Министерство образования Российской Федерации

Волжский филиал МАДИ (ГТУ)

Факультет Транспортное машиностроение

Кафедра электротехники и электрооборудования

Кузин Н. П.

Элементы электроники

(конспект лекций)

Чебоксары 2010

Лекция 1

Введение

Электронное устройство — это изделие, состоящее из отдельных электронных функциональных узлов, каждый из которых выполняет определенную операцию. Функциональный узел состоит из пассивных и активных элементов, соединение которых образует электрическую схему. Электронное устройство характеризуется: высоким быстродействием, точностью и чувствительностью входящих в нее элементов.

Исторически в развитии технической электроники можно выделить три основных этапа: ламповая электроника, полупроводниковая электроника, микроэлектроника.

Ламповая электроника, как раздел электроники, берет начало с XIX века, когда создали первую лампочку накаливания, это послужило началом изучения электронных явлений (термоионная и фотоэлектронная эмиссия). Следующим этапом послужило изобретение радиоприемника, лампового детектора, введения в детектор управляющего электрода. Наряду с этими приборами разрабатывались и развивались другие электронные приборы: электроннолучевые, ионные, фотоэлектронные, полупроводниковые.

Применение полупроводниковых приборов позволило в несколько раз уменьшить габаритные размеры многоэлементных установок, повысить надежность работы, снизить потребляемую мощность.

Все большее развитие получает микроэлектроника – отрасль электроники, охватывающая исследования и разработку интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральная микросхема – это законченный функциональный узел, выполненный на единой несущей конструкции – подложке, в едином технологическом процессе и выполняющий определенную функцию преобразования информации.

Компоненты электронной техники делятся на активные и пассивные.

Активные элементы способны усиливать, обрабатывать и преобразовывать сигналы. Пассивные — накапливать или расходовать энергию сигнала. Элемент электрической схемы, имеющий определенное функциональное назначение и имеющий выводы для соединения с другими элементами, называется деталью радиоэлектронного устройства, или радиодеталью. С помощью этих приборов можно сравнительно просто и во многих случаях с высоким к.п.д., преобразовать электрическую энергию по форме, величине и частоте тока или напряжения. Кроме того, с помощью электронных приборов, удается преобразовать неэлектрическую энергию в электрическую и наоборот (фотоэлементы, терморезисторы, пьезоэлементы и т.д.). Разнообразные электронные датчики и измерительные приборы позволяют с высокой точностью измерять, регистрировать и регулировать изменение всевозможных неэлектрических величин – температуры, давления, деформации, прозрачности и т.д.

Основными компонентами электронной техники являются:

резисторы;

1. конденсаторы;

2. катушки индуктивности и дроссели;

3. трансформаторы;

4. коммутационные устройства;

5. электровакуумные приборы;

6. приборы отображения информации;

7. полупроводниковые приборы;

8. акустические приборы;

9. антенны;

10. пьезоэлектрические приборы;

11. линии задержки;

12. источники тока;

13. предохранители и разрядники;

14. электродвигатели;

15. лампы накаливания,

16. элементы цифровой техники;

17. элементы аналоговой техники;

18. провода, кабели, волноводы.

Основные законы электричества

Современное учение об электрическом токе тесно связано с учением о строении ве­щества. Вещество состоит из молекул, которые, в свою очередь, складываются из атомов, а последние в основном состоят из электронов, протонов и нейтронов. Химический элемент это вещество, которое включает атомы только од­ного определенного рода.

Рис. 1.1. Модель атома

Атом состоит из центрального ядра, образован­ного из протонов и нейтронов. Вокруг ядра распо­ложены орбиты электронов, которые напоминают орбиты планет, вращающихся вокруг Солнца. Атом имеет равное количество положительных и отрицательных зарядов и, следовательно, электри­чески нейтрален. Нейтрон - частица ядра, не име­ющая заряда. Протон - другая частица ядра, и он заряжен положительно. Нейтрон - электрически нейтрален, а протон положителен, из чего следует, что ядро атома заряжено положительно. Электрон частица, заряженная отрицательно. Электроны вращаются вокруг ядра потому, что ядро заряжено положительно, а электрон отрицательно. Разноименные заряды притягиваются, поэтому если бы электрон просто находился где-то вблизи ядра, он бы обязательно притянулся к нему и упал на ядро. А он не падает, поскольку вращается. Электроны движутся в переделах слоев (оболочек) на некотором расстоянии от ядра, определяемом их энергией: чем больше энергия электрона, тем он движется дальше от ядра. Когда атомы находятся в равновесном электри­ческом состоянии, число электронов, вращающих­ся вокруг ядра, равно числу протонов в ядре. Атомы некоторых веществ имеют электроны, легко поки­дающие «родительское» ядро, что, таким образом, делает их способными присоединяться к другим смежным атомам. В этом процессе смежные атомы за счет отталкивания зарядов перемещают электро­ны от одного атома к другому, и в результате элект­роны движутся через вещество. Движение это случайное, а такие «сорванные» электроны называются свободными электронами. Только электроны - носители отрицательных зарядов - могут перемещаться внут­ри вещества, а протоны и нейтроны прочно удерживаются на своих местах в ядре атома. Из числа электронов свободными могут быть только те, которые находятся на внешних орбитах атома; следовательно, от строения атома зависит количество свободных элект­ронов. Последние могут создавать электрический ток и, если их относительно много, вещество является проводником, т. е. хорошо пропускает движущиеся заряды. К про­водникам относятся все металлы.

