В повседневной жизни мы используем множество электротехнических устройств самого разнообразного назначения. Все они состоят из компонентов, тем или иным образом взаимодействующих с электрическим током. Рассмотрим их работу, но не так, как учили в школе, а с несколько иных позиций, используя инструментарий, хорошо зарекомендовавший себя ранее.
Что такое проводник, полупроводник и диэлектрик, знают все. Подробного рассмотрения этот вопрос не требует, достаточно лишь отметить, что в природе нет ничего идеального. То есть, даже самый лучший проводник всегда оказывает какое-то сопротивление движению тока, а любой диэлектрик не является абсолютной преградой для электрических зарядов. Полупроводники мы рассмотрим отдельно, когда речь зайдёт о диодах и транзисторах. На этом обзор материаловедения можно закончить и перейти к наиболее простым компонентам радиоэлектронных схем, но в то же время, наиболее часто применяемым в различном электротехническом оборудовании.
Резистор
Резистор по праву считается самым часто применяемым элементом в радиотехнике, независимо от того, в каком устройстве он стоит - миниатюрном или очень большом. Его основная задача - уменьшения тока и напряжения на различных участках схемы путём противодействия движению электрических зарядов в цепи. Главный параметр любого резистора - его сопротивление, все прочие назовём третьестепенными.
Взаимоотношения тока, напряжения и сопротивления в электрических схемах администрирует закон Ома. Его наиболее простая интерпретация I=U/R, что на словах выглядит так:
Ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.
Собственно, это краткий пересказ информации из школьного учебника. Он нам потребовался лишь для того, чтобы обратить внимание на закон Ома, поскольку он по праву может носить звание "Самый Главный Закон Электротехники". Его ещё именуют эмпирическим, то есть - многократно подтверждённым на практике, но не имеющем академического объяснения. По каким причинам современная наука не уделила должного внимания этому вопросу, остаётся лишь догадываться, ведь очевидно, что закон Ома является частным случаем закона сохранения Энергии/Массы, который считается фундаментальным для физики.
Историки утверждают, что в трудах Аристотеля встречается упоминание "закона сохранения Материи", согласно которому Масса и Энергия - это "две половинки одного ореха - Материи", и её количество неизменно при преобразовании Массы в Энергию и обратно. Но, вернёмся в современность...
Следует отметить, что правило Бернулли в гидравлике и закон рычага в механике действуют аналогично с законом Ома, поскольку они также являются частными случаями закона сохранения Массы/Энергии. То есть, движение электрического тока в проводнике может рассматриваться по аналогии с действием жидкости в гидравлической системе, а также на различных механических моделях.
Для того чтобы сравнить между собой непохожие друг на друга, но действующие по общему Сценарию процессы, смотрим следующий блок картинок:
а)
б)
Рис. 79
На картинке выше два типа подключения резисторов - параллельное (рис. 79.а), при котором неизменной величиной является напряжение, и последовательное (рис. 79.б), здесь уже ток проявляет своё постоянство. Для сравнения процессов, происходящих в электрической цепи, с гидравликой и механикой, несколько изменим первое изображение и получим следующее:
а)
б)
Рис. 80
Согласно правилу Бернулли при сужении трубы возрастает скорость течения жидкости в ней и при этом падает давление. При увеличении сечения происходит обратный процесс. То есть, при неизменном количестве жидкости, проходящим через трубу определённого сечения, давление и скорость потока - взаимно обратные величины по отношению друг к другу. Обратим внимание, что ток и напряжение в цепи при неизменной мощности пребывают в той же обратно пропорциональной зависимости - растёт ток, уменьшается напряжение и наоборот.
От формулы Бернулли с множеством несущественных для нашего случая величин оставим лишь наиболее важные параметры системы - давление P и скорость потока V. Через них выразим массовую долю воды, проходящую по разным участкам трубопровода за определённый период времени M/t в виде произведения давления на скорость потока PV, поскольку эти величины отражают один и тот же процесс, но через разные величины. Очевидно, что на входе и выходе системы массовая доля жидкости будет неизменной, независимо от сложности строения трубопровода и существования участков, на которых скорость потока и давление могут сильно отличаться друг от друга. Собственно, в этом и состоит смысл закона сохранения Массы/Энергии.
Следующая картинка также иллюстрирует параллельное соединение, но теперь на механической модели (рис. 2б). Сила, необходимая для приведения в движение трёх тележек какой угодно массы, будет суммой сил, требующихся для перемещения каждой из тележек. Конечно, на этой схеме нет ничего похожего на рычаг, но нам требовалась модель, которая была бы наиболее близка к процессам, изображённым на картинках рис. 79. а и рис. 80. а. Что касается самого закона рычага, то там тоже присутствует обратно пропорциональная зависимость силы от длины плеча. Древние греки его формулировали так:
Выигрываем в силе, проигрываем в расстоянии.
Картинка из учебника может быть такая:
Рис. 81
Подведём следующий итог размышления:
Независимо от того, в цепи переменного или постоянного тока используется резистор, он служит для ограничения количества электрических зарядов, движущихся по участку схемы. В различных вариантах построения схемы, он является регулятором тока или напряжения, но только в сторону уменьшения.
Поскольку механическим аналогом электрическому сопротивлению является трение, то в процессе своей работы резистор нагревается, и чем больше тока проходит через него, тем горячее будет резистор. Это свойство довольно часто используется в бытовой технике, когда требуется небольшой по размеру и мощности нагреватель. Существуют и более специфические варианты использования резисторов, но их мы оставим за рамками данного размышления, и перейдём к следующему по частоте использования компоненту.
Конденсатор
Если принцип работы резистора в учебнике физики описан адекватно, в полной мере отвечая реалиям, то с конденсатором ситуация обстоит диаметрально противоположным образом. То есть, современная наука описывает работу конденсатора совсем не так, как это происходит в действительности. Для этого используются вымышленные сущности, ничуть не проясняющие ситуацию, а наоборот, запутывающие суть происходящих процессов.
В рамках данного размышления постараемся исправить ошибки, допущенные традиционной наукой в отношении второго по частоте применения в электротехнике элемента - конденсатора.
Согласно информации из учебника заряды в конденсаторе хранятся на металлических пластинах, а расположенный между ними диэлектрик нужен лишь для изоляции. При этом хорошо известно, что количество запасаемого конденсатором электричества зависит не только от площади обкладок, но и от материала диэлектрика. Если мы вместо диэлектрика используем электролит, то ёмкость конденсатора при неизменной площади обкладок возрастёт во много раз. Электролитический конденсатор мы обсудим чуть позже, а сейчас продолжим рассмотрение обычных конденсаторов, "диэлектрическое тело" которых состоит из веществ, для электрического тока являющихся изолятором.
Заметим также, что все попытки зарядить металлическую пластину, независимо от её размера и формы обречены на неудачу - металлы почему-то наотрез отказываются удерживать на своей поверхности заряды любой полярности. Тем не менее, наличие диэлектрика между двумя пластинами позволяет свершиться чуду - металл обретает нетипичное для него свойство. Даже в случае, когда между двумя пластинами нет никакого диэлектрика, это всё равно будет полноценный конденсатор, поскольку воздух также обладает диэлектрическими свойствами.
Для объяснения такого странного эффекта, когда на двух близко расположенных пластинах металла возникает электрическое напряжение, традиционной науке пришлось пойти на хитрость - ввести понятие электрическое поле. Просто потому, что другого объяснения на тот момент никто не догадался предложить. Примерно так же появились термины - магнитное и гравитационное поле. Здесь сработало традиционное академическое правило - если существующих знаний не хватает, то используется "волшебный термин" - Поле. Если он так удачно сработал в случае с электромагнитными явлениями, почему бы его не использовать и для всего остального. Но, довольно лирики...
Существуют так называемые "вакуумные конденсаторы", у которых пластины находятся внутри запаянной стеклянной колбы. Но даже в этом случае мы имеем внутри газовую среду, пускай и очень разряжённую, поскольку для создания "настоящего вакуума" потребовалось бы нарушить один из основных законов природы, который гласит:
Природа не терпит пустоты.
Отсюда делаем вывод, что конденсатор - это не только его металлические обкладки, но и диэлектрик, находящийся между ними.
Движемся далее...
Считается, что конденсатор проводит переменный ток, и даже постоянный, но только в тот краткий момент, когда он заряжается. Получается, что диэлектрик, который находится между обкладками, вовсе не изолятор. Такого рода утверждения - момент для науки явно неловкий, ведь очевидно, что проводник - проводит ток, а изолятор - изолирует. Если существуют какие-то исключения из правил, то названия Проводник и Изолятор нужно срочно менять на что-то более адекватное реалиям.
Но, не будем торопиться, и попытаемся разобраться, что имел в виду автор, допускающий подобные утверждения.
Для начала ответим на вопрос:
Зачем вообще нужен диэлектрик в конденсаторе?
Ответ такой:
Конденсатор хранит электрические заряды в диэлектрике, а металлические обкладки исполняют роль транспорта для них.
Конечно, подобное утверждение противоречит тому, что мы изучали в школе, но оно легко доказуемо на практике.
Проведём несколько простых "экспериментов выходного дня", для которых понадобятся листы любого металла - меди, алюминия или даже оцинкованного железа, а в качестве диэлектрика можно использовать бумагу, картон, пластик или какую-нибудь плотную ткань. Главное условие, чтобы они были сухими и чистыми. Ещё нужен вольтметр и блок питания с широким диапазоном напряжений. Сила тока у него может быть любой, на ход эксперимента эта величина практически не влияет.
Для того чтобы опыт давал более наглядные результаты листы материала для обкладок нашего импровизированного конденсатора и самого "диэлектрического тела" должны иметь достаточную площадь, поскольку плотного прилегания добиться вряд ли получится, а значит и результаты не будут слишком впечатляющими. Тем не менее, при удачном ходе эксперимента даже в таком "конденсаторе" можно запасти энергию для заметной глазу электрической искры.
Начинаем:
Опыт N1 "Определение места хранения электрических зарядов в конденсаторе"
1. На большом столе собираем два "конденсатора" - пару листов металла, а между ними лист пластика или картона.
2. Заряжаем один из "конденсаторов" от источника питания, после чего отсоединяем провода.
3. Отмечаем возникновение постоянного напряжения на одном "конденсаторе" отсутствие на другом, к которому мы не подключали блок питания.
4. Аккуратно снимаем верхний лист металла с обоих "конденсаторов", после чего меняем местами листы диэлектрика - с заряженного "конденсатора" на тот, где зарядка не производилась.
5. Кладём верхние листы металла обратно туда, откуда их ранее сняли.
6. Измеряем напряжение на первом "конденсаторе", который был заряжен и на втором "пустом".
В результате этого опыта мы обнаружим, что электричество переместилось из заряженного "конденсатора" вместе с листом диэлектрика в тот "конденсатор", которого мы не заряжали.
Опыт N2 "Смена полярности конденсатора"
1. Собираем на столе "конденсатор" - сверху и снизу листы металла, внутри лист диэлектрика.
2. Заряжаем этот "конденсатор" от источника постоянного тока, после чего отсоединяем провода.
3. Измеряем напряжение на обкладках и определяем расположение "плюса" и "минуса" вольтметром.
4. Снимаем верхний лист металла, после чего переворачиваем лист диэлектрика так, чтобы у него поменялись верх с низом.
5. Возвращаем лист металла обратно и меряем напряжение.
Результатом будет смена полярности - "плюс" и "минус" поменяются местами.
Опыт N3 "Изменение ёмкости конденсатора"
1. Один из "конденсаторов" заряжаем от источника постоянного тока.
2. Снимаем с него лист металла, после чего сдвигаем лист пластика в сторону примерно на треть или половину площади.
3. На освободившееся место кладём другой лист диэлектрика, который должен быть незаряженным. Он нам требуется для того, чтобы предотвратить замыкание металлических пластин.
4. Возвращаем лист металла, снятый ранее, точно на то место, где он лежал прежде, то есть, напротив нижнего листа. Между ними у нас теперь два листа диэлектрика - "заряженный" и "пустой".
5. Измеряем напряжение на "конденсаторе" и отмечаем, что прежние значения напряжения заметно уменьшились.
6. Сдвигаем "заряженный" лист диэлектрика обратно и снова измеряем напряжение. Отмечаем, что напряжение вернулось к первоначальным значениям.
Опыт N4.
1. Заряжаем "конденсатор" от блока питания или даже от бытовой электрической розетки, после чего отключаем провода.
2. Замыкаем обкладки конденсатора проводом.
Если площадь конденсатора достаточно большая, мы увидим искру.
Подведём итог по результатам проведённых экспериментов:
Конденсатор хранит электрические заряды в диэлектрике, а вовсе не на металлических обкладках.
Это значит, что о существовании в конденсаторе электрического поля, диффузных токов, векторов индукции и других "высоконаучных сущностей" можно далее не упоминать, ведь очевидно, что внутри него происходят обычные механические процессы - металлические обкладки в конденсаторе исполняют функцию транспортировки зарядов по двум направлениям - в "тело диэлектрика" и обратно в электрическую цепь. Соответственно, чем выше площадь контакта проводника и диэлектрика, тем больше электрических зарядов можно упаковать в диэлектрик, который непременно будет противодействовать такому принуждению. Этот параметр именуется диэлектрическим сопротивлением. Ему можно противодействовать только повышением напряжения питания - увеличением "давления электрических зарядов", но и здесь имеется ограничение, так называемое - Напряжение Пробоя, когда изолятор превращается в проводник.
Теперь, когда мы уже достаточно знаем о функции металлических обкладок и диэлектрика, расположенного между ними, обсудим основные свойства этого радиоэлектронного компонента.
