Įvadas į fiziką ir elektrodinamiką

 1. Įvadas į fiziką ir elektrodinamiką. 2. Medžiagos elektriniame lauke. Dielektrikų poliarizacija. Elektrinė talpa. Laidininkai elektriniame lauke Dielektrikų poliarizacija. Elektroninė poliarizacija: Normaliomis sąlygomis dielektrikai srovei yra nelaidūs. Nepoliariniai dielektrikai (jų ρ=nuo 106 iki 105) – jeigu nesant išoriniam laukui teigiamų ir neigiamų krūvių „svorio centrai“ šio dielektriko molekulėse sutampa (molekulės elektrinis momentas pe=q∙l=c, čia q – suminis teigiamas krūvis visų branduolių molekulėse, l – vektorius iš elektronų sunkio centro į teigiamo centrą). Išoriniame lauke vyksta atomų ir molekulių elektroninių debesėlių deformavimas ir molekulės sugauna indukuotą elektrinį dipolinį momentą pe, proporcingą išoriniam E. Orientacinė poliarizacija: Poliariniais dielektrikais vadiname tokius, kurių molekulės yra dipoliai su pastoviu momentu. Išoriniame lauke tokie dipoliai orientuojasi išilgai E krypties. Joninė poliarizacija vyksta kietuose dielektrikuose, turinčiuose joninę kristalinę gardelę – išorės laukas iššaukia jonų poslinkį. Kaikurie kristalai turi savybę polerizuotis juos deformuojant, toks reiškinys vadinamas pjezoefektu. Elektrinė talpa. Laidininko sugebėjimas kaupti elektrinį krūvį vadinamas elektrine talpa. C=q/φ, faradai [F]. Talpa priklauso nuo laidininko paviršiaus ploto, atstumo iki kito laidininko ir aplinkos. C=ε∙r/K; laidininkų sistema elektros krūviui kaupti vadinama kondensatorium. C=q/U; plokščiojo kondensatoriuas talpa: C= (ε0∙ε∙S/d)(n-1), kur ε – dielektrinė skvarba, n plokštelių skaičius, d – atstumas tarp jų, S – plokštelės paviršiaus plotas. Nuosekliai sujungus: 1/Cbat=∑n1/Ci ;lygiagrečiai: Cbat=∑nCi ; Energija W=C∙U2/2 3. Nuolatinė elektros srovė. Elektros srovės grandinių tyrimas. Kirchholfo taisyklės ir jų taikymas grandinių tyrimui. Tvarkingas elektringųjų dalelių judėjimas vadinamas elektros srove. Tvarkingas judėjimas laisvų elektringųjų dalelių – krūvininkų – sukurtas elektriniu lauku, vadinamas laidumo srove. Srovės stipriu vadinamas skaliarinis fizikinis dydis, lygus santykiui krūvio dq, pernešamo pro paviršių S per mažą laiko intervalą dt, su šiuo intervalu dt. I=dq/dt, j=dI/dS. Elektros srovės tankis. Srovės stiprumas yra jos skaliarinė charakteris­tika. Detaliau srovę apibūdina vektorinis dydis j, kuris vadinamas elektros srovės tankiu. Kai nuolatinė srovė I teka pakankamai ilgu ir plonu laidu, galima sakyti, kad išilgai jo judantys krūvininkai pasirinktame srovės te­kėjimo krypčiai statmename ploto S┴ skerspjūvyje pasiskirsto tolygiai. Tuomet srovės tankio modulis išreiškiamas šitaip: j = I/S┴ (A/m2). Vektorius j nukreiptas teigiamų krūvininkų judėjimo kryptimi, tiksliau sakant j || E. Palaikymui pastovios srovės grandinėje reikia, kad į krūvininkus be Kuloninių jėgų veiktų dar kitos, neelektrostatinės, jėgos, vadinamos pašalinėmis jėgomis: galvaninis elementas, akumuliatorius... Elektros srovę metaluose sukuria tam tikra tvarka judantys laisvi elektronai. Jie susiduria su apie pusiausvyros padėtį svyruojančiais jonais ir atomais ir praranda dalį kinetinės energijos. Kuo