisteestä toiseen, kutsutaan potentiaalieroksi

Tämä kaava voidaan esittää toisessa muodossa

Potentiaalitasapaino (viiva)- samanpotentiaalinen pinta. Varauksen siirtämiseksi potentiaalitasapainoa pitkin tehty työ on nolla.

Jännite

Potentiaalieroa kutsutaan myös sähköjännite edellyttäen, että ulkoiset voimat eivät vaikuta tai niiden vaikutus voidaan jättää huomiotta.

Jännite kahden pisteen välillä tasaisessa sähkökentässä, jotka sijaitsevat samalla intensiteettiviivalla, on yhtä suuri kuin kentänvoimakkuusvektorin moduulin ja näiden pisteiden välisen etäisyyden tulo.

Piirin virta ja varautuneen hiukkasen energia riippuvat jännitteestä.

Superpositioperiaate

Usean varauksen muodostaman kentän potentiaali on yhtä suuri kuin kunkin kentän kenttien potentiaalien algebrallinen (potentiaalin etumerkki huomioiden) summa.

Ongelmia ratkaistaessa syntyy paljon hämmennystä määritettäessä potentiaalin, potentiaalieron ja työn merkkiä.

Kuvassa näkyvät jännitysviivat. Missä kohdassa kentän potentiaali on suurempi?

Oikea vastaus on piste 1. Muistakaamme, että jännityslinjat alkavat positiivisesta varauksesta, mikä tarkoittaa, että positiivinen varaus on vasemmalla, joten vasemmanpuoleisin piste on maksimipotentiaalissa.

Jos tutkitaan negatiivisen varauksen synnyttämää kenttää, niin varauksen lähellä olevalla kenttäpotentiaalilla on negatiivinen arvo, mikä on helposti todennettavissa, jos kaavaan korvataan miinusmerkkinen varaus. Mitä kauempana negatiivisesta varauksesta, sitä suurempi on kenttäpotentiaali.

Jos positiivinen varaus liikkuu jännityslinjoja pitkin, potentiaaliero ja työ ovat positiivisia. Jos negatiivinen varaus liikkuu jännityslinjoja pitkin, niin potentiaalierolla on "+"-merkki ja työssä "-"-merkki.