Утверждение в учебнике физики о том, что исправный конденсатор может проводить постоянный или переменный ток - не соответствует действительности, поскольку любой диэлектрик для электрического тока всегда является изолятором. Естественно, речь идёт об использовании конденсатора в рабочем диапазоне напряжений, не способных вызвать его электрический пробой.
Сейчас чуть подробнее о наблюдаемом эффекте.
В момент зарядки конденсатора постоянным напряжением мы регистрируем возникновение тока в электрической цепи, но не в самом конденсаторе. Когда электрические заряды насыщают "пустой" диэлектрик, они действительно устремляются по соединительным проводам внутрь конденсатора, и стрелка амперметра при этом отклоняется, но только до того момента, пока диэлектрик не заполнится зарядами. Момент окончания зарядки произойдёт тогда, когда напряжения источника питания и самого конденсатора сравняются. Амперметр при этом покажет нулевое значение - отсутствие тока в цепи.
Следует заметить, что любой аккумулятор ведёт себя так же - когда он пустой, зарядный ток максимальный, а когда полный, показания амперметра находятся вблизи нуля. Дальнейший заряд конденсатора и аккумулятора возможен только при увеличении напряжения на источнике питания, но это с высокой вероятностью испортит аккумулятор, а в конденсаторе возможен электрический пробой диэлектрика и даже термический, после которого конденсатор можно смело выбрасывать.
Для того чтобы поставить жирную точку в вопросе проводимости конденсатором постоянного тока в момент его зарядки, достаточно установить в электрическую цепь два амперметра, которые бы находились по разные стороны от выводов конденсатора. Сравнив их показания, мы будем точно знать, проводит конденсатор электрический ток или нет. Опыт совсем простой и не требует применения дорогостоящих приборов.
Механическим аналогом конденсатору будет пружина, которая запасает энергию в момент сжатия и высвобождает, когда распрямляется. Сжатие пружины требует приложения определённой силы, а конденсатору для зарядки нужны электрические заряды, "давление" которых в электрических цепях мы называем напряжением. Движение зарядов по проводнику - это уже электрический ток. Когда конденсатор зарядится, ток исчезнет, останется только напряжение. Процесс чем-то напоминает накачку насосом велосипедного колеса. Мы затрачиваем силы, сжатый воздух движется по шлангу внутрь колеса и там накапливается. Если камера изготовлена из качественной резины и в ней нет дырок, давление внутри неё может сохраняться очень долго, даже если велосипед не используется. Та же картина и с конденсатором - изготовление его из химически чистых материалов и соблюдение рекомендуемых производителем режимов использования - залог долгой службы без потери ёмкости.
Переменный ток состоит из тех же электрических зарядов, что и постоянный, и конденсатор для него тоже изолятор. При этом амперметр обязательно покажет движение тока в цепи, разделённой конденсатором на два независимых друг от друга участка. Возникает парадоксальная ситуация - приборы регистрируют движение тока сквозь конденсатор, который его проводить не может, поскольку по своей сути является изолятором.
В чём подвох?
На самом деле, амперметр в режиме измерения переменного тока его предварительно выпрямляет, иначе прибор покажет лишь "вибрацию тока" без каких-то понятных значений. Соответственно, в режиме измерения переменного тока мы видим не само значение тока, а так называемую реактивную мощность, либо реактивную составляющую тока, проходящую через прибор. То есть, речь идёт о передаче Мощности через конденсатор, а не о потоке электрических зарядов.
Рассмотрим на механических моделях, как такое возможно:
а)
б)
Рис.82
На первой картинке (рис. 82. а) камера с перегородкой, способной передвигаться в ограниченном пространстве. Также она должна обеспечивать хорошую изоляцию между двумя частями единого объёма. Если такой цилиндр с поршнем поместить в разрыв гидравлической системы, то вибрация жидкости с одной стороны будет передаваться на другую сторону. При использовании такого рода устройств можно передавать Мощность из одной части системы в другую без необходимости физического перемещения массы.
Следующее изображение (рис. 82. б) - это уже полноценна система передачи мощности с поршнями, тягами и шатунами, которая может быть как гидравлической, так и пневматической. Очевидно, что при работе такой установки энергия может передаваться в любом направлении даже при отсутствии какого-либо механического соединения между левой и правой частью.
В электротехнике такой тип подключения конденсатора называют гальванической развязкой, а затрачиваемая и потребляемая мощность будет называться реактивной, поскольку физического расходования электрических зарядов при такой схеме подключения не происходит.
Для большинства случаев использования конденсатора будет актуальна такая механическая модель:
а)
б)
в)
Рис. 83
На верхней картинке (рис. 83. а) мы имеем неполярный конденсатор, который можно заряжать с любой стороны, соответственно и отдавать заряды он будет в том направлении, откуда они поступили изначально. Следующая (рис. 83. б) иллюстрирует зарядку, нижняя (рис. 83. в) разрядку.
Как и прежде, электрические заряды не проходят сквозь конденсатор, а лишь накапливаются в "теле диэлектрика" настолько плотно, насколько позволяет молекулярная структура применяемого диэлектрика. Если напряжение в цепи будет слишком высокое, произойдёт термический пробой диэлектрика и тогда конденсатор придётся выбросить. Пружина тоже может сломаться, если нагрузка на неё будет критическая. То есть, независимо от выбранной модели, действующие по одному Сценарию процессы, даже при неблагоприятном развитии событий сохраняют схожесть в поведении.
Как и резисторы, конденсаторы тоже можно соединять между собой параллельно и последовательно. Смотрим картинку:
Рис. 84
При параллельном соединении конденсаторов их ёмкость суммируется, поскольку площадь обкладок у них увеличивается, а рабочее напряжение остаётся неизменным. Такое свойство очень удобно для диагностики неисправностей в электрооборудовании при отсутствии специальных измерительных приборов. На работающем аппарате нужно подсоединить заведомо исправный конденсатор к "сомнительному" и будет ясно, причина в нём или где-то в другом месте. Естественно, соблюдая меры безопасности.
При последовательном соединении конденсатор ведёт себя иначе - его рабочее напряжение увеличивается, а ёмкость уменьшается.
Почему так происходит?
При последовательном соединении нескольких конденсаторов их рабочее напряжение вырастет, так как увеличится суммарная толщина диэлектрика, а общая ёмкость наоборот понизится вследствие увеличения их суммарного диэлектрического сопротивления. Объяснение такого эффекта довольно простое:
Главный параметр, обеспечивающий "накачку диэлектрика" электрическими зарядами - это напряжение, ведь ток через изолятор не течёт по определению. Поскольку мы имеем уже два (и более) элементов, подключенных последовательно, на противоположных выводах каждого из конденсаторов напряжение тоже упадёт. Следовательно, сила противодействия, то самое - диэлектрическое сопротивление - не позволит зарядам проникнуть в диэлектрик в нужном количестве. А раз ёмкость конденсатора характеризуется исключительно количеством зарядов, оказавшихся внутри диэлектрика, то меньшее их количество укажет на неполное заполнение ими конденсатора в сравнении с обычным подключением.
Для наглядности предлагается механическая аналогия с обычной стальной пружиной. Дело в том, что последовательное и параллельное соединение для пружин и конденсаторов описываются аналогичными формулами, с той лишь разницей, что главный параметр конденсатора - ёмкость, а для пружины - упругость. Работу пружины описывает закон Гука, согласно которому возникающая в теле деформация пропорциональна приложенной к нему силе. Воспользуемся лишь следствием этого закона, а именно, коэффициентом упругости k для различных способов соединения пружин.
Для параллельного соединения формула такая:
k (общ)= k1+ k2
Для последовательного:
1/ k (общ) = 1/k1+ 1/k2
На примере пружины такое поведение поясняет следующая картинка:
Рис. 85
При внешнем воздействии F пружина длиной L сжимается и становится короче на величину S, которая отражает степень деформации данного тела вследствие приложенной к нему силы. Если мы подсоединим последовательно ещё одну пружину той же жёсткости и длины, то суммарная длина двух пружин станет 2L. Но мы должны учитывать, что сила F осталась прежней, поэтому независимо от количества подсоединённых последовательно пружин 2L, 3L, 4L и более, система станет короче лишь на величину S. Получается, что общая упругость пружины в соотношении с её длиной будет уменьшаться. Тем не менее, свойства каждой отдельной пружины останутся неизменными.
Мы рассматривали соединение двух пружин, имеющих одинаковые длину и упругость. Если взять разные по механическим свойствам пружины, то первой сжиматься будет менее жёсткая из них. Нечто подобное происходит и с конденсаторами - общая ёмкость такого "составного конденсатора" будет определяться тем из них, ёмкость которого наименьшая. Причина такого поведения кроется в площади обкладок, поскольку именно благодаря им электрические заряды проникают внутрь диэлектрика и выходят обратно в электрическую цепь.
Представим, что нам нужно перетащить громоздкий шкаф из одной комнаты в другую, минуя коридор с несколькими дверьми. Первое, что нужно сделать, это определить, какого размера двери на всей дистанции. Если хотя бы одна из них окажется меньше шкафа, то придётся ломать дверь, либо разбирать шкаф. Вот и получается - можно взять конденсаторы с очень большой ёмкостью и соединить их последовательно, но если среди них попадётся не очень качественный, то вся "гирлянда" потеряет ёмкость. Последовательное соединение аккумуляторов "страдает той же болезнью" - ёмкость всей батареи измеряется по "самому слабому" из них.
Если параллельное соединение конденсаторов в реальных электронных схемах используется довольно часто, так как позволяет более рационально использовать существующий объём корпуса прибора, то последовательное применяется только в случаях крайней необходимости. Во-первых, за выигрыш в рабочем напряжении приходится платить ёмкостью всей "гирлянды". Следующий недостаток - повышенные требования к качественным характеристикам конденсаторов. При пробое одного из них резко ухудшается режим работы для всех остальных в цепочке. То есть, даже незначительная авария при такой "архитектуре" может стать причиной нарастающего лавинообразного процесса, выводящего из строя один элемент за другим. Если "тяжёлые условия" работы резистора определяются обычным термометром, то у конденсатора они внешне никак не проявляются, поэтому приходится полагаться на честность производителя. В случае с электролитическими конденсаторами ситуация усугубляется их конструктивными особенностями, поскольку "тело диэлектрика" у них состоит из жидкого электролита, который может вскипеть, а образующиеся при этом газы разорвут алюминиевый корпус.
Поскольку речь зашла об электролитических конденсаторах, то стоит отметить, что они - промежуточное звено между "классическими конденсаторами" и аккумуляторами. Дело в том, что по своей сути они конденсаторами не являются, поскольку их работа состоит не в накоплении электрических зарядов в межмолекулярном пространстве неметалла, а на обратимой химической реакции с участием кислоты или щёлочи. Под действием внешнего напряжения происходит преобразование одного вещества в другое, сопровождающееся увеличением плотности электролита, а в момент разряда происходит обратный процесс, в результате которого заряды возвращаются обратно в электрическую цепь. То есть, в полной мере работает тождество М=Е, подтверждая взаимозависимость Массы и Энергии - главных характеристик Материи.
Переходим к следующему участнику электрических схем.
Современная физика различные катушки и трансформаторы также причисляет к пассивным элементам, и это притом, что они способны генерировать и преобразовывать токи такой мощности, которые полупроводниковым компонентам и не снились. Поскольку работа обычной катушки достаточно подробно рассмотрена в размышлении, посвящённом электромагнетизму, перейдём сразу к трансформатору. Далее рассмотрим его работу исходя из механических принципов взаимодействия материальных объектов. Итак...
Трансформатор
Формулировка из учебника в наиболее упрощённом виде будет такая:
Трансформатор - устройство, состоящее из нескольких катушек, намотанных на магнитопроводе, предназначенное для преобразования переменного тока посредством электромагнитной индукции.
Далее следуют два базовых принципа:
1. Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле.
2. Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке.
Предлагается такая картинка:
Рис. 86
Если к самой формулировке вопросов нет, поскольку она лишь описывает работу реального трансформатора, то базовые принципы, согласно которым это происходит, изложены неудачно.
Во-первых, переменный ток отличается от постоянного только циклическим изменением напряжения. Во-вторых, электрический ток может быть причиной возникновения магнитного потока, но не поля.
И последнее замечание:
Циклическое изменение напряжённости магнитного потока в магнитопроводе создаёт во вторичной цепи самый обычный электрический ток, а вовсе не ЭДС.
Теперь, когда представления современной науки о трансформаторе и принципе его работы в общих чертах ясны, можно перейти к конкретике. А именно, каковы природные механизмы, приводящие к возникновению во вторичной обмотке электрического тока.
Для начала вспомним, как работает самый простой электрический генератор. Смотрим картинки ниже:
а)
б)
в)
Рис. 87
На первой картинке (рис.87. а) рамка из проводника вращается между двумя неподвижными магнитами, вследствие чего в цепи возникает переменный ток. Второе изображение (рис. 87. б) иллюстрирует тот же процесс, но здесь вращается магнит, а катушки прочно зафиксированы на статоре. Собственно, что относительно чего двигать, значения особого не имеет, поскольку для возникновения электрического тока необходимо соблюсти всего два главных условия:
1. Расположение магнита и витков катушки должно быть взаимно перпендикулярным.
2. Катушка и магнит по отношению друг к другу должны перемещаться.
Добавим к этому ещё один пункт, который несколько расширяет рамки рассматриваемого явления, выводя их за границы отдельно взятой планеты:
3. Наличие планетарного электромагнитного поля, которое и является главным источником электрического тока, поскольку магниты сами по себе источниками электричества и магнетизма не являются.
Для жителей Земли этот фактор значения не имеет, и на данном этапе размышления о нём следует лишь упомянуть. Также можно пропустить несколько полезных уточнений, которые лишь повысят эффективность работы такой конструкции, но главный принцип останется неизменным - электричество и магнетизм можно получить из планетарного электромагнитного поля, называемого также Магнитным полем Земли, путём использования подходящей геометрической схемы взаимодействия. Для этого используем эмпирическое правило, в существующей терминологической среде называемое - Правило трёх перпендикуляров.
