12. Эффект Холла в металлах и полупроводниках.

Эффект Холла — это возникновение в металле (или полупроводнике) с током плотностью j, который помещен в магнитное поле В, электрического поля в направлении, перпендикулярном В и j.  Металлическую пластинку с током плотностью j поместим в магнитное поле В, перпендикулярное j (рис. 1). При заданном направлении jскорость носителей тока в металле (в данном случае - электронов) направлена справа налево. На электроны действует сила Лоренца, направленная в данном случае вверх. Значит, у верхнего края пластинки создается повышенная концентрация электронов (отрицательно зарядится), а у нижнего — их недостаток (положительно зарядится). В результате этого между краями пластинки появится дополнительное поперечное электрическое поле, которое направленно снизу вверх. Когда напряженность Е_B данного поперечного поля достигнет величины, при которой его действие на заряды будет уравновешивать силу Лоренца, то установится стационарное распределение зарядов в поперечном направлении. Тогда    где Δφ — поперечная (холловская) разность потенциалов , а — ширина пластинки.  Учитывая, что сила тока I=jS=nevS (n — концентрация электронов, S — площадь поперечного сечения пластинки толщиной d, v — средняя скорость упорядоченного движения электронов), найдем   (1)  т. е. холловская поперечная разность потенциалов прямо пропорциональна магнитной индукции В, силе тока I и обратно пропорциональна толщине пластинки d. В формуле (1) R=1/(en) — постоянная Холла, которая зависит от вещества. Измеряя значение постоянной Холла можно: 1) найти концентрацию носителей тока в проводнике (при известных зарядах носителей и характере проводимости); 2) делать выводы о природе проводимости полупроводников, поскольку знаки постоянной Холла и знаки заряда е носителей тока совпадают. По этой причине эффект Холла наиболее эффективный метод изучения энергетического спектра носителей тока в металлах и полупроводниках. Он используется и для умножения постоянных токов в аналоговых вычислительных машинах, в измерительной технике (датчики Холла) и т. д. 

13. Электрический ток в вакууме. Электронные лампы и их применение.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ВАКУУМЕ

Что такое вакуум? - это такая степень разрежения газа, при которой соударений молекул практически нет; - электрический ток невозможен, т.к. возможное количество ионизированных молекул не может обеспечить электропроводность; - создать эл.ток в вакууме можно, если использовать источник заряженных частиц; - действие источника заряженных частиц может быть основано на явлении термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия - это испускание электронов твердыми или жидкими телами при их нагревании до температур, соответствующих видимому свечению раскаленного металла. Нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны, образуя вокруг себя электронное облако. В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод, равно числу электронов, возвратившихся на него ( т.к. электрод при потере электронов заряжается положительно). Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака.

Вакуумный диод Электрический ток в вакууме возможен в электронных лампах. Электронная лампа - это устройство, в котором применяется явление термоэлектронной эмиссии.  Вакуумный диод - это двухэлектродная ( А- анод и К - катод ) электронная лампа. Внутри стеклянного баллона создается очень низкое давление   Н - нить накала, помещенная внутрь катода для его нагревания. Поверхность нагретого катода испускает электроны. Если анод соединен с + источника тока, а катод с -, то в цепи протекает  постоянный термоэлектронный ток. Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью.  Т.е. ток в аноде возможен, если потенциал анода выше потенциала катода. В этом случае электроны из электронного облака притягиваются к аноду, создавая эл.ток в вакууме.

Высокочастотная и высоковольтная мощная техника

• В мощных радиовещательных передатчиках (от 100 Вт до единиц мегаватт) в выходных каскадах применяются мощные и сверхмощные лампы с воздушным или водяным охлаждением анода и высоким (более 100 А) током накала. Магнетроны,клистроны, т. н. радиолампа бегущей волны обеспечивают сочетание высоких частот, мощностей и приемлемой стоимости (а зачастую и просто принципиальной возможности существования) элементной базы.

• Магнетрон можно встретить не только в радаре, но и в любой микроволновой печи.

• При необходимости выпрямления или быстрой коммутации нескольких десятков кВ, которую невозможно осуществлять механическими ключами, необходимо использовать радиолампы. Так, кенотрон обеспечивает приемлемую динамику на напряжениях до миллиона вольт.

Военная промышленность

Из-за принципа действия электронные лампы являются устройствами, значительно более устойчивыми к таким поражающим факторам, как электромагнитный импульс. В единственном устройстве может быть несколько сотен ламп. В СССР для применения в бортовой военной аппаратуре в 1950-е годы были разработаны стержневые лампы, отличавшиеся малыми размерами и большой механической прочностью.