Вещество называется проводником, если его электроны могут перемещаться. В некоторых ве­ществах оторвать электроны от родных атомов крайне затруднительно. Такие вещества называют диэлектриками (или изоляторами), в которых почти все электроны прочно удерживаются на орбитах вокруг положительных ядер атомов. Воз­действие внешних электрических цепей вызывает в диэлектриках только сдвиг электронов по отношению к ядрам (поляризацию). Электрический ток диэлектрики не пропускают.

Электрический ток - это упорядоченное движение электрических зарядов в опре­деленном направлении. Носителями зарядов, в большинстве случаев служат свободные электроны (в частности, в металлах), а в жидкостях и газах - ионы. В металлах перемещение свободных электронов в одном направлении v_э, (рис. 1) накладывается на их беспорядочное тепловое движение v. Такое перемещение называется дрейфом; сле­довательно, электрический ток в металлах создается дрейфом электронов.

Рис.1.2 Возникновение дрей­фа электронов под действием электри­ческого поля

Скорость упорядоченного (поступательного) движения свободных электронов в металле относительно мала, обычно она не превышает 1 мм в секунду. Однако скорость распространения электрической энергии весьма велика - в воздушных линиях она прак­тически равна скорости света. Поэтому при замыкании электрической цепи ток в ней практически устанавливается почти мгновенно. В этом нет противоречия - электриче­ское поле, создаваемое источником электроэнергии и воздействующее на заряды, распро­страняется вдоль линии со скоростью света, а электрические заряды под его действием перемещаются относительно медленно. Можно прибегнуть к такому сравнению: при открывании водопроводного крана из него сразу под напором начинает течь вода, хотя частицы воды, посылаемые водонапорной станцией, движутся в трубах довольно мед­ленно.

Для возникновения электрического тока должна быть создана электрическая цепь, состоящая из проводников.

Для поддержания тока необходим источник электрической энергии, который преоб­разует другие формы энергии в электрическую. Так, первичные двигатели (паровые, газо­вые или гидравлические турбины и т. д.), мощные электромашинные генераторы преоб­разуют механическую энергию, гальванические элементы и аккумуляторы - энергию химических процессов, маломощные термоэлементы и магнитогидродинамические ге­нераторы - теплоту, наконец, различные фотоэлементы (широко применяемые на искусственных спутниках земли и в космических межпланетных станциях) - лучистую энергию. На рис.1.3 показаны условные графические обозначения различных видов источ­ников электроэнергии.

Рис.1.3. Условные графические обозначения различных видов источников электроэнергии:

а - э. д. с., б - гальванических злементов или аккумуляторов, в - батареи гальванических элементов или аккумуляторов, г - термозлементов, д - фотоэлемент,

е - электромашинного генератора постоянного тока, ж - электромашинного генератора переменного тока

Однако электрический ток служит лишь для передачи энергии, так как в различных приемниках электроэнергия всегда преобразуется в другие виды энергии: в электродви­гателях - в механическую энергию, в осветительных устройствах - в лучистую, в элект­ропечах - в теплоту и т. д. Следовательно, основными частями простой электрической цепи являются:

1. источник электрического давления (электродвижущая сила или электрическое напряжение) Е – батарея (рис. 1.4);

2. приемник электроэнергии r – лампочка;

3. провода, соединяющие их между собой, и выключатель К для размыкания и замыкания цепи.

Рис.1.4. Простая электрическая цепь

Если в точке А - избыток электронов в сравнении с точ­кой В (Рис. 3), то говорят, что между точками А и В существует разность по­тенциалов, или напряжение. Если замкнуть электрическую цепь, то избыточные электроны из точки А начнут перетекать в точку В, то есть потечет электрический ток. Точка А по причине избытка электронов имеет отрицательный потен­циал, а точка В - положительный.

Поток электронов подобен потоку воды, текущему из бака А в бак В, как показано на рис. 1.5. Труба между баками является эквивалентом электрического проводника, а разность уровней воды - эквивалентом разности потенциалов между точками А и В.

Рис.1.5