Последняя картинка из блока (рис. 87. в) как раз показывает, что электричество в катушке возникнет в момент движения магнита вдоль оси, перпендикулярной плоскости расположения витков катушки, а если мы вместо измерительного прибора подключим источник тока, то при одной полярности катушка будет притягивать магнит, при другой отталкивать. Также можно перемещать катушку относительно неподвижного магнита, качество результатов от этого не изменится.
Тем не менее, нам нужно знать, как работает трансформатор, а вовсе не катушки с магнитами, поэтому возьмём последнюю картинку в качестве образца и используем её для следующего построения:
Рис. 88
Катушку Т2 оставим как и прежде подключенной к какому-то измерительному прибору - вольтметру или амперметру, а вместо магнита используем точно такую же катушку Т1, соединённую с источником питания G через кнопку К. Поскольку магнитный поток мы можем получать разными способами, то замена обычного магнита электромагнитом принципиально на ход эксперимента не повлияет.
Замкнём кнопку К и таким образом соединим катушку Т1 с источником питания G. Теперь у нас есть электромагнит, потоком которого мы будем воздействовать на катушку Т2. Результат близкий к тому, что на предыдущей картинке (рис. 87. в) - стрелка прибора отклоняется то в одну, то в другую сторону синхронно с движением катушек относительно друг друга.
Теперь соединим катушки железным стержнем так, чтобы они прочно на нём сидели и не могли двигаться. Такая механическая конструкция (рис. 88) это уже полноценный трансформатор. Катушка Т1 будет первичной обмоткой, а Т2 вторичной. Поскольку у нас есть кнопка К, позволяющая включать и выключать источник питания G, то нет необходимости механического перемещения катушек относительно друг друга.
Работа трансформатора будет выглядеть таким образом:
1. Пока кнопка К не замкнута, в сердечнике нет магнитного потока и во вторичной цепи тока не будет.
2. Соединение катушки Т1 с источником тока G приведёт к возникновению в сердечнике магнитного потока и к появлению в катушке Т2 электрического тока. Стрелка прибора V качнётся и вернётся к нулевому значению.
3. Отсоединим источник питания от катушки Т1 путём размыкания кнопки. Магнитный поток в сердечнике прекратится и в этот момент в катушке Т2 снова возникнет электрический ток. Стрелка прибора V качнётся, но уже в обратную сторону после чего опять вернётся к нулевому значению.
В результате мы видим довольно странную закономерность:
Ток во вторичной цепи возникает лишь в моменты замыкания и размыкания кнопки, в остальное время тока нет.
Почему так происходит?
Вспомним, что в предыдущем варианте, когда у нас была катушка и магнит, требовалось их двигать относительно друг друга. Катушку, по которой пропущен электрический ток мы тоже приближали и отдаляли от второй катушки и ток опять появлялся. Теперь у нас обе катушки прочно закреплены на металлическом сердечнике и нет никакой возможности их двигать, а ток всё равно возникает, но лишь в момент включения и выключения кнопки. Это значит, что какое-то движение существует, но мы его не видим.
Разгадка такого эффекта достаточно проста:
В момент подключения тока к первичной катушке она создаёт магнитный поток, который сдвигает атомы железа внутри сердечника.
Смотрим следующую картинку:
Рис. 89
Когда магнит или электромагнит отсутствует, все атомы железа покоятся внутри кристаллической решётки в равновесном состоянии. Возникновение магнитного потока, проходящего через сердечник, поляризует атом железа, который становится маленьким магнитом той же полярности, что и магнитный поток, что заставит атом сдвинуться на некоторое расстояние внутри кластера. Но поскольку ядерная связь между ними достаточно крепка, движение сразу прекратится. Все атомы, на которые действует магнетизм "зависнут" в новом состоянии, и будут находиться там, пока магнитный поток не изменит направление. Следующий цикл будет действовать аналогично, но в обратную сторону. Это движение вновь приведёт к возникновению тока, но уже в обратном направлении..
Вспомним предыдущее размышление о магнетизме и о роли гравитации в преобразовании электричества в магнетизм и обратно. Наличие движения необходимо для реализации того или другого потенциала электромагнитного поля. Первичная обмотка, воздействуя электрическим током, реализует магнитный потенциал, который вызывает силу, сдвигающую атом железа в сердечнике, реализуя его гравитационный (массовый) потенциал. Он же для вторичной обмотки является силой, которая уже посредством магнетизма реализует в ней электрический потенциал. В этом случае атом железа выступает в роли маленького магнита, двигающегося через катушку из провода. То есть, в трансформаторе одновременно происходит два смежных процесса - Электричество-Магнетизм-Движение - в первичной обмотке, и Движение-Магнетизм-Электричество - во вторичной.
Теперь то же самое, но чуть более бытовым языком.
Роль первичной обмотки состоит в создании достаточно мощного магнитного потока, способного сдвинуть как можно большее количество атомов железа, из которого состоит сердечник трансформатора, с их привычного места в пределах кристаллической решётки. Чтобы это движение приняло колебательный характер, магнитный поток должен прерываться либо менять своё направление. В этом случае запустится процесс преобразования Магнитного поля Земли в электричество во вторичной обмотке.
Очевидно, что электрические заряды с первичной обмотки трансформатора физически не могут переместиться на вторичную, поскольку между ними имеется достаточно качественная изоляция. Тем не менее, трансформатор позволяет задействовать механизм преобразования планетарного электромагнитного поля в движение электрических зарядов во вторичной цепи.
Все знают, что трансформатор в процессе своей работы всегда немного гудит. Вибрация возникает вследствие колебания атомов железа внутри сердечника, но именно благодаря ей трансформатор выполняет свою основную функцию - передачу мощности с первичной обмотки на вторичную.
Следующий важный момент - прямая зависимость мощности трансформатора от веса его магнитопровода. То есть, чем больше масса сердечника, тем больше атомов железа смогут участвовать в преобразовании планетарного электромагнитного поля в электрический ток.
Однофазный и трёхфазный трансформатор
Теперь буквально несколько слов о разновидностях трансформаторов, а именно, о трёхфазном варианте, ведь именно он опровергает утверждение о том, что в магнитопроводе существует переменное магнитное поле.
Смотрим на картинки ниже:
а)
б)
в)
Рис. 90
Самое верхнее изображение (рис. 90. а) - картинка из учебника физики, рассказывающая о том, как переменный магнитный поток Ф переносит по железному магнитопроводу электричество с первичной обмотки на вторичную. Вроде бы всё выглядит правдоподобно, ведь именно так нас учили в школе, а учителя не могут ошибаться. Единственный вопрос, который немного смущает:
Зачем нужно менять полярность тока, если магнитный поток и так движется по кольцу без каких-либо препятствий?
И действительно, согласно существующей теории, подавая переменный ток на первичную обмотку мы получим его "копию" на вторичной. Именно так и происходит в реальности. В таком случае, подавая постоянный ток на первичную обмотку, мы получим тот же магнитный поток в сердечнике, а следовательно - постоянный ток на вторичной обмотке. Вроде бы так...
Увы, постоянного тока на вторичной обмотке не возникнет. Всё потому, что внутри магнитопровода не существует никакого магнитного потока Ф, как это нарисовано на верхней картинке (рис. 90. а). То есть, теория не верна. Но это не повод для уныния, ведь если бы в магнитопроводе трёхфазного трансформатора (рис. 90. в) действительно существовало какое-то переменное магнитное поле, то он попросту не смог бы работать - три магнитных потока взаимно уничтожили бы друг друга. Таким образом, для изготовления трёхфазного трансформатора нет никакой необходимости использовать три отдельных магнитопровода (рис. 90. в), вполне можно обойтись одним (рис. 90. в).
По той же причине первичная и вторичная обмотка наматываются как можно ближе друг к другу, чаще - одна поверх другой, ведь максимальная амплитуда перемещения атомов железа в магнитопроводе (рис. 89) возникает как раз там, где катушка наиболее близка к металлу. Соответственно, и обратное преобразование произойдёт там же с наибольшей эффективностью.
Таким образом, сам факт существования трёхфазного трансформатора (рис. 90. в), катушки которого намотаны на единый железный сердечник, неопровержимо отрицает существование какого угодно магнитного поля или потока в магнитопроводе, переносящего электричество с одной обмотки на другую. Есть лишь колебание атомов железа и два смежных процесса - реализация магнитного Потенциала электромагнитного поля Земли в силовое воздействие, которое в свою очередь задействует электрический Потенциал того же поля, вызывающий возникновение электричества на вторичной обмотке. Трансформатор - это преобразователь одного вида электромагнитной энергии в другой, но никакой энергии он сам не производит.
И последнее, что следует отметить в части использования устройств, в составе которых присутствуют магниты и другие электротехнические компоненты, в своей работе использующие эффект электромагнитной индукции:
Трансформатор может работать только в условиях планетарной гравитации, ведь только благодаря существованию планетарного электромагнитного поля он способен перекачивать энергию с первичной обмотки во вторичную. А поскольку гравитация и планетарное электромагнитное поле являются взаимозависимыми природными процессами, то в условиях естественной невесомости трансформатор утратит работоспособность. Та же "печальная участь" касается "силы" обычного магнита - она в значительной степени ослабнет и даже исчезнет вовсе. Катушка электромагнита, называемая соленоидом, в отсутствии глобального электромагнитного поля едва ли сможет создать собственное, способное притянуть к себе даже небольшой кусочек железа.
В некоторой степени это ограничение препятствует покорению ближайшего космического пространства, находящегося за пределами орбит Земли и Луны, но само понимание границ возможного позволяет предвидеть подобного рода трудности и избежать явных ошибок в проектировании устройств, предназначенных для исследования среды своего обитания в более глобальном масштабе, нежели ближайшее околоземное пространство.
Пожалуй, наиболее элегантным методом преодоления очевидных природных ограничений может стать космический объект, обладающий собственным электромагнитным полем, и как следствие, гравитацией. Как ни странно это прозвучит, но Луна - это идеальный космический корабль, способный обеспечить все необходимые условия для исследования Солнечной системы. Уже сейчас она способна обеспечить не только работоспособность различных механизмов, приборов и устройств, использующих электромагнитную индукцию, но и защитит от космической радиации - главной проблемы для человечества, давно и не вполне успешно стремящегося выйти за пределы атмосферы Земли.
Активные компоненты
Пришло время рассмотреть группу компонентов, которую по сложившейся традиции почему-то именуют активными элементами. Это полупроводниковые диоды и транзисторы, а также их многочисленные разновидности. Можно долго спорить о том, какие радиокомпоненты считать активными, а какие пассивными, но есть отличительная черта, свойственная только диодам и транзисторам - наличие у них так называемого p-n-перехода. Естественно, речь идёт о полупроводниковых приборах, ведь существуют также ламповые диоды и триоды, принцип работы которых несколько иной. Их мы тоже обсудим.
Прежде чем перейти к основной части повествования, освежим в памяти основные положения теории о строении вещества, которая современной наукой отвергается, но ещё чуть более ста лет назад она считалась единственно возможной и адекватной реалиям. А именно:
Модель "твёрдого атома"
Поскольку в предлагаемой концепции роль "первоэлемента" мы поручили Заряду, вспомним, что это такое с позиций "твёрдого атома":
Заряд - физический объект, образованный множеством элементов, перемещающихся по некоторым замкнутым траекториям.
Заряд является основным носителем и переносчиком энергии в природе. Современная наука разделяет статическое электричество и электрический ток на отдельные дисциплины, в которых существует своя собственная терминология и методика расчётов. Такой подход представляется ошибочным, ведь отличие статических зарядов от подвижных, которые в конечном счёте и формируют различные энергетические потоки - электрический ток, тепловое, рентгеновское, радио- и другие типы излучений, состоит лишь в наличии у них кинетической энергии для поступательного движения. Степень подвижности заряда целиком зависит от внешних факторов, в то время как его внутреннее строение и основные свойства остаются прежними. Именно поэтому разделение электродинамики и электростатики вряд ли оправдано.
Но у заряда в природе имеется и другая важная миссия - он связывает воедино физику и химию, поскольку заряд и ядро атома по своему строению и элементному составу являются однотипными физическими объектами. Это значит, что следующим элементом в "иерархии форм" после Заряда будет Атом.
Атом представляет собой твёрдое сферическое тело, внутри которого находятся элементы, пребывающие в постоянном движении. В окружающем нас мире каждый атом уникален и нет второго такого, который можно было бы назвать точной его копией. Тем не менее, сходство по различным специфическим признакам - пространственным размерам ядра и оболочки, их плотности и другим, все атомы можно классифицировать тем или иным образом. Наиболее простой способ "идентификации" атома - принадлежность его к определённой "ячейке" в периодической таблице элементов. Зная размеры конкретного атома, его массу, плотность, электрические и магнитные свойства, мы безошибочно определим его "имя". Атом водорода сложно спутать с атомом железа или меди. Но рассматривать каждый табличный элемент по отдельности не всегда удобно, в разы проще их группировать по "роду и племени", то есть, совокупности признаков, условно разделяя, к примеру, на две большие группы - металлы и неметаллы, но и такой подход не всегда универсален.
Поскольку далее мы будем рассматривать электрические процессы, то наиболее удобным способом классификации элементов периодической таблицы будет их принадлежность к трём основным группам по степени электропроводности - проводники, полупроводники и диэлектрики. То есть, по их способности проводить ток или препятствовать его движению.