Космическая техника

Радиационная деградация полупроводниковых материалов и наличие естественного вакуума межпланетной среды делает применение некоторых типов ламп средством повышения надёжности и долговечности космических аппаратов. Применение в АМС Луна-3 транзисторов было связано с большим риском.^[6]

Повышенная температура среды и радиации

Ламповое оборудование может быть рассчитано на больший температурный и радиационный диапазон условий, нежели полупроводниковое.

Высококачественная звуковая аппаратура

По субъективному мнению некоторых меломанов, «ламповый» звук принципиально отличается от «транзисторного». Существует несколько версий объяснения этих различий, как основанных на научных исследованиях, так и откровенно ненаучных рассуждениях. Одно из главных объяснений различий лампового и транзисторного звука, заключается в «естественности» звучания ламповой аппаратуры. Ламповый звук «объемный» (некоторые называют его «голографическим»), в отличие от «плоского» транзисторного. Ламповый усилитель отчетливо передаёт эмоции, энергетику исполнителя, «драйв» (за что их обожают гитаристы). Транзисторные усилители с трудом справляются с такими задачами. Нередко конструкторы транзисторных усилителей используют схожую с лампами схемотехнику (режим работы в классе А, трансформаторы, отсутствие общей отрицательной обратной связи). Общим результатом этих представлений стало «возвращение» ламповой техники в сферу высококачественных усилителей. Объективная (научная) причина такого положения — высокая (но не идеальная) линейность лампы, в первую очередь триода. Транзистор, в первую очередь биполярный, элемент вообще нелинейный, и как правило не может работать без мер по линеаризации.

14. Электронно-лучевая трубка. Устройство и назначение осциллографа.

Электронный осциллограф – прибор, предназначенный для визуального наблюдения, фотографирования и измерения различного рода электрических процессов. Он состоит из нескольких функциональных блоков:

• электронно-лучевой трубки,

• усилителя вертикального отклонения,

• усилителя горизонтального отклонения,

• генератора развертки,

• блока синхронизации,

• источника питания.

1. Электронно-лучевая трубка

А

Рис. 2.1

Все детали электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) помещены в стеклянной колбе (7), где создан вакуум порядка 10⁷ – 10⁸ мм. рт.ст. Источником электронов служит катод 1. Через катод проходит ток, который его нагревает (ток накала). При этом электроны покидают катод и образуют вокруг него электронное облако. Часть электронов под действием электрического поля движутся к аноду, проходя через модулятор 2 и отклоняются так, что их траектории пересекаются в точке А. Таким образом, система катод-модулятор служит для электронов, как бы фокусирующей линзой. Если разность потенциалов между модулятором и катодом можно увеличить (движок потенциометра «яркость» сдвинуть влево), то часть электронов будет отталкиваться модулятором обратно на катод, а число прошедших электронов уменьшится. Еще сдвинув движок влево, можно совсем не пропустить электроны к первому аноду 3.

Пройдя через точку А, электроны подходят ко второй электронной линзе, состоящей из первого анода 3 и второго анода 4. Между этими анодами имеется разность потенциалов, меняя вторую с помощью движка потенциометра «фокус», можно совмещать точку пересечения траекторий электронов с поверхностью экрана. На внутренней поверхности экрана нанесен люминофор, который позволяет наблюдать положение точки в которую попадает электронный луч.

Электроды 1-4 объединяются в одной конструкции, называемой электронной пушкой (обведена пунктиром). Вращая ручку «яркость», можно менять поток электронов на экран, а значит, и яркость светового пятна.

В электронно-лучевой трубке вмонтированы еще система электродов горизонтально отклоняющие 5 и вертикально отклоняющие 6 пластины. Принцип отклонения электронов пояснен на рис. 2.2.

Рис. 2.2

Электронный луч, формируемый пушкой, проходит между двумя пластинами. Если пластины заряжены: верхняя – положительно, нижняя – отрицательно, то электроны будут отклоняться в сторону положительной пластины. При обратной полярности пластин – отклонение будет наблюдаться в противоположенную сторону. Если же между пластин электрическое поле отсутствует, то луч попадает в центр экрана.

Пластины 5 и 6 расположены перпендикулярно друг другу и, следовательно, подавая напряжение на эти пластины, можно отклонять луч во взаимно перпендикулярных направлениях (ручки «смещ.Y» и «смещ. Х» на осциллографе).

Конфигурацию пластин и экрана выбирают такой, чтобы величина отклонения луча (рис.2.2) была пропорциональна напряжению на пластинах U_о.

x = hU_о l = 2x h = l / 2U_о (2.1)

Коэффициент пропорциональности h называется чувствительностью электронно-лучевой трубки. Различают чувствительность для горизонтально отклоняющих пластин h_x и для вертикально отклоняющих h_y.

На этой блок-схеме можно понять взаимодействие основных блоков осциллографа. Источник питания всех блоков здесь не показан