daugiau smūgių per sekundę, tuo didesnė elektrinė varža. Varža – pasipriešinimas srovei. Eksperimentiškai nustatyta, kad R=ρ∙l/S. Didėjant temperatūrai metalų varža didėja ir atvirkščiai. ρ=ρ0(1+αt). Čia ρ0 yra savitoji varža, esant 0 laipsnių, α=(ρ0-ρ0)/(ρ0t) – temperatūrinis varžos koeficientas. Tačiau kai kuriems metalams tam tikroje žemoje temperatūroje savitoji varža tampa lygi 0 – tai superlaidumo reiškinys. (φ1-φ2)=U=R∙I formulė – Omo dėsnis grandinės daliai. Varžos vienetas yra omas: tai varža tokio laidininko, kai srovės stipris jame lygus 1A, o potencialų skirtumas laidininko galuose 1V. Dviejų elektrinio lauko taškų potencialų skirtumas yra lygus 1V, kai pernešant tarp tų taškų 1C elektros krūvį atliekamas 1J darbas. 1V=1J/(1C). j=env, γ∙E=env, v=γ/(en) ∙E=μE; I/S=1/ρ∙U/l išplaukia j=γ∙E. j=enμ∙E. Tai Omo dėsnis diferencialinėje formoje. I=E/(R+r). R – išorinė varža, r – vidinė. Kirhofo taisyklės 1. Srovės pasto­vumo sąlyga: tekant nusistovėjusiai nuolatinei srovei, nė viena­me laidininko taške, nė vienoje jo dalyje negali kauptis elektros krūviai. (įmazgą sutekančių srovių algebrinė suma lygi nuliui) 2. bet kuriame uždarame kontūre, laisvai pasirinktame išsišakoju­sioje grandinėje, srovės stiprumų Ik ir atitinkamų kontūro dalių varžų Rk sandaugų algebrinė suma yra lygi tame kontūre veikiančių evj Ek, algebrinei sumai. 3. Sprendžiant uždavinį a) laisvai pasirinkti srovių kryptis visose grandinės dalyse; b) suskaičiuoti mazgų skaičių grandinėje (m). Užrašyti lygtį kiekvienam iš m-1 mazgų. c) laisvai išskirti grandinėje uždarus kontūrus ir, pasirinkus apėjimo kryptį, užrašyti jiems lygtis. Antrąją Kirchhofo taisyklę galima taikyti ir skaičiuojant kintamosios srovės grandines. 4. Elektros srovės magnetinis laukas, magnetinė indukcija. Bio-Savaro-Laplaso ir Ampero dėsniai. Kadangi srovė laidininke yra tvarkingas elektronų judėjimas, reiškia apie bet kokį judantį krūvį turi egzistuoti magn. laukas. Magn. laukas turi kryptį ir charakterizuojamas vektoriniu dydžiu – magn. indukcija B. Magn. indukcijos linijos apie laidininką su srove išsidėsčiusios pagal dešiniojo sraigto taisyklę. Jėga Fm , kuria magn. laukas veikia judantį elektros krūvį, visada statmena jos greičiui v, o santykis Fm/(|q|∙v) nepriklauso nuo q ir v modulio. Jėga priklauso nuo lauko charakteristikos – vektoriaus B. B=Fm(max)/(|q|∙v). Fm=q∙[v∙B], Fm=|q|∙v∙B∙sinα. F=q∙E+q[v∙B]. Lorenco jėga darbo neatlieka, nes |v|=∞. Pagal BioSavaro dėsnį: bet kurios srovės magn. laukas gali būti apskaičiuotas kaip vektorinė suma laukų, sukuriamų atskirų elementarių srovės elementų dldB=μ0/(4*π)*I*[dl,r]/r3; dB=μ0/(4*π)*I*dl*sinα/r2. Magnetinė konstanta μ0=4*π*10-7 vienetai T*m/A. Dėsnis, kurį nustatė Amperas: elementą magn. lauke veikia jėga dF=I∙[dl∙B], dF=I∙B∙l∙sinα. Magnetinis srautas φ=B∙S. Darbas dA=F∙dx=I∙B∙l∙dx=I∙dφ. dB=μ0/(4π)∙I/(b∙sinα∙dα). B=∫0πdB=μ0/(4π)∙I/b. Magnetinės indukcijos linijos tiesiame laidininke sudaro koncentrinius apskritimus, supančius laidą, sistemą.Dabar rasime lauko magn. indukciją plono apskritimo pavidalo laidininko centre ir ašyje. Spindulys R. Kiekvienas srovės elementas sukuria