Следующий блок картинок:
а)
б)
в)
Рис. 91
На верхней картинке (рис. 91. а) атом металла, у которого активная зона ядра находится снаружи оболочки. Это значит, что электромагнитная активность такого атома довольно высока, а значит, он охотно взаимодействует не только с другими атомами, участниками данного кластера, но и со сторонними объектами, обладающими электромагнитными свойствами, к примеру, с электрическими зарядами. Вспомним, что атомы металлов одноатомны. Это значит, что кластер, состоящий из атомов металлов, имеет довольно высокую плотность заполнения объёма вещества. То есть, вследствие взаимного притяжения атомов, между ними остаётся мало свободного места, которое могли бы занять электрические заряды. Прибавим к этому обширное электромагнитное поле атома металла, которое находится в постоянном движении, что также подталкивает электрические заряды к тому, чтобы они не задерживались и покинули эту среду как можно быстрее.
Диэлектрики (рис. 91. б) ведут себя иначе. Плотность их ядер заметно ниже, а значит, активная зона (красный пунктир) не столь обширна. Такие атомы и молекулы проявляют слабые магнитные свойства, поэтому располагаются достаточно далеко друг от друга, а значит, и плотность такого вещества ниже. Соответственно, свободного пространства внутри такого кластера достаточно, поэтому диэлектрики для зарядов являются "дружественной средой", в отличие от кластера, состоящего исключительно из атомов металлов. Несмотря на отсутствие явных преград для движения, электрические заряды вовсе не стремятся куда-либо перемещаться сквозь такое вещество, чтобы поскорее покинуть его, ведь ядро любого атома - источник энергии, рядом с которым тепло и комфортно. Существует лишь одна проблема - быстрый рост внутреннего сопротивления диэлектрика даже при незначительном уровне его электризации. Другими словами - только незначительная часть электрических зарядов способна проникнуть внутрь диэлектрика, так как с ростом электризации возрастает его собственное электромагнитное поле, которое препятствует проникновению электрических зарядов внутрь такого кластера. Это явление называется поляризацией диэлектрика, прямое следствие которой - диэлектрическое сопротивление.
Конечно, повысив напряжение в электрической цепи, плотность зарядов в диэлектрике можно ещё увеличить, что заставит их проникнуть глубже в диэлектрик, но такое воздействие может стать причиной электрического пробоя. В момент, когда заряды заполнят диэлектрик целиком, он полностью утратит свои изоляционные свойства, так как в этом случае сами заряды соединят собой два участка электрической цепи, создав электропроводящую среду, в которой ток сможет беспрепятственно двигаться. В этом случае возникает так называемый электрический пробой диэлектрика. Для большинства диэлектриков он не является фатальным событием, и после отключения внешнего напряжения, изоляционные свойства диэлектрика обычно восстанавливаются. Если же электрический пробой привёл к значительному повышению температуры, то может произойти тепловой пробой диэлектрика, который значительно изменяет химический состав вещества в кластере. Это может стать причиной частичной или полной утраты изоляционных свойств диэлектрика на том участке, где произошёл пробой.
Самая нижняя картинка (рис. 91. в) - полупроводник.
Активная зона таких химических элементов находится в непосредственной близости от оболочки и для наглядности изображена на схеме двумя окружностями, тем самым отмечая, что атомы полупроводниковых элементов даже при незначительном внешнем воздействии способны изменять свои свойства электропроводности на противоположные. Также нужно учитывать и то, что внутри полупроводника всегда имеется некоторое количество электрических зарядов, ведь обладая даже частично свойствами диэлектрика, полупроводник тоже умеет накапливать и сохранять заряды в зонах, имеющих высокое диэлектрическое сопротивление. Следовательно, проводимость разных участков полупроводника будет отличаться, порой, довольно значительно.
Здесь действуют следующий механизм:
Атомы, активная зона которых выступает за пределы оболочки, отталкивают от себя заряды, тем самым создавая зону электропроводности. Заряды к таким атомам не могут приблизиться достаточно близко, и "проскальзывают" в те области полупроводника, где атомы менее активны и располагаются на некотором удалении друг от друга. Там заряды могут задержаться, препятствуя движению других зарядов через эту область кластера. Таким образом, электрический ток при перемещении сквозь полупроводник будет встречать на своём пути, как зоны проводимости, так и зоны, оказывающие значительное сопротивление для движения.
Рост температуры или повышение давления в веществе полупроводника активизирует движение ядер "менее активных" атомов, вследствие чего их собственное электромагнитное поле возрастает настолько, что активная зона ядра оказывается вне оболочки, что в значительной степени улучшает электропроводность всего кластера. Именно по этой причине при нагревании полупроводника его сопротивление электрическому току уменьшается.
Теперь то же самое, но языком привычных образов:
Полупроводник чем-то похож на город с жилыми домами, магазинами и складами. Там есть широкие проспекты, по которым куда-то движутся автомобили, а также узкие улочки и дворы, где их перемещение затруднено. Ночью город спит, но с первыми лучами солнца движение возобновляется с прежней силой. В полупроводнике возникает аналогичный эффект - при нагреве его проводимость заметно улучшается, а при охлаждении наоборот, усиливаются изоляционные свойства. Полупроводник можно также сравнить с сыром, внутри которого есть внутренние полости. По этой аналогии кисломолочная среда, составляющая основную массу сыра, будет соответствовать проводнику, а пузырьки с воздухом - это диэлектрик. Соответственно, чем менее пористая структура у сыра, тем лучше он проводит электрический ток, а когда в нём больше воздушных полостей, вполне естественно, что его сопротивление току будет выше, так как все газы - диэлектрики. Последнее утверждение верно лишь отчасти, но об этом чуть позже.
В периодической таблице элементы-полупроводники располагаются следующим образом:
Рис. 92
Все эти элементы (рис. 92) являются полупроводниками, независимо от того, металлы они, полуметаллы или неметаллы. То есть, при определённых условиях они могут быть - проводниками для электрического тока, диэлектриками, либо обладать теми и другими свойствами одновременно. К примеру, в зависимости от строения атомов в кластере, углерод проявляет совершенно противоположные свойства электропроводности. Так алмаз - диэлектрик, а графит - уже полупроводник.
Может показаться, что олово в эту группу попало случайно, ведь все знают, что оловянным припоем соединяют радиокомпоненты, а значит - это априори хороший проводник для электрического тока. Тем не менее, белое олово - проводник, серое олово - полупроводник, а олово, кристаллическая решётка которого выстроена по подобию алмаза - отличный изолятор.
Известно, что атмосферный воздух более чем на 70% состоит из азота, а значит он, как и все другие простые газы - диэлектрик. Тем не менее, не будем исключать азот из этой группы элементов, поскольку полупроводниковые свойства у него проявляются при низком атмосферном давлении. Об этом чуть подробнее далее по тексту, а сейчас продолжим о "типичных" полупроводниках.
В настоящий момент наиболее часто применяемые в радиопромышленности полупроводники - германий и кремний. Образцы этих металлов особой химической чистоты изначально имеют довольно высокое удельное сопротивление электрическому току. При комнатной температуре они, скорее изоляторы для тока, нежели проводники, но их проводимость заметно улучшается при росте температуры или наличии примесей.
Для создания p-n-перехода требуется пара полупроводников с отличными друг от друга свойствами проводимости. Ни германий, ни кремний нельзя причислить к полупроводникам с каким-то конкретным типом проводимости, поскольку это свойство зависит от концентрации той или иной примеси. К примеру, незначительное количество атомов алюминия в структуре кристаллического кремния формирует множество областей с низким сопротивлением электрическому току - это будет полупроводник P-типа. Сера и фосфор наоборот, насыщают кристаллическую структуру кремния областями с высоким диэлектрическим сопротивлением, что является основой для создания полупроводника N-типа. Тип проводимости германия изменяют путём добавления в него атомов индия или мышьяка. Соответственно, классификация полупроводника по типу проводимости актуальна лишь для конкретного p-n-перехода. В тех случаях, когда для производства какого-либо компонента используется более двух полупроводников с разной степенью легирования, используются дополнительные обозначения, такие как N+, N-, P+, P-, отражающие более высокое или низкое диэлектрическое сопротивление определённой зоны по отношению к другим.
Практически все соединения, в которые входит хотя бы один элемент-полупроводник, также обладают полупроводниковыми свойствами.
В зависимости от элементного состава вещества и конкретных условий окружающей среды электрическая проводимость полупроводника может быть, как низкой, так и высокой. И если удельное сопротивление проводника или диэлектрика при росте/падении температуры меняется незначительно, то термическое, электрическое, световое или электромагнитное воздействие на полупроводниковые материалы способно в значительной степени влиять на их электропроводность.
Теперь, когда с химическими свойствами проводников, полупроводников и диэлектриков по большей части внесена ясность, можно перейти к конкретным радиоэлектронным компонентам.
Полупроводниковый диод
Начнём издалека, используя наиболее близкие аналогии, и постепенно выйдем на сам физический принцип действия диода. Итак:
Любой диод работает аналогично механическому клапану в гидравлике или пневматике. Для визуализации этого утверждения воспользуемся следующей механической моделью:
Рис. 93
Здесь мы видим типичный обратный клапан (рис. 93), пропускающий поток жидкости или газа только в одном направлении. Поскольку электрический ток тоже состоит из материальных объектов - зарядов, то их поведение в электрической цепи будет аналогично движению жидкости в гидравлической системе.
Чтобы принадлежность этих процессов одному природному Сценарию подчеркнуть более явно, отметим основные признаки сходства:
Для открытия механического клапана требуется определённое усилие, аналогом которому в гидравлике будет давление жидкости. Оно требуется для того, чтобы преодолеть жёсткость пружины, прижимающей иглу или шарик к седлу клапана. Как мы выяснили в предыдущих размышлениях, напряжение в электрической цепи действует аналогично давлению в механике. Соответственно, прежде чем начать проводить ток, любой диод тоже оказывает ему сопротивление, что выражается в падении напряжения на переходе из одного участка электрической цепи в другой. То есть, включив диод в разрыв цепи, мы отметим уменьшение напряжения на его выходе. В зависимости от материалов, используемых при изготовлении диода, падение напряжения на переходе может колебаться в пределах от 0.15 до 1 вольта. Гидравлическая система ведёт себя схожим образом: входящее давление будет отличаться от выходящего и впрямую зависеть от жёсткости пружины, прижимающей иглу либо шарик к седлу клапана. Чем жёстче пружина, тем большее давление требуется для открытия клапана. Это свойство используется в наиболее простых редукторах давления, где используется винт, регулирующий жёсткость пружины, в результате чего изменяется порог срабатывания клапана.
Следующим важным параметром диода считается ёмкость перехода, от которого в значительной степени зависит его быстродействие. В предыдущем размышлении речь шла о конденсаторе, а его ёмкость сравнивалась с упругостью пружины - чем выше этот параметр, тем большее усилие требуется для её сжатия, а значит, изменяется и время процесса, необходимое для перехода из одного состояния в другое. Чтобы заполнить конденсатор без его разрядки новой порцией зарядов, необходимо поднять "давление электричества", роль которого в электрических цепях выполняет Напряжение.
С диодом ситуация в точности повторяется - для преодоления существующей на переходе "упругости", которую создаёт N-тип полупроводника, необходимо определенное "давление" со стороны полупроводника P-типа, которое откроет p-n-переход. Но, как и в механических системах, существование в любом диоде "внутреннего конденсатора", является главной причиной снижения его быстродействия. То есть, чем выше ёмкость перехода, тем медлительнее будет диод, а значит, эффективность его "срабатывания" в высокочастотных цепях будет ниже.
Теперь о типичных неисправностях.
Все знают о "вечной болезни" любых механических клапанов, когда они пропускают некоторое количество жидкости или газа в обратную сторону. В таких случаях говорят, что клапан "травит" или "не держит давление" вследствие механического износа, загрязнения или низкого качества изготовления. Поскольку диод является полным аналогом механическому клапану, то эта "неприятность" и его не обошла стороной. Такого рода дефект называется "током утечки". Всё дело в "половинчатых свойствах" полупроводников, ведь даже препятствуя движению тока, они не являются в полной мере изоляторами. Можно сказать, что "утечка" в диоде - скорее "некоторое неудобство", нежели - "серьёзная проблема". Если этот параметр укладывается в допустимый диапазон значений, на работоспособность схемы он обычно не влияет.
Самая распространённая неисправность любого клапана - пропуск жидкости или газа в любом направлении. То есть, его "клинит" обычно в открытом состоянии. В таких случаях требуется его замена, так как он вообще перестаёт исполнять свою главную функцию. При пробое диод становится обычным проводником, пропускающим ток в обоих направлениях. Притом, обрыв в полупроводниковых приборах - явление довольно редкое. То есть, функционально диод и клапан похожи настолько, что даже неисправности у них общие.
Следующий вопрос:
Почему диод пропускает электрический ток только в одну сторону?
Пришло время обсудить работу p-n-перехода, который образуется при контактном соединении двух полупроводников с разной степенью электропроводимости.
p-n-переход
Для начала заглянем в учебник:
p-n-переход - область соприкосновения двух полупроводников с разными типами проводимости - дырочной (P-positive - положительная) и электронной (N-negative - отрицательная).
Если особо не придираться к терминологии, то формулировка в общих чертах верна, но ценность её сомнительна.
Реальность существования электрона - вопрос дискуссионный, а вот что такое "дырочная проводимость" - вопрос, для ответа на который требуется навсегда забыть про логику и здравый смысл. Впору вспомнить студенческую шутку, которая звучит примерно так:
Самая большая тайна Вселенной - Куда девается дырка от бублика, когда его ломают?
Назвать "дырку" - вакансией для электрона - полбеды, но признать её материальным объектом со всеми присущими атрибутами - это уже перебор. Поэтому далее будем руководствоваться принципом Оккама, который гласит:
Самое простое объяснение - обычно является и наиболее близким к реальности.
Действительно, при контактном соединении двух полупроводников с разным типом проводимости образуется так называемый p-n-переход, обладающий свойством оказывать высокое сопротивление движению тока в "обратном" направлении, и низкое в "прямом". Но это свойство возникает по вполне объективным причинам, поэтому не нужно придумывать новых богов, пока старые со своими обязанностями ещё вполне справляются...
Суть эффекта односторонней проводимости диода состоит в следующем:
Поскольку любой полупроводник частично обладает свойствами диэлектрика, то области диэлектрического сопротивления, обязательно существующие в нём, имеют собственное электромагнитное поле. Существуя в едином материальном объекте, вместе они составляют - общее электромагнитное поле полупроводника. Конечно, его напряжённость заметно слабее, чем у любого диэлектрика, ведь области диэлектрического сопротивления заполняют вещество частично, соседствуя с областями проводимости, поэтому и проявление такого "суммарного поля" при взаимодействии с другим полем той же природы обнаружить будет непросто. Просто потому, что полупроводник вообще склонен вести себя по-разному при вроде бы одинаковых обстоятельствах. Электрический ток, пропускаемый через полупроводник, может вызвать в нём, как рост проводимости, так и увеличение диэлектрических свойств.
Полупроводники капризны и непредсказуемы, но всё меняется, когда мы соединяем два близких по свойствам полупроводника в единый объект, где возникает так называемый p-n-переходом. То незначительное электромагнитное поле, которое имеется у каждого из них, объединяется, вследствие чего заметно усиливается. Более того - обретает строгую ориентацию в пространстве. Его Южный полюс, условно "плюсовой" теперь располагается со стороны менее плотного полупроводника N-типа, а Северный "минусовой" с противоположной стороны перехода. То есть там, где находится полупроводник P-типа, более плотный и лучше проводящий электрический ток. В момент воздействия на p-n-переход потоком электрических зарядов, его электромагнитное поле, в полном соответствии с принципом электромагнитной индукции, реализует магнитный потенциал, вектор направленности которого всегда располагается в одном направлении - с Севера на Юг, то есть, от полупроводника P-типа к полупроводнику N-типа.
Следующая картинка:
Рис. 94
Здесь мы видим (рис. 94) два полупроводника с различными типами проводимости N и P, в плоскости соединения которых располагается само электромагнитное поле p-n-перехода, изображённое в виде тороида красной пунктирной линией. Его полярность определяется направлением чёрной стрелки - это магнитный потенциал, обычно обозначаемый литерой Ф. Электрический потенциал этого поля, обозначенный литерой В, согласно правилу Трёх перпендикуляров, располагается перпендикулярно к оси магнитного потенциала Ф, то есть, по окружности. Направление его определяем правилом буравчика - по часовой стрелке по отношению к магнитному потенциалу.
Вследствие существования собственного электромагнитного поля у p-n-перехода, электрический ток через него может двигаться только в одном направлении - попутно его магнитному потенциалу, поскольку только в этом случае электрические заряды, условно положительные, не встретят сопротивления. В противном случае два положительных вектора встретятся, что вызовет противодействие друг другу.
Следует заметить также, что электрические заряды при прохождении p-n-перехода встретят сопротивление своему движению в любом направлении, даже в "прямом" - из более плотной среды полупроводника P-типа в менее плотную N-типа. Если магнитный потенциал, условно "попутный", не будет оказывать противодействия, то электрический потенциал - действующий по окружности, перпендикулярно движению электрических зарядов, окажет на него тормозящее действие, стремясь придать вращение прямолинейному потоку. Какая-то часть электрических зарядов будет вовлечена в этот "круговорот", и это станет причиной возникновения дополнительной силы, препятствующей перемещению основного потока. Говоря образным языком, бывшие "соратники", выйдя на "новую орбиту", станут противниками, стремящимися сбить всех остальных с "истинного пути".
Возникающий эффект также можно сравнить с выездом автомобиля из переулка на дорогу с очень плотным трафиком. Конечно, придётся дождаться образования "кармана" между машинами, в который нужно немедленно втиснуться, после чего уже можно перемещаться в общем потоке. Естественно, ни о каком встречном движении не может быть и речи - вы поедете туда, куда и все остальные.
Собственно, это наиболее простое объяснение эффекта односторонней проводимости электрического тока при его движении через p-n-переход с позиций "твёрдого атома".
Таким образом, эффект поляризации диэлектриков, многократно подтверждённый на практике, в равной степени проявляется и у полупроводников в составе p-n-перехода, с той лишь разницей, что электромагнитное поле диэлектрика до начала взаимодействия с электричеством не имеет чёткой ориентации в пространстве. То есть, вектор его магнитного потенциала разворачивается лишь при взаимодействии с электрическим током, а его направление указывает туда, где в данный момент находится наибольшее количество электрических зарядов. Проще говоря, диэлектрик ведёт себя как стрелка компаса, разница лишь в том, что он практически не взаимодействует с магнитным потоком, но зато чувствителен к электромагнитному полю и электричеству.
Полупроводник, наоборот, чувствителен ко всему, и к магнитному потоку в том числе. Всё потому, что в p-n-переходе магнитный и электрический потенциалы его собственного электромагнитного поля уже ориентированы в пространстве и не могут развернуться подобно флюгеру. Свойство "повышенной чувствительности" полупроводников к любым проявлениям электромагнетизма активно используется в различных сенсорах и датчиках, а эффект Холла - яркий тому пример.
Ранее мы обсуждали свойства проводников на уровне веществ в составе кластера, без привязки к какому-то конкретному компоненту. Теперь рассмотрим работу p-n-перехода на примере диода.
Рис. 95
Несмотря на простоту представленного выше рисунка, он довольно информативен и даёт представление о существовании некоторых важных условий, без которых диод вряд ли сможет работать.
Рассмотрим его внимательно:
Во-первых, со стороны Анода, обозначенного знаком "+" находится металл Индий. Это полупроводник P-типа (positive - положительный), который довольно хорошо проводит электрический ток, а значит, он пригоден к использованию в качестве Анода. Катодная часть формируется на основе Германия, который по отношению к Индию является полупроводником N-типа (negative - отрицательный). Его электропроводность довольно низкая, поэтому площадь контакта с металлическим выводом катода должна быть как можно больше.
Второе условие - площадь контакта двух полупроводников в области p-n-перехода. Со стороны Анода она должна быть несколько меньше, чем катодная.
Как уже было отмечено ранее, в "прямом" направлении электрическому току всё равно придётся преодолевать сопротивление p-n-перехода, даже несмотря на то, что такое подключение называется "прямым" и оно попутно магнитному потенциалу p-n-перехода. У электромагнитного поля существует и второй потенциал - электрический, расположенный перпендикулярно магнитному, то есть, по окружности. Представим аттракцион в парке развлечений, где посетителям предлагается пройти внутри широкой трубы. Проблемы никакой нет до тех пор, пока она не начнёт вращаться относительно своей центральной оси. Чтобы успешно продвигаться вперёд, нужно идти немного вбок против направления вращения, иначе "твёрдая опора" будет уходить из под ног, стремясь оказаться над головой. Нечто похожее происходит и с электрическими зарядами, ведь их перемещение прямолинейно, а электромагнитное поле перехода стремится их вовлечь в движение по окружности.
Для противодействия сопротивлению p-n-перехода было найдено решение - сужение площади анода по отношению к катоду в плоскости соединения двух полупроводников. Здесь действует сугубо механическое правило - чем меньше радиус, тем ниже линейная скорость вращения при неизменной угловой. Но мы не можем бесконечно уменьшать поперечное сечение полупроводника анода, так как через него должен протекать электрический ток. К счастью, даже совсем небольшая разница диаметров позволяет проявиться правилу Бернулли, известному нам по гидравлике, которое гласит:
Чем тоньше трубка, тем выше скорость движения жидкости, а значит, и её давление.
Как раз этот сценарий и позволяет успешно преодолевать переход из среды с высокой плотности в низкую, ведь Напряжение является полным физическим аналогом давлению. Если полупроводник Анода в плоскости соприкосновения с полупроводником Катода будет иметь меньший диаметр, то повышенного "давления зарядов", возникающего согласно правилу Бернулли, будет вполне достаточно для преодоления сопротивления p-n-перехода в "прямом" направлении.
Следующая картинка наглядно иллюстрирует изложенные выше доводы:
Рис. 96
Каких-то особых пояснений здесь не требуется (рис. 96). Электромагнитное поле p-n-перехода на рисунке не изображено, но его присутствие подразумевается. Теперь плюс подключаем со стороны катода:
Рис. 97
Естественно, что "обратное" подключение для электрического тока непреодолимо, ведь в этом случае количество "неблагоприятных факторов", таких как - наличие встречного магнитного потенциала p-n-перехода и "поперечного" электрического потенциала - будет уже критически высоким. В качестве дополнительного аргумента добавим сюда и высокую площадь сечения катода в сравнении с анодом.
Переходим к следующему участнику радиоэлектронных схем:
Биполярный транзистор
Вначале заглянем в учебник:
Биполярный транзистор - полупроводниковый прибор, в своей структуре имеющий два p-n-перехода.
Этой информации для дальнейших рассуждений достаточно.
Следующий блок картинок:
а)
б)
Рис. 98
Здесь представлены два типа биполярных транзисторов, являющихся основными участниками любой электронной схемы. Сверху транзистор структуры p-n-p, снизу n-p-n.
На верхней картинке (рис. 98. а) физическая модель транзистора структуры p-n-p, справа от него схематическое изображение на схеме, ещё правее - эквивалентная схема, позволяющая инструментально определить расположение выводов реального транзистора в том случае, если под рукой нет подходящего справочника.
Картинка ниже (рис. 98. б) показывает устройство и обозначение транзистора с противоположной структурой строения.
Обратим внимание на то, что эмиттер обоих транзисторов на эквивалентной схеме обозначен как стабилитрон. Дело в том, что степень легирования полупроводника эмиттера обычно довольно высока по отношению к коллекторной части транзистора, а значит, и напряжение "обратного пробоя" перехода база-эмиттер сравнительно небольшое - порядка 8-15 вольт. Такое технологическое решение обеспечивает прохождение достаточно большого тока через узкое поперечное сечение полупроводника без значительного его разогрева. Коллектор любого транзистора всегда массивнее эмиттера, и часто соединяется с металлическим корпусом для лучшего охлаждения, так как через него протекает основной ток. Базовый слой по отношению к коллекторной и эмиттерной части наиболее тонкий, а его толщина самым непосредственным образом отвечает за параметры, которые должен обеспечивать конкретный транзистор.
Принцип работы биполярного транзистора, независимо от его структуры, состоит в управлении электропроводностью зоны с наиболее высоким диэлектрическим сопротивлением. Её расположение в транзисторе будет зависеть от типа полупроводника, из которого формируется базовый слой транзистора. Несмотря на то, что физические правила для всех типов биполярных транзисторов общие, работу каждого из них рассмотрим чуть подробнее.
p-n-p транзистор
Начнём с транзистора p-n-p структуры:
Рис. 99
В транзисторе p-n-p структуры полупроводник N-типа располагается посредине, и эта область является "недружественной" для движения электрического тока. Сопротивление её несколько выше, чем коллекторной и эмиттерной части транзистора, так как в этом типе полупроводника изначально преобладают области диэлектрического сопротивления.
Рис. 100
В момент подключения источника питания G, электрические заряды без труда преодолеют эмиттерную часть транзистора и "застрянут" в области базы B, так как высокий потенциал относительно коллекторного вывода вызовет резкий рост диэлектрического сопротивления полупроводника N-типа вследствие его поляризации. С этого момента базовый слой станет изолятором для электрического тока, и транзистор закроется. Изменение электрической проводимости в области базы возможно лишь при движении тока на "минус" через резистор R2 по направлению красной стрелки.
Теперь чуть подробнее о происходящих внутри такого транзистора процессах.
Для простоты визуализации (рис. 100) электрические заряды обозначим знаком +, ведь они поступают в электрическую цепь как раз с плюсового вывода источника питания.
В транзисторе p-n-p структуры переход Эмиттер-База организован по подобию диода - площадь контакта эмиттера с базовым слоем достаточно узкая, соответственно, электрический ток преодолевает p-n-переход без особых проблем, так как напряжение источника питания G однозначно больше 0.6 вольт, необходимого для "прямого пробоя" p-n-перехода. Убедиться в том, что на базе присутствуют электрические заряды, довольно просто - нужно замерить вольтметром напряжение между базой и "минусом".
Коллекторная часть транзистора наиболее массивна и состоит из полупроводника P-типа, проводимость которого довольно хорошая. Но ток к коллектору не поступает, так как база - полупроводник N-типа, в котором преобладают зоны диэлектрического сопротивления, а они в данный момент сильно поляризованы вследствие большой разницы потенциалов между базой и коллектором. До тех пор, пока на базе присутствует высокий потенциал относительно "минуса" питания, переход не откроется. Транзистор заперт, лампочка HL не горит.
Для того чтобы снизить диэлектрическое сопротивление базового слоя, необходимо устранить причину его поляризации - разность потенциалов между выводами базы и коллектора - сейчас она близка к напряжению источника питания G. Теперь заставим лампочку загореться:
Рис. 101
Для этого требуется уменьшить сопротивление резистора R2, что вызовет движение тока Ib, следствием которого станет падение напряжения на базовом выводе относительно "минуса" схемы.
Как только напряжение на базовом выводе упадёт ниже уровня, при котором возможен электрический пробой диэлектрических зон в области базы на дистанции Эмиттер-Коллектор, транзистор откроется и лампочка загорится. Дальнейшее изменение проводимости канала Эмиттер-Коллектор в сторону уменьшения или увеличения тока производится изменением сопротивления резистора R2, включенного между базой и "минусом" питания.