indukciją dB, nukreiptą į teigiama normalės kryptimi. dB=μ0/(4π)∙I∙dl/R2. Integruojame visu konturu B=μ0∙I/(4π)∙∫l[dl∙r]/R3. I=j∙S=envS. Plokščią uždarą rėmelį su srove patalpintą į magn. lauką pastebėsime, kad laukas pasuka rėmelį teigiama normale tam tikra kryptimi. Sukamojo momento reikšmė priklauso nuo kampo α tarp normalės ir lauko krypties (didžiausia kai α=π/2). Sukamasis momentas priklauso nuo lauko savybių tame lauko taške ir nuo kontūro parametrų I, S ,bet nepriklauso nuo formos. Dydis pm=I∙S, pm=I∙S∙n vadinamas kontūro dipoliniu momentu. Pasirodė, kad sukamojo momento santykis su dipoliniu momentu yra pastovus dydis (vienodam α)(Mmax esant α lygiam π/2), Mmax/pm=B tai magnetinės indukcijos modulis. B vienetas Tesla [T]. 1A- nuolatinės srovės stiprumas, kuriai tekant dviem tiesiais, lygiagrečiais, be galo ilgais laidais esančiais vakuume 1m atstumu vienas nuo kito, kiekvieną jų veikia 2∙10-7N elektromagn. sąveikos jėga. Magnetinis srautas Φ=BS, vienetas vėberis [W]. 5. Medžiagos magnetiniame lauke. Atomų magnetiniai momentai. Diamagnetikai, paramagnetikai, feromagnetikai. Visos medžiagos išoriniame magn. lauke įsimagnetina, tai yra sukuria savo nuosavą magn. lauką. Kiekybinė įmagnetėjimo charakteristika yra vektorinis dydis- įmagnetėjimas J=1/(DV)∙∑mknpmk. pmk – i-ojo atomo magnet. momentas tūryje ΔV iš skaičiaus n. Diamagnetikai išoriniame lauke įsimagnetina kryptimi, priešinga magnetinės indukcijos vektoriui. Nesant išorinio lauko, molekulės neturi magnetinio momento. Paramagnetikai įsimagnetina išorinio lauko B kryptimi. Šių medžiagų molekulės turi nuosavą magn. momentą, bet dėl šiluminio judėjimo šie momentai chaotiškai išsidėstę. J=0. Išorinis laukas momentus orientuoja. Atomų magnetiniai momentai. Klasikinėje fizikoje apie branduolį skriejantį elektroną greičiu v orbita spidulio r apibūdina orbitiniu judesio kiekio momentu Ll=r∙m∙v. Elektrono orbitinė srovė : I=e∙η=e∙v/(2∙π∙r). η – elektrono orbitinis dažnis. Orbitinei srovei atitinka magnetinis momentas pm, vadin. elektrono orbitiniu magn. momentu. v su T(periodu) sieja 2∙π∙r=v∙T. Taigi pm=I∙S=e/T∙ π ∙r2=1/2∙e∙v∙r. pm yra vektorius ir nukreiptas priešinga vektoriui Le kryptimi. Vektorių pm ir Le modulių santykis pm/Le=e/(2∙m) vadinamas giromagnetiniu santykiu. Todėl galime parašyti pm=-e/(2∙m)∙Le taigi su kiekvienu elektrono apie branduolį judėjimu susijęs tam tikras orbitinis magnetinis momentas, apibūdinantis srovės magnetinį lauką. Jeigu medžiagos atomo ar molekulės atstojamasis magn. momentas pa nelygu 0 net tada, kai jų neveikia magnetinis laukas, tokios medžiagos vadinamos paramagnetikais.(O2, Al, Pt..). Kitų medžiagų p=0, jos vadinamos diamagnetikais.(inertinės dujos , daug organinių junginių, vanduo). Magentiniame lauke diamagnetiko atomuose indukuojamas magnetinis momentas.Feromagnetikai: Diamagnetikų μ>1 ir priklauso nuo temperatūros ir išorinio H stiprumo. Feromagnetinių medžiagų savybes nulemia ne atomų savybės, o ypatinga kristalinės gardelės sandara(skystoje ar dujinėje būsenose jie elgiasi kaip paramagnetikai). Paramegnetikuose atomų magnetiniai momentai išsidėstę chaotiškai, o feromagn. yra spontaninės, savaiminio įmagnetėjimo sritys – domenai, kuriuose atomų magn. momentai orientuoti viena kryptimi. Be išorinio H domenai išsidėstę chaotiškai. Magnetiniame lauke domenai orientuojasi išilgai magnetinio lauko. 6. Elektromagnetinė indukcija. Faradėjaus elektromagnetinės indukcijos dėsnis. Lenco taisyklė. Kintamosios srovės gavimas. Faradėjaus dėsnis: uždarame laidininke indukuojasi evj, kai kinta magnetinis srautas pro uždarą laidininko ribojamą plotą. Elektromagnetines indukcijos reiskinys. Tai del magnetines indukcijos srauto kitimo per pavirsiu, apribota laidziu konturu, atsirandanti konture elektros srove, vadinama indukcine. Faradėjaus dėsnis. Jeigu viju yra N: (epsilon)=-N∙(d(∑B))/dt; Minuso zenklas “-“ formulese reiškia, kad indukcijos evj konture sužadina srovę, kurios magnetinio lauko indukcija visada priešinasi pirminiam magnetinio lauko kitimui, tai Lenco taisyklė: Indukuotoji srovė teka tokia kryptimi, kad jos magnetinis laukas priešintųsi tam magnetinio srauto kitimui, sukėlusiam šią srovę. Laidininkas juda veikiamas Fmech jėgos, jame indukuojasi srovė ir ją dar veikia priešingos krypties Ampero jėga FA . Ji atsiranda todėl, kad indukuotoji srovė kuria savo magnetinį lauką, ir priešinasi laidininko judėjimui išoriniame magnetiniame lauke. ε=d∑B/(dt)=B∙dS/dt= B∙l∙v∙dt/dt=Blv (aišku,kad B,l ir v tarpusavyje statmeni). Kintamos srovės gavimas. Magnetinis srautas per konturą visą laiką kinta. Kai konturo plokštuma statmena B magn. Sr., E elektrovara yra didžiausias ir lygus B∙S, o bendru atveju E=B∙S∙cosα. Pradėkime skaičiuot nuo to momento kai n ir B kryptys sutampa: f=wt; w=2∙π/T, tada Φ=B∙S∙coswt. Išdiferencijuojame t atžvilgiu ir įraše I Faradejaus dėsni E=-dΦ/dt, momentinis e=B∙S∙w∙sinwt=E0sinwt. Jeigu grandineje yra tik ominė varža R, i=I0sinwt, e ir I – momentinės vertės, E0 ir I) – didziausios e=B∙Swsinwt=E0sinwt ir i=I0sinwt formulemis randamos tik momentines vertes esant tam tikrai fazei. Praktiskai tenka skaičiuoti srovės galią ir atliktą darbą per tam tikrą laiką. Įvedamos efektinės vertės. dQ=i2R∙dt įstatom i=I0sinwt, w=2π/T, dQ=∫I02Rsin2(2π/T)∙dt=>suintegruojam nuo 0 iki T; Q=I02R(T/2). 7. Saviindukcijos ir savitarpio indukcijos reiškiniai, transformatoriai. Sūkurinės srovės. Paviršinis efektas (skinefektas). Pereinamieji procesai elektros grandinėse. Pro grandinės, kuria teka srovė ribojamą plotą praeina magnetinis srautas. Kintant srovės stiprumui, kinta ir šis srautas, dėl to toje pačioje grandinėje atsiranda indukcijos evj ir indukcijos srovė. Pro srovės grandinės konturo ribojamą plotą savasis magnetinis srautas proporcongas tekančiai srovei, Φ=L∙I, L priklauso nuo grandinės formos, matmenu, aplinkos savybių ir vadinamas saviindukcijos koeficientu arba induktyvumu. Kai I=1A; L=Φ(skaitine verte). Grandinės induktyvumas skaitine verte lygus magn. Sr. kurį sukuria 1A srovė. Jeigu srautas = 1wb, I=1A tai L=1((wb)/A)=1H. Išdiferencijuojam Φ=L∙I, (dΦ)/(dt)=L((dI)/dt) ir įrašę I , gauname Ei=Es=-L∙((dI)/(dt)). Kadangi indukcinės srovės stiprumas varžoje I=Ei/R=-(1/R)∙((dΦ)/(dt)), tai Isaviind=Es/R=-(L/R)∙((dI)/(dt)). Grandineje turinčioje induktyvumą ir srovės šaltinį, kurio evj=E, keičiantis srovės stiprumui, atsiranda saviindukcijos evj. Es pagal omo desnį I=((E+Es)/R)=R∙(E-L∙((dI)/(dt)). Srovei stiprejant E ir Es yra priešingo ženklo, o silpnejant – to paties. Savitarpio indukcijos reiškinys. Tai indukcijos evj atsiradimas laidininkuose, esančiuose netoli kintamos srovės grandinės. E2=-((dΦ21)/(dt))=-L21∙((dI1)/(dt)). Šiuo reiškiniu pagrįstas transformatoriaus veikimas. Transform. sandara. Pirmine apvija teka kintama srovė, kuri šerdyje sukuria kintamą magnetinį srautą Φ. Šerdis turi didelę magnetinę skvarbą ir uždarą, todėl visas srautas eina tik šerdimi. Šio srauto kitimas sukuria antrinėje apvijoje abipuses indukcijos evj, o pirmineje – saviindukcijos evj. Tuščia eiga – pirmine apvija tada teka silpna srove, eikvojame šerdžiai permagnetinti. Momentines evj pirminėje ir antrinėje apvijose (pagal Faradėjaus d.) e1=-N1∙Φ((d)/(dt)); e2=-N2∙((dΦ)/(dt)). Padalije panariui gauname: e1/e2=u1/u2=N1/N2=k. P1~P2; U1I1~U2I2. U1/U2=I1/I2=N1/N2. Sūkurinės srovės.(Fuko srovės) Iki šiol nagrinėjome srovės linijiniuose laidininkuose (konturuose) – skersiniai matmenys labia maži palyginus su ilgiu. Tačiau indukcines sroves susikuria ir masyviuose laidininkuose ir tada kai laidininkas neįjungtas I grandinę. Uždara grandinė susidaro laidininko masėje: Is=Es/R=-(1/R)∙((dΦ)/(dt)). R= sūkurinės grandinės varža. Ją apskaičiuoti sunku, tačiau aišku, kad kuo laidumas didesnis tuo srovė stipresnė. Šios srovės įkaitina laidininkus. Pritaikomos indukcinėse krosnyse metalui lydyti. Iš Dž. Lenco d. Q=I2R∙t ir Q~I2~magnetinio lauko kitimo dažnio kvadratui. Grandinėje su induktyvumu ir srovės šaltiniu su evj=E keičiantis srovės stiprumui atsiranda saviindukcijos evj. Pagal Omo dėsnį I=(E+Es)/R=(E-L∙(dI)/(dt))∙1/R srovei stiprejant E ir Es to paties ženklo, o silpnejant - priešingo. Skinefektas (paviršiaus efektas) Kai laidininku teka kintama srovė, magnetinis laukas jo viduje taip pat kinta, ir atsiranda sūkurinės indukcijos srovė cilindriniame laidininke sukurinių srovių plokštumos eina per jo ašį. Šių srovių kryptį galime nustatyti pagal Lenco dėsni. Jos teka tokia kryptimi, kad trukdo keistis pagrindinei srovei laidininko viduje ir padeda laidininke arti pavirsiaus. Reiškia varža kintamai srovei vidinėse dalyse daug kartų didesnė negu išorinėse. Elektrinio ir magnetinio lauku energija Elektrinio: Perkeliant elektros krūvį iš vieno lauko taško į kitą, potencialų skirtumas tarp kurių U atliekamas darbas, atitinkantis sistemos energijos pokyti: Ee=A=qU. Potencialo išraiška U1=(1/(4π∙ε0))∙(q1q2)/r12; ir jeigu perkelsim krūvį q2 iš begalybės iki krūvio q1 atstumu r12 potencialas begalybėje=0, gausime Ee=(1/(4π∙ε0))∙(q1q2)/r12). Įelektrintame kondensatoriuje sukaupta elektrinė energija. Tai darbas reikalingas įkrauti kondensatorių, atliekant tą darbą prieš elektrines atostumio jėgas. Jeigu tarp plokštelių potencialų skirtumas U, pernešant krūvį dq atliekamas darbas dEe=Udq. Kadangi U=q/C, Ee=∫(nuo 0 iki Q)Udq=1/C∫(nuo 0 iki Q)qdq=1/2∙(Q2/C), Q=CU; tai Ee=1/2∙(Q2/C)=(CU2)/2= 1/2QU. Magnetinio: Kada ritėje, kurios induktyvumas L, teka srovė I, kintanti greičiu (dI)/(dt) tai galia P=I∙ε=IL∙((dI)/(dt)). Apskaičiuosime darbą stiprejant srovei ritėje nuo 0 iki I elementarus darbas: dEm=dA=P∙dt=LidI, pilnas darbas Em=∫(nuo 0 iki I)∙LidI=1/2(LI2). 8. Omo dėsnis kintamajai srovei. Slinkties srovė. Rezistorius, ritė ir kondensatorius kintamosios srovės grandinėje. Nuoseklus šių elementų jungimas. Kintama srovė – tai tokia srovė, kuri laiko bėgyje keičia savo kryptį. Amplitudinė vertė Im.– tai kintamos srovės vertė bet kokiu momentu. Periodas (T) – tai mažiausias laiko tarpas, po kurio amplitudinės vertės pradeda kartotis. Dažnis (f) – tai dydis atvirkščias periodui (f=1/T) – tai skaičius per 1 sekundę. Kuo didesnis dažnis tuo mažesni elektro mašinų dydžiai, tačiau kuo didesnis dažnis tuo didesni nuostoliai elektros perdavimo linijose, tai yra dėl elektromagnetinio spinduliavimo. Amplitudinė srovė kinta sinusų dėsniu: i=Imsinwt, kur w=2πf - kampinis greitis. Įtampa kinta pagal tą patį dėsnį: u=umsinwt; Kintama srovė išskiria šilumos kiekį Q=∫i2RT; Efektinės srovės vertė I nuo amplitudinės Im skiriasi: I=Im/sqrt(2); Vidutinė vertė ieškoma pusės periodo bėgyje ir yra: Ivid=0,637Im; Tas pats yra ir su įtampa: Uvid=0,637Um; Srovės vektorių suma atvaizduota laiko t=0 yra vadinama Vektorine diagrama. Kintamos srovės grandinių imtuvai: Imtuvų apkrovos gali būti: 1) aktyvinė – kur energija verčiama į kitą rūšies energiją (varža) 2) reaktyvinė – kur vyksta nuolatinis energijos kitimas tarp šaltinio ir apkrovos. Jos yra kelios: 2.1) induktyvioji apkrova – pvz.: ritė 2.2) talpinė – tai kondensatorius. Varža: turime aktyviąją apkrovą, veikiančios sinusinės srovės amplitudinė vertė yra i=U/R. Omo dėsnis amplitudinei vertei būtų Im=Um/R. Omo dėsnis efektyvinėms vertėms I=U/R.I ir U sutampa, nes fazių skirtumas lygus 0. Kondensatorius: Čia ic=c(du/dt) – srovės grandinė kur įjungtas kondensatorius. Srovės įėjime veikia sinusinė įtampa: ic=Im(sinwt+π/2) išdiferenciavus pirmą lygtį gauname jog: Im=Um/1/(2πfC), kur dydis Xc=1/(2πfC) – talpinė varža, kur C – kondensatoriaus talpa, f – dažnis. Nuolatinė srovė per kondensatorių neteka, nes varža yra ∞, f=0. Im=Um/Xc Ritė: grandinėje tekant srovei kinta I, ritėje susikuria saviindukcijos elektrovaros jėga: Um=2πfLIm ; Im=Um/2πfL=Um/XL ; XL=2πfL Nuosekliai ir lygiagrečiai sujungtų imtuvų grandinės, galia, rezonanso reiškiniai. Uždaram kontūrui galioja kirchhofo dėsnis: U=UR+UC+UL; U=IRiR+iXL+iXC; U=IR+IXC+IXL; Kai turime UC=UL,... U=UR ir kampas φ=0, tai turime įtampos rezonansą (kai Xc=XL) Kaip jau žinome efektinės kondensatoriaus ir ritės įtampos vektoriai yra nukrype į atvirkščias puses, todėl juos sudėti gana paprasta ir gauname bendrą reikšmę: UX=UL-UC=I(XL-XC); Bendra srovė bus I=U/z, kur z – pilnutinė varža ir ji yra lygi z=sqrt(R2+(XL-XC)2), O: XL=jXL=XLej90° ; XC=-jXC=XCe-j90°. Lygiarečiai sujungtos grandinės. I1=U/z1=U/z1e-jφ; I2=U/z2=U/z2ejφ; todėl I=I1+I2= I1e-jφ+I2ejφ ; Galios: Varža – PR=Ui=Umsinwt*Imsinwt=UmImsin2wt; Čia P visada teigiama ir svyruoja nuo 0 iki UmIm Ritė- PL=UiL= -UmImsin2wt; Kondensatorius – PC=UiC=UmImsin2wt; 9. Virpamieji procesai. Harmoninio svyravimo lygtis. Švytuoklės. Elektromagnetiniai svyravimai virpesių kontūre, jų periodas. 10. Kontaktinis potencialų skirtumas. Termoelektriniai reiškiniai metalų kontakte. Kontaktinis potencialų skirtumas. Sujungus du skirtingus metalus, jų riboje taip pat susidaro dvigubas ribinis įelektrintas sluoksnis ir metalai įgauna skirtingus potencialus φ1 ir φ2. Šių potencialų skirtumas tarp dviejų skirtingų besiliečiančių metalų vadinamas kontaktiniu potencialų skirtumu tarp dviejų metalų. Pirmoji priežastis, dėl kurios susidaro kontaktinis potencialų skirtumas dviejų metalų riboje, yra skirtingas elektronų išlaisvinimo iš tų metalų darbas. Metalas, kurio elektronų išlaisvinimo darbas yra mažesnis, įsielektrina teigiamai, nes iš jo daugiau elektronų pereina į tą metalą, kurio elektronų išlaisvinimo darbas didesnis. Pastarasis įsielektrina neigiamai. Pažymėjus išsilaisvinimo darbus ir šį potencialų skirtumą galima užrašyti taip: ∆φ12=(A1-A2)/e. Čia e elektrono krūvio absoliutusis didumas. Kontaktinis potencialų skirtumas, kuris susidaro dviejų metalų sąlyčio vietoje, esant skirtingiems elektronų išlaisvinimo darbams, vadinamas išoriniu. ∆φ12 skaitinė vertė tarp skirtingų me­talų yra apie 1 V. Antroji priežastis vidiniam potencialų skirtumui susidaryti yra skirtingos laisvųjų elektronų koncentracijos ir besiliečiančiuose metaluose. Jei n1 > n2, tai dviejų metalų sąlytyje daugiau elektronų difunduoja iš metalo, kuriame laisvųjų elektronų koncentracija didesnė į mažesnės koncentracijos metalą. Dėl to pirmasis metalas sąlytyje įsikrauna teigiamai, o antrasis neigiamai. Susidaro vidinis kontaktinis potencialų skirtumas φ12. φ12=(kT/e)*ln(n1/n2). čia k yra Bolcmano konstanta, T - absoliučioji temperatūra. Termoelektriniai reiškiniai metalų kontakte. Termoelektriniais vadinami tokie reiškiniai, kurių metu šiluma paverčiama elektros energija ar atvirkščiai. Grandine, sudaryta iš dviejų skirtingų metalų, teka srovė, jeigu kontaktų temperatūros nevienodos. Susidaro tevj grandinėje. Iš skirtingų metalų sujungtoje grandinėje susidaro termoelektrovaros jėga ET ir teka termoelektrinė srovė. Termoelektrovaros jėga lygi vidinių kontaktinių potencialų skirtumui grandinėje sumai: ET=k/e(Ta-Tb)ln(n1/n2). Jei Ta-Tb=1K, tai tada būna savitoji termoelektrovaros jėga. Kontakte išskiriamos (ar sugeriamos) šilumos kiekis yra tiesiog proporcingas srovės per­neštam per kontaktą krūviui It: Qp=Pit, čia I  elektros srovės stipris, t  laikas, P  Peltjė koeficientas, kuris priklauso nuo kontaktuojančių metalų prigimties ir temperatūros. 11. Kietųjų kūnų juostinės teorijos modelis. Puslaidininkiai, jų laidumo mechanizmas ir termoelektriniai reiškiniai metalo ir puslaidininkio, puslaidininkio ir puslaidininkio kontaktuose. Kietųjų kūnų juostinės teorijos modelis Elektronai atome išsidėstę tam tikrose orbitose (lygmenyse). Elektrono energija atome priklauso nuo to, kuriame lygmenyje jis yra. Kiekvienas elektronas turi savo pagrindinį lygmenį, kuriame jis gali būti neribotą laiką, ir daugybę sužadintų lygmenų, į kuriuos jis gali patekti tik gavęs iš šalies papildomos energijos. Juose elektronas