Особо акцентируем внимание на том, что для начального открытия перехода необходимо снизить напряжение на базе, ведь именно оно влияет на величину поляризации зон диэлектрического сопротивления полупроводника, а базовый ток Ib - это уже следующий инструмент, позволяющий регулировать значения тока, проходящего на дистанции Эмиттер-Коллектор.
При выборе номинала резистора R2 следует также учитывать, что переход Эмиттер-База представляет собой "прямой диод" и поэтому ток через него протекает довольно хорошо. Это значит, что для заметного снижения напряжения на базе относительно "минуса" потребуется довольно низкое сопротивление резистора, а значит, ток через него потечёт вполне приличный. В противном случае, напряжение на базе нам снизить не удастся и транзистор не откроется.
Для запирания транзистора действуем по обратному сценарию - увеличиваем сопротивление резистора R2, напряжение на базе возрастает - движение тока на дистанции Эмиттер-Коллектор прекращается. Лампочка HL потухнет.
Существует и механический аналог такого транзистора, который можно взять в руки, разобрать, посмотреть из каких элементов он состоит. Более того, это "устройство" довольно часто можно обнаружить даже у себя в квартире. Для начала чертёж:
Рис. 102
Может показаться, что здесь изображён какой-то пистолет или автомат с коротким стволом, но это обычный гидрозапорный клапан сливного бачка унитаза, и работает он точно так же, как транзистор p-n-p структуры. Чтобы принцип его действия был более понятен, предлагается упрощённая механическая схема такого устройства:
Рис. 103
Здесь мы видим гидравлический механизм, состоящий из корпуса, трёх отверстий для воды, а также двух клапанов - управляющего и главного. Чёрная стрелка указывает направление движения воды внутри устройства, красная стрелка - закрытие клапана, синяя пунктирная - открытие.
Работает такая конструкция следующим образом:
Вода, поступающая из водопровода, попадает в основную камеру и через технологическое отверстие к управляющему клапану, а также во вторую камеру, где находится главный клапан. На картинке (рис. 103) он представляет собой поршень, подпираемый снизу пружиной. В реальном гидрозапорном клапане вместо поршня обычно применяется резиновая мембрана с твёрдым конусом по центру.
Когда управляющий (маленький) клапан закрыт, вода поступает во вторую камеру и давит на главный клапан, перекрывая выход воды. При отсутствии воды в бачке поплавок ослабляет давление на управляющий клапан, и он открывается, выпуская воду тонкой струйкой. Вследствие этого давление во второй камере падает, и главный клапан открывает отверстие для движения основного потока воды, наполняющего сливной бачок. Как только вода в нём достигает необходимого уровня, поплавковый механизм закроет управляющий клапан, давление во второй камере поднимется и главный клапан перекроет подачу воды.
Соответственно, управляющий клапан будет базой В транзистора, подключение к водопроводу - эмиттером Е, а слив - коллектором С.
Теперь, когда у нас имеется "механический аналог" транзистора p-n-p структуры, попробуем ответить на вопрос:
Может ли такой транзистор работать, если мы случайно перепутаем коллектор с эмиттером?
Гидрозапорный клапан сливного бачка унитаза работать не будет точно. Отверстие, через которое наполняется сливной бачок, изначально находится в закрытом состоянии, и потребуется критически высокое давление в системе, чтобы вода смогла течь в обратном направлении. То есть, такой клапан "открыть" с обратной стороны можно только просверлив в нём дыру, иных вариантов нет.
Транзистор при смене выводов коллектора и эмиттера работать тоже откажется, поскольку "архитектура взаимодействия" в нём поменяется так же как и в гидрозапорном клапане. Коллектор по отношению к эмиттеру имеет довольно большее сечение в зоне контакта с базовым слоем (рис. 98. а), а значит, для снижения напряжении на базе потребуется слишком большой ток. Другими словами, базовый слой в транзисторе расплавится раньше, чем откроется переход Коллектор-Эмиттер. В этом случае транзистор непременно откроется, то закрыться уже не сможет никогда.
n-p-n транзистор
Далее о работе транзистора n-p-n структуры:
Рис. 104
Внешне изменения незначительные, но эмиттер с коллектором поменялись местами, а также изменился тип их проводимости. Теперь базовая область обладает хорошими свойствами электропроводимости, эмиттер несколько хуже, так как это полупроводник N-типа, а коллектор имеет наихудшую проводимость по отношению к базе и эмиттеру. Именно здесь возникнет зона высокого сопротивления, которой мы будем управлять.
Как и в случае с транзистором p-n-p структуры, при подключении к источнику питания вначале произойдёт насыщение транзистора электрическими зарядами, но теперь роль "изолятора с переменными свойствами" будет играть не база, а коллектор.
Картинка такая:
Рис. 105
В этом типе транзистора p-n-переход Коллектор-База развёрнут в "обратном" направлении, в то время как переход База-Эмиттер можно назвать "прямым подключением". К тому же, базовый слой состоит из полупроводника P-типа, который изначально не склонен к аккумулированию зарядов, а значит, они будут стремиться его покинуть через резистор R2, либо через область эмиттера на "минус" питания. Эмиттер состоит из полупроводника N-типа, но на нём нет разницы потенциалов, а значит, его сопротивление выше, чем у полупроводника базы P-типа, но движению зарядов он не препятствует.
Таким образом, в транзисторе n-p-n структуры возникает ситуация, при которой значительная разница потенциалов возникает между коллектором, на котором "плюс" питания, и базой, на которой "минус". Поскольку коллектор состоит из полупроводника N-типа, то напряжение источника питания сразу же после подключения приведёт к его поляризации относительно базового слоя, в результате чего эта область станет изолятором для тока.
Следующая картинка:
Рис. 106
Для того чтобы полупроводник N-типа обрёл проводимость, необходимо избавиться от поляризации, которая возникла в результате разности потенциалов между базой и коллектором. Это возможно лишь в случае, если на базе возникнет некоторое положительное напряжение, что устранит причину возникновения поляризации и создаст условия для электрического пробоя зон диэлектрического сопротивления полупроводника в коллекторной части транзистора.
Уменьшаем сопротивление резистора R1, в результате чего напряжение на базе возрастает, и транзистор откроется:
Рис. 107
Как и в случае с p-n-p транзистором, базовый ток будет довольно большим, поскольку p-n-переход База-Эмиттер включен в прямом направлении, а значит, электрические заряды при "давлении" выше 0,6 вольт будут проходить через него без труда. Увеличением количества зарядов, проходящих с "плюса" источника питания на базу, мы сможем управлять величиной проводимости основного канала Коллектор-Эмиттер, преодолевая низкое сопротивление перехода База-Эмиттер.
То есть, главным параметром, влияющим на проводимость транзистора, по-прежнему остаётся величина управляющего напряжение на базе относительно "минуса" питания, но чтобы это произошло, потребуется через резистор R1 пропустить довольно большой базовый ток Ib.
Для того чтобы закрыть транзистор n-p-n, достаточно увеличением сопротивления резистора R1 уменьшить значение Ib - снижение напряжения на базе увеличит диэлектрическое сопротивление в области коллектора и лампочка погаснет.
Близким механическим аналогом транзистору n-p-n структуры можно считать гидроструйный насос, который также называют эжекционным. Внутри него находится сопло, которое подключается к компрессору, подающему жидкость под давлением. Высоконапорный поток, попадая в смесительную камеру, увлекает за собой жидкость, поступающую через входной патрубок, и выталкивает её через выходное отверстие.
Рис. 108
Насосы такого типа незаменимы, когда нужно откачивать жидкость неоднородного состава. К примеру, содержащую смолы, химически активные вещества, песок и различный мусор. Насосы традиционной конструкции с такой работой справляются плохо и быстро приходят в негодность.
Переходим к следующей теме:
Полевой транзистор
Учебник предлагает такое определение:
Полевой транзистор - полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на управлении электрическим сопротивлением токопроводящего канала поперечным электрическим полем, создаваемым приложенным к затвору напряжением.
Формулировка вполне адекватна реалиям, поскольку изменение напряжения на затворе действительно влияет на величину электропроводности канала, располагающегося между стоком и истоком транзистора. Единственное уточнение - в полевом транзисторе работает электромагнитное поле, а не электрическое. В остальном всё верно.
В полевом транзисторе, как и в биполярном, напряжение играет ключевую роль в управлении каналом проводимости, но сопротивление между затвором и другими выводами транзистора на любом из режимов полевого транзистора всегда очень высокое, поэтому ток в управлении не участвует. Пожалуй, это главное его отличие от биполярного транзистора.
Разновидностей полевых транзисторов в разы больше, чем биполярных, но их функциональность подчиняется общим для всех правилам, поэтому для обзора базовых принципов работы такого рода приборов выберем лишь два их типа, используемых наиболее часто.
JFET
Первым рассмотрим полевой транзистор с p-n-переходом. В международной практике он имеет название - JFET.
Следует сразу отметить, что наличие p-n-переходов в полевом транзисторе ничуть не сближает его с "биполярными собратьями". Главная функция p-n-перехода в транзисторе этого типа состоит в создании зон высокого диэлектрического сопротивления канала Сток-Исток в момент подачи на затвор "обратного" напряжения. То есть, внутри JFET транзистора с помощью мультиметра мы легко обнаружим минимум два диода - Затвор-Сток и Затвор-Исток, но их подключение такое, что они никогда не работают в "прямом направлении".
Смотрим картинку:
Рис. 109
Здесь мы видим две разновидности JFET транзистора - справа n-канальный, так как канал Сток-Исток у него сформирован полупроводником N-типа, слева - p-канальный. На принципиальной схеме их различают по направлению стрелки, которая также указывает на полярность управляющего напряжения - оно должно быть "встречным", и соответствовать "обратному" подключению диода. То есть, в первом случае относительно истока на затвор нужно подавать "минус", во втором - "плюс". Снизу изображены эквивалентные схемы, по которым можно определить назначение выводов транзисторов, если под рукой вдруг не оказалось справочника. Конечно, никаких диодов внутри транзистора нет, но мультиметр определит наличие двух p-n-переходов - Затвор-Сток и Затвор-Исток.
Изображённый между выводами резистор указывает на то, что нормальное состояние любого JFET транзистора открытое. То есть, резистора внутри полевого транзистора тоже нет, а между Истоком и Стоком существует некоторое сопротивление. Оно совсем небольшое, и поэтому ток через канал протекает без особых трудностей в любом направлении. Для того чтобы сопротивление канала Исток-Сток возросло, на затвор транзистора необходимо подать напряжение определённой полярности.
Попробуем объяснить принцип действия JFET транзистора с каналом N-типа настолько просто, насколько это вообще возможно. Первым делом максимально упростим его "внешний вид", к примеру, таким образом:
Рис. 110
Учитывая, что затворы транзистора этого типа всё равно соединяются вместе, вряд ли принцип работы сильно изменится, если мы оставим лишь один из них.
Итак, на картинке (рис. 110) самый обычный p-n-переход, почти такой же, как у любого диода. Отличие лишь в том, его "анод" теперь называется затвором, а к "катоду" вместо одной пластины подключены две, расположенные на противоположных торцах. Можно также предположить, что и принцип работы такого устройства не намного сложнее, чем это происходит в диоде.
Теперь смотрим, как всё это будет работать в электрической схеме:
Рис. 111
Источник питания G1 мы подключим через лампочку к выводам стока и истока, а между затвором и "минусом" у нас две клеммы, обозначенные как G2.
Если оставить затвор не подключенным, то при подаче питания лампочка загорится, так как ток протекает сквозь полупроводник и p-n-переход в этом процессе никак не участвует. Его электромагнитное поле пребывает в потенциальном состоянии, то есть, при отсутствии внешних "раздражителей" его потенциалы - магнитный и электрический остаются нереализованными, а значит, поле никак себя не проявляет.
Теперь замкнём контакты G2 кнопкой. Лампочка продолжает гореть, ничего не поменялось. Можно сказать, что результат ожидаем, так как p-n-переход включен в "обратном" направлении по отношению к каналу и его высокое сопротивление току ничуть не меняет ситуацию, так как для движения электрических зарядов имеется "альтернативный путь" - полупроводник N-типа, расположенный между выводами стока и истока. Естественно, ток через затвор не течёт. Просто потому, что оба вывода источника питания G1 для него равноценны, а значит, и нет разности потенциалов, на которую он мог бы как-то отреагировать.
Для того чтобы лампочка погасла, необходимо на затвор подать "минус" с какого-то другого источника питания, поскольку ранее мы уже замыкали затвор с истоком, и знаем, что "минус" G1 на величину тока в канале никакого влияния не оказывает.
В тот момент, когда p-n-переход окажется под действием "обратного" подключения, и на его противоположных выводах возникнет разность потенциалов, его электромагнитное поле активируется путём реализации магнитного потенциала. В области перехода Затвор-Сток резко повысится сопротивление полупроводника вследствие его поляризации:
Рис. 112
В качестве "альтернативного" источника питания к контактам G2 подключим обычную пальчиковую батарейку с напряжением 1,5 вольт. Важно соблюсти правильную полярность - "минус" к затвору, "плюс" к истоку. Лампочка погасла, что свидетельствует об увеличении сопротивления канала Сток-Исток.
Следует обратить внимание, что в запертом состоянии канала мы имеем две зоны высокого диэлектрического сопротивления - со стороны стока она шире, на истоке более узкая. Дело в том, что между затвором и истоком сейчас напряжение 1,5 вольт, причём, на истоке "плюс". Для пущей уверенности можно взять вольтметр и убедиться в этом. Очевидно, что между затвором и стоком разница потенциалов значительно выше, ведь в цепи Затвор-Сток у нас сейчас два источника питания G1+G2, включенные последовательно, а значит, напряжение на них суммируется. Именно поэтому максимальное сопротивление в канале сосредоточено в области стока.
Теперь можно отключать батарейку.
Но лампочка не загорится, пока мы не "разрядим" затвор. Дело в том, что поляризованный полупроводник имеет настолько высокое диэлектрическое сопротивление, что до момента, пока на его противоположных выводах сохраняется разница потенциалов, он ведёт себя как конденсатор. То есть, даже после отключения источника питания G2 напряжение на затворе останется, а значит, и электромагнитное поле p-n-перехода не перейдёт в потенциальное состояние, пока конденсатор заряжен. Правда, ёмкость у него совсем небольшая, поэтому для разряда достаточно коснуться затвора щупами вольтметра или просто пальцем. В этот момент поляризация в канале Сток-Исток ослабнет, и лампочка снова загорится.
Схема подключения p-канального JFET транзистора будет точно такой же, но с противоположной полярностью управления затвором, так как для активизации электромагнитного поля p-n-перехода и возникновения вокруг него области высокого диэлектрического сопротивления важна только разность потенциалов на противоположных обкладках "конденсатора", а с какой стороны будет "плюс" и "минус" - особой роли не играет.
При этом следует отметить, что организовать высокое сопротивление в канале Сток-Исток, состоящем из полупроводника P-типа намного сложнее технологически, нежели из полупроводника N-типа, который для этой роли подходит куда как лучше. Тем не менее, промышленность выпускает и p-канальные JFET транзисторы, но цена их заметно выше n-канальных.
В качестве полезного вывода:
Управление транзистором JFET производится всегда в обратном направлении к стрелке, обозначающей затвор.
То есть, если она указывает внутрь транзистора, для запирания канала мы подаём "минус" на затвор и "плюс" на исток. Если стрелка наружу, то на затвор подаётся "плюс".
MOSFET
На очереди полевой транзистор с изолированным затвором, международное название которого - MOSFET.
Формулировку из учебника приводить нет никакой нужды, так как полезной информации она не содержит.
Принцип работы транзистора с изолированным затвором основан на изменении сопротивления канала Сток-Исток посредством воздействия на него электромагнитным полем диэлектрика, расположенного в области затвора. Чуть сложнее это будет выглядеть следующим образом:
В транзисторах с изолированным затвором формируются два источника электромагнитного поля, которые управляют сопротивлением канала Сток-Исток путём их взаимного перемещения в плоскости, перпендикулярной к основному каналу проводимости. Расшифровка будет дана чуть позже, а сейчас посмотрим на механические модели, дающие наглядное представление о работе MOSFET транзисторов:
а)
б)
в)
Рис. 113
На верхней картинке (рис. 113. а) механическая модель нормально закрытого MOSFET транзистора с индуцированным каналом. При отсутствии управляющего напряжения на затворе канал Сток-Исток закрыт, и ток по нему не течёт. Действующий в направлении синей стрелки потенциал (рис. 113. б) вызовет поперечное смещение зоны проводимости в канале управления, что откроет канал Сток-Исток для движения тока. Как и в случае с JFET транзистором, открытое либо запертое состояние в MOSFET транзисторе может сохраняться довольно долго. Во всяком случае, до того момента, пока на затворе не изменится потенциал относительно подложки. Всё дело в высоком сопротивлении диэлектрика, находящемся в области затвора, который представляет собой конденсатор, сохраняющий заряженное состояние сколь угодно долго.
Полярность управляющего напряжения в MOSFET транзисторе зависит от типа проводимости канала, он может быть N-типа или P-типа.
Самая нижняя картинка (рис. 113. в) иллюстрирует состояние транзистора, при котором он открыт лишь наполовину. Такая механическая модель наиболее подходит под описание работы MOSFET транзистора со встроенным каналом, нормальное состояние которого можно характеризовать как "приоткрытое" либо "не полностью закрытое". То есть, напряжение одной полярности на затворе относительно подложки откроет его ещё больше, а противоположной - закроет.
Теперь о принципе, реализованном в транзисторах этого типа.
Как уже неоднократно сообщалось ранее, диэлектрики и полупроводники по своему внутреннему строению являются родственными средами, поскольку в отличие от проводников они обладают собственным электромагнитным полем, вследствие обязательного наличия в веществе диэлектрика электрических зарядов - источников электромагнитного поля. В отличие от диэлектрика, поле полупроводника довольно слабое, но в момент соединения двух полупроводников с разным типом проводимости возникает p-n-переход, в результате чего электромагнитное поле всех находящихся в диэлектрике электрических зарядов упорядочивается по направлению, а значит, усиливается многократно.
Здесь следует ещё раз напомнить, что электромагнитное поле p-n-перехода даже в момент своего возникновения уже имеет чёткую ориентацию в пространстве, в отличие от диэлектриков, поляризация у которых возникает лишь при взаимодействии с электрическими зарядами. P-n переход можно сравнить с обычным магнитом, полюса которого существуют изначально, в отличие от любого полупроводника, заряды внутри которого ещё необходимо развернуть в том или ином направлении. Нечто подобное происходит с атомами железа, которые легко меняют свою поляризацию словно флюгер, поэтому железо всегда притягивается к любому полюсу магнита - северному или южному. Всё потому, что кристаллическая решётка, удерживающая атом железа в составе кластера, не запрещает ему вращаться в любом направлении. Но, вернёмся к основной теме...
Следствием однотипного строения полупроводника и диэлектрика является эффект "диффузии поля", механизм возникновения которого показан на следующих картинках:
Рис. 114
Здесь изображён обычный конденсатор, между металлическими пластинами которого находится диэлектрик. При подаче какого-либо потенциала на внешние контакты его электромагнитное поле обретает чёткий вектор направленности и смещается в область "низкого потенциала", то есть, к условному "минусу". Выйти за пределы "тела" конденсатора электромагнитное поле не способно, так как любой проводник для него - изолятор. Но всё меняется, когда соединяются две "родственные среды" - диэлектрик и полупроводник:
Рис. 115
Очевидно, что при контактном соединении диэлектрика (линии жёлтого цвета) и полупроводника (зелёный цвет) картина не изменится, поскольку суммарное электромагнитное поле такого "бутерброда" продолжит подчиняться прежним правилам - под действием приложенного потенциала будет смещаться к "минусу", сильнее или слабее прижимаясь к металлическим пластинам, за пределы которых выйти не может ни при каких обстоятельствах. То же касается и других "общих свойств" - диэлектрического сопротивления и поляризации.
До тех пор, пока электромагнитное поле диэлектрика не выходит за его пределы, это можно назвать обычным смещением, но особый случай (рис. 115 - средний), при котором электромагнитное поле физически покидает диэлектрик, целиком оказываясь в "теле" полупроводника - это уже полноценная диффузия, то есть - проникновение в родственную для него среду. Благодаря эффекту "диффузии электромагнитного поля" возникает возможность управления поперечным каналом проводимости в полупроводнике.
Теперь чуть усложним конструкцию, добавив третий полупроводник:
Рис. 116
На картинке (рис. 116) диэлектрик, как и прежде изображённый жёлтой линией, но сейчас обозначенный литерой С (от английского - capacitor), имеет непосредственный контакт с p-n-переходом, состоящим из двух полупроводников с разной проводимостью.
Обратим особое внимание на то, что теперь у нас в одном "теле" такого "сложносочинённого конденсатора" уже два поля одной природы - электромагнитное поле диэлектрика и электромагнитное поле p-n-перехода. Поскольку их источники разные, а направления встречные, то объединиться в общее поле они не могут, поэтому обречены "конкурировать" за общее пространство.
Варианты взаимодействия двух конкурирующих полей следующие:
Первый (рис. 116 левый), при котором на выводах "конденсатора" напряжение отсутствует, либо потенциалы совпадают. В этом случае электромагнитное поле диэлектрика целиком находится в его "теле" и не имеет заметной поляризации, поскольку нет разности потенциалов на металлических обкладках. Собственное электромагнитное поле p-n-перехода жёстко привязано к границе соединения двух полупроводников, а так как разницы потенциалов нет, то куда-либо смещаться у него тоже нет никакой необходимости.
Следующие за ним картинки (рис. 116 средний и правый) показывают подключение напряжения к системе "диэлектрик - p-n-переход" и возможную конфигурацию расположения электромагнитных полей внутри такого "бутерброда".
Как уже отмечено ранее, электромагнитное поле внутри системы "диэлектрик-полупроводник" может перемещаться без каких-либо физических ограничений, а в некоторых случаях даже покидать "собственную" диэлектрическую среду - диффундировать, как на предыдущей картинке (рис. 115 средний), поскольку это "комплексное поле", образуемое суммой всех областей диэлектрического сопротивления вещества в системе "диэлектрик-полупроводник".
Так как собственное электромагнитное поле p-n-перехода изначально возникает на границе соединения двух полупроводников, оно может в значительной степени изменять свою форму, при этом оставаясь прочно привязанным к плоскости контакта полупроводников, и покинуть её не может, поскольку формируется самим фактом существования p-n-перехода, являющегося его источником. В диэлектрике источником электромагнитного поля служат все без исключения зоны диэлектрического сопротивления, формируемые свободными зарядами, а их поляризация в том или ином направлении задана полярностью подключения источника питания. Этим и объясняется столь широкая "степень подвижности" электромагнитного поля внутри диэлектрика.
Переходим к практике. За основу возьмём n-канальный MOSFET, как наиболее простой по конструкции:
Рис. 117
На картинке всё тот же "бутерброд" из диэлектрика (жёлтого цвета) и p-n-перехода (зелёный и синий), но теперь имеются дополнительные выводы Сток/Исток, которые подключены к каналу проводимости. В данной конфигурации он будет N-типа. Канал управления Затвор-Подложка по отношению к каналу Сток-Исток располагается перпендикулярно. До того момента, пока ко всей этой конструкции не подключено напряжение, собственные электромагнитные поля диэлектрика и p-n-перехода симметричны, поскольку пребывают в изначальном - потенциальном состоянии.
Подключим эту конструкцию к схеме:
Рис. 118
При подаче напряжения питания G1 на сток пространственная конфигурация электромагнитных полей p-n-перехода и диэлектрика изменится. Магнитный вектор p-n-перехода теперь указывает на сток, где вследствие поляризации полупроводника N-типа образуется зона высокого сопротивления. Обратим внимание, что электромагнитное поле диэлектрика тоже изменило ориентацию в пространстве вследствие "конкуренции" со стороны электромагнитного поля p-n-перехода. Наличие положительного потенциала на стоке никак не влияет на сопротивления диэлектрика, поскольку к контактам G2 пока ничего не подключено.
Можно сразу сказать, что при соединении затвора с истоком лампочка HL не загорится, хотя конфигурация электромагнитного поля в диэлектрике немного изменит форму, вследствие чего сопротивление в области стока станет ещё выше, но на общую ситуацию это не повлияет, так как сопротивление канала Исток-Сток и так довольно высокое.
Для того чтобы лампочка зажглась на затвор нужно подать положительный потенциал. Причём, использовать можно как, уже существующий источник питания G1, так и любой другой. Дабы не усложнять схему излишними построениями, воспользуемся обычной пальчиковой батарейкой и подключим её к контактам G2:
Рис. 119
Под действием положительного потенциала на затворе электромагнитное поле диэлектрика выдавливается в область полупроводника N-типа. В результате "полевой конкуренции" электромагнитное поле p-n-перехода смещается в направлении подложки, что ослабляет поляризацию полупроводника в области стока, тем самым открывая канал проводимости.
Лампочка HL горит.
Отметим также, что электромагнитное поле диэлектрика, частично проникнув в полупроводник N-типа никак не влияет на движение тока в канале Сток-Исток, так как пространство вокруг него не поляризовано вследствие отсутствия разности потенциалов на дистанции Затвор-Сток/Исток. В данном случае поляризация и как следствие, область высокого диэлектрического сопротивления в области Стока может возникнуть только со стороны p-n-перехода, так как его подложка соединяется с минусом источника питания G1. Снижение напряжения на затворе приведёт к обратному смещению электромагнитного поля диэлектрика и как следствие - к перемещению электромагнитного поля p-n-перехода обратно в область канала Сток-Исток, что закроет канал проводимости вследствие поляризации области стока.
Лампочка погаснет.
Как и в случае с JFET транзистором, простое отключение от затвора управляющего напряжения не приведёт к изменению текущего состояния транзистора вследствие высокой собственной ёмкости диэлектрика. Для закрытия канала проводимости необходимо разрядить область диэлектрического сопротивления затвора от оставшихся в диэлектрике электрических зарядов. Установка дополнительного резистора между затвором и истоком вполне справится с такой задачей.
Принцип работы p-канального MOSFET транзистора будет тем же, но полярность управляющего напряжения на затворе изменится. Стрелка на схематическом изображении транзистора, обозначающая подложку, тоже поменяет своё направление. В силу более сложного внутреннего устройства с наличием дополнительных литографических слоёв различной степени проводимости p-канальные MOSFET транзисторы несколько дороже своих n-канальных аналогов, но незначительно.
Теперь вспомним, что в прошлом веке в радиоэлектронных устройствах активно применялись радиолампы. Они исполняли функцию диодов и транзисторов в радиоприёмниках, телевизорах, блоках питания, различных усилителях и даже в компьютерах. Может показаться, что такого рода информация для 21-го века совсем неактуальна, тем не менее, без упоминания радиоламп размышление об электрических свойствах полупроводников будет неполным.
К тому же, объяснение эффекта электронной эмиссии современной наукой целиком строится на движении электронов сквозь вакуум, что с позиций концепции "твёрдого атома" выглядит несколько неловко, ведь в её терминологической среде такие понятия как Вакуум и Электрон попросту отсутствуют. Именно по этой причине далее попытаемся разобраться с работой электровакуумных приборов, но с несколько иных позиций, нежели это описано в учебниках по электронике.
Радиолампа
Учебник нам сообщает следующее:
Электронная лампа, радиолампа - электровакуумный прибор, работающий за счёт управления интенсивностью потока электронов, движущихся в вакууме или разряжённом газе между электродами.
Можно сказать, что в существующем виде формулировка полезной информации не содержит.
Во-первых:
Включенный в электрическую цепь амперметр, однозначно показывает движение тока строго в направлении от плюса источника питания к минусу. Тем не менее, в учебнике ясно написано, что электроны в радиолампе движутся от Катода к Аноду, то есть, от минуса к плюсу. Другими словами, электрический ток состоит из чего угодно, но точно не из электронов. К тому же, несмотря на существование множества картинок и схем, иллюстрирующих поведение электрона в различных "житейских ситуациях", до сих пор не существует прибора, способного обнаружить электрон в электрической цепи и показать направление его движения. В то же время, приборов для обнаружения электрических зарядов существует немало. Электроскоп регистрирует малоподвижные заряды, называемые статическими. Вольтметр определяет разность давлений электрических зарядов на некоторой дистанции в цепи, а амперметр указывает на массовую составляющую потока перемещающихся через него электрических зарядов.
Во-вторых:
Существование Вакуума противоречит закону сохранения Массы/Энергии, который даже современной наукой признаётся одним из главенствующих в окружающем мире. В наиболее простой интерпретации он звучит так:
Природа не терпит Пустоты
То есть, в любой точке Пространства мы обязательно обнаружим какие-то вещества, газы, потоки частиц, излучения и много чего ещё. Пустоты в мире, который целиком заполнен Материей, мы не найдём даже в самом дальнем уголке нашей или какой-то другой галактики. Если где-то что-то убыло, значит, освободившееся пространство тут же будет занято другими материальными объектами. Так устроена природа!
Физические опыты по откачиванию газа из стеклянной колбы, многократно проводимые ещё в конце позапрошлого - начале прошлого века, со всей очевидностью доказали незыблемость основного закона Мироздания. Создать разрежение газа возможно, а вот откачать его весь - не получится, даже если использовать очень мощные насосы и самые прочные материалы для их изготовления.
Современная наука под Вакуумом подразумевает любое давление ниже атмосферного, которое составляет примерно 100 кПа или 760 мм.рт.ст. В промышленности давление в 1.3 кПа или 1 мм.рт.ст. приравнивается к 99.9%-ному вакууму. Конечно, технологии не стоят на месте и существуют системы, которые преодолевают этот "рубеж", но тут следует понимать, что давление в 0,5 или 0,05 Па - это будут всё те же 99,9% вакуума, притом, что приборы покажут какие-то немыслимые значения разрежения среды. Даже после откачки всего газа из колбы, образовавшаяся "вакансия" обязательно будет занята другим элементом периодической таблицы, из которого состоят трубки и герметизирующие элементы самой системы. Сначала начнут испаряться менее прочные вещества - неметаллы, а когда и их удастся откачать, следующими на очереди будут металлы - сначала щелочные и щелочноземельные, потом все остальные. Другими словами, все попытки достичь 100%-ного вакуума изначально обречены на неудачу, и поэтому 99% с любым количеством цифр после запятой - естественный природный предел.
Несмотря на то, что радиолампа называется электровакуумным прибором, внутри колбы всегда имеется какое-то количество азота, который при низком давлении проявляет себя как полупроводник. В работающей радиолампе эти свойства в значительной степени усиливаются атомами металлов, оксидов и карбидов, которые наносятся не только на катод, но и на нагреватель.
В низкотемпературных лампах катод покрывается толстым слоем бария, который равномерно испаряется на протяжении всего срока службы лампы. Постепенное истощение катодного слоя приводит к ухудшению полупроводящих свойств газовой среды внутри лампы, что называется - потерей эмиссии.
В высокотемпературных лампах с вольфрамовым нагревателем испаряется сама нить накала. Поскольку вольфрам - это тугоплавкий металл, то расходуется он намного медленнее бария, а значит, такие лампы служат несколько дольше, пока накальная нить не станет слишком тонкой, чтобы произошёл её обрыв. Если такая лампа не светится, значит, она уже неработоспособна. То есть, эмиссию она сохраняет практически до полного истощения нити нагревателя.
По совокупности предоставленных выше возражений предлагается такое определение:
Электронная лампа, радиолампа - герметичный электронный прибор, газовая среда внутри которого исполняет роль полупроводника для электрического тока.
Теперь о принципе работы радиолампы.
Начнём с наиболее простого по конструкции прибора:
Ламповый диод
Рис. 120
На картинке выше представлена электрическая схема с ламповым диодом, подключенным к источнику постоянного тока G через нагрузку, в качестве которой используется лампочка HL. Внутри стеклянной колбы с газом имеются также - нагреватель в виде вольфрамовой спирали или другого тугоплавкого материала, а также, катод и анод - металлические пластины, чаще всего выполненные в виде цилиндров, надетых один на другой. Катод располагается как можно ближе к нагревателю, анод на некотором расстоянии от них.
Следующая картинка:
Рис. 121
Сначала рассмотрим процессы, происходящие внутри колбы с отключенным нагревателем. Поскольку внутри колбы газовая среда находится в сильно разрежённом состоянии, то электрические заряды, пришедшие с плюсового вывода источника питания на анод, скопятся вокруг него, но дальше не двинутся, поскольку весь объём колбы занимает область высокого диэлектрического сопротивления, перекрывающая доступ зарядов к катоду. Можно сказать, что любая радиолампа с холодным катодом представляет собой конденсатор очень маленькой ёмкости, являющийся изолятором для постоянного тока. Соответственно, лампочка HL не загорится.
Теперь подключим ток к спирали нагревателя:
Рис. 122
По мере нагревания катода область диэлектрического сопротивления (чёрный пунктир) внутри колбы (рис. 34) будет сдвигаться ближе к аноду и заметно уменьшаться в размерах, в то время как область проводимости (красный пунктир) со стороны катода наоборот, заметно расширится. Это произойдёт вследствие общего для диэлектриков и полупроводников свойства - увеличения электропроводимости вещества при нагреве.
Поскольку на аноде у нас имеется значительное количество электрических зарядов, которые к тому же находятся под напряжением (давлением) со стороны плюсового вывода источника питания, то в какой-то момент обязательно наступит электрический пробой газовой среды, состоящей не только из азота, но и большого количества атомов вольфрама, бария и различных карбидов (углеродные соединения), которые изначально являются проводниками для электрического тока, а в нагретом состоянии, тем более.
Лампочка HL загорится.
Электрические заряды в такой ситуации будут вести себя в точности так же, как ночные мотыльки, летящие на свет костра, ведь у них появится чёткий ориентир - куда нужно двигаться, чтобы получить для себя дополнительную Энергию. Здесь реализуется базовый природный сценарий, который условно можно назвать:
Движение материальных объектов к источнику Энергии.
В данном случае, в качестве источника энергии выступит нагретый до красна катод радиолампы, куда и устремятся электрические заряды.
В качестве эксперимента поменяем полярность питания. На анод мы подадим минус, а на катод плюс. Лампочка в анодной цепи не загорится, поскольку все заряды скопятся вокруг горячего катода и откажутся его покидать - электрического тока в цепи не будет. К тому же, диэлектрическое сопротивление внутри колбы между "заряженным" горячим катодом и холодным анодом резко возрастёт в результате поляризации газовой среды, изначально являющейся диэлектриком. Другими словами, зарядам нет никакой нужды покидать раскалённый катод, где им тепло и комфортно, и поэтому холодный анод для них не представляет никакого интереса. Следовательно, в ламповом диоде ток может двигаться лишь в одном направлении - от "холодного" анода к "горячему" катоду, что подтвердит амперметр, включенный в разрыв электрической цепи.
Ламповый триод
Рис. 123
Отличие его от диода только в появлении ещё одного элемента внутри, называемого сеткой. Она располагается между катодом и анодом и используется для регулировки тока. Управление потоком электрических зарядов в радиолампе производится путём подачи на сетку какого-либо напряжения. В зависимости от его полярности изменяется проводимость газовой среды внутри колбы. Соответственно, при подаче переменного напряжения на сетку лампа будет работать в режиме усиления, так как даже совсем небольшая амплитуда управляющего сигнала на сетке управляет достаточно большим током, движущимся от анода к катоду.
Любой сигнал переменного напряжения можно условно разделить на три фазы - положительная полуволна, нулевой уровень и отрицательная полуволна. Смоделируем каждое из этих состояний подключением к клеммам G2 источника постоянного напряжения относительно катода, соединённого с минусом основного источника тока G1.
Рассмотрим первый вариант, при котором на сетку подаётся "плюс".
Рис. 124
С двух источников питания одновременно приходят электрические заряды, которые заполняют собой всю область между сеткой и анодом. Газовая среда внутри колбы - это полупроводник, в котором зоны проводимости чередуются зонами диэлектрического сопротивления. Для того чтобы в лампе возник ток, необходима существенная разность потенциалов между анодом и катодом. Если между ними появляется ещё один источник положительного напряжения - сетка, возникает состояние, которое можно условно назвать дисбалансом напряжений. То есть, на аноде самое высокое напряжение в схеме, на сетке значительно ниже, а на катоде вообще ноль. Такая ситуация чем-то похожа на армию, которая вместо того чтобы сконцентрировать все свои силы для удара по противнику, разбрелась по округе и сражаться не собирается.
Положительное напряжение на сетке создаёт минимум два неблагоприятных фактора для электрического пробоя участка Анод-Катод.
Во-первых, даже очень незначительное количество зарядов на сетке поляризует полупроводник в направлении Катода, а значит, диэлектрическое сопротивление этой области возрастает, даже несмотря на то, что катод горячий, и готов принять на себя поток электрических зарядов.
Во-вторых, малоподвижные электрические заряды от источника питания G2 заполняют сетку целиком, перекрывая собой движение для основной массы зарядов, расположенных в области анода. Естественно, что при таком количестве неблагоприятных факторов ни о каком токе от анода к катоду не может быть и речи.
Традиционная физика при описании работы радиолампы оперирует такими понятиями как притяжение и отталкивание частиц, заряженных положительно или отрицательно. Поскольку в существующей терминологической среде понятие отрицательность используется лишь в качестве "удобной условности", то можно сказать, что электрические заряды, возникшие на сетке, не будут ни притягивать, ни отталкивать другие заряды, но само их наличие создаст физическую преграду, вследствие чего условия для электрического пробоя газа-полупроводника резко ухудшатся.
Имеется, как минимум, два варианта преодоления такой "неблагоприятной" ситуации:
Первый - повысить анодное напряжение.
Второй - снизить напряжение на сетке.
Воспользуемся вторым вариантом, для этого вместо источника питания между клеммами контактов G2 поставим перемычку, как на следующей картинке:
Рис. 125
В результате такой манипуляции мы соединили сетку с катодом (рис. 125), то есть, напряжение источника питания G2 снизили до нуля. Лампочка HL загорелась, что свидетельствует о движении тока между анодом и катодом. Но в ламповом диоде, внутри которого нет сетки, при аналогичных условиях ток между катодом и анодом заметно больше, и поэтому лампочка светит ярче. Объяснение довольно простое - сетка оказывает сопротивление движению тока, но уже не столь значительное, как в предыдущем случае (рис. 124). Часть электрических зарядов, ударившись о сетку, теряет свою кинетическую энергию движения и останавливается, мешая другим участникам движения продолжать свой путь. То есть, на сетке образуется некоторый положительный потенциал, который в предыдущем случае вообще останавливал поток, но сейчас сетка соединена с катодом, и поэтому её положительный потенциал своевременно разряжается, уходя в направлении минусового вывода G1. Так возникает ток сетки, который мы можем измерить, подключив амперметр к клеммам G2.
Резюмируем - ламповый триод открывается при "нулевом напряжении" на сетке, но не полностью. Продолжаем экспериментировать и теперь вместо перемычки вновь подключим источник питания, но в этот раз поменяем полярность - на сетку подадим "минус", а "плюс" подключим к катоду.
Рис. 126
То, что лампочка HL загорелась в полный накал, вполне ожидаемо из результатов двух предыдущих опытов. Несколько неожиданным выглядит лишь то, что анодный ток в триоде при таком подключении сетки заметно выше анодного тока лампового диода при аналогичных условиях. То есть, наличие сетки между анодом и катодом, на который подаётся "минус" с дополнительного источника питания G2 значительно улучшает свойства проводимости в радиолампе.
Попробуем разобраться, почему так происходит.
Для наглядности изменим "топографическое расположение" источника питания G2 на схеме, но все соединения оставим неизменными:
Рис. 127
Теперь хорошо видно, что источники питания G1 и G2 соединяются друг с другом последовательно, а значит, напряжение такой "батареи" суммируется. В результате мы имеем ситуацию, при которой разность потенциалов между анодом и сеткой выше, чем между анодом и катодом. Говоря языком традиционной физики, на сетке напряжение "более отрицательное", нежели на катоде. В данном режиме сетка исполняет роль "ускоряющего электрода", как бы дополнительно подгоняя частицы тока на дистанции Анод-Катод. В результате такого воздействия в нагрузке мы регистрируем максимальный ток, на который рассчитана радиолампа.
Если бы мы использовали традиционное объяснение - притяжение отрицательных и положительных частиц друг к другу, то дальнейшее движение тока от сетки было бы довольно трудно обосновать, ведь разноимённые частицы, соединившись вследствие притяжения, уже не поменяют своей полярности и на их разъединение потребуется потратить дополнительную энергию.
Поскольку в данном размышлении все частицы, участвующие в процессе - однозначно положительны, то нет никаких трудностей с преодолением ими сетки, подача "глубокого минуса" на которую лишь создаёт идеальные условия для движения тока в лампе, не вызывая никаких побочных "магнитных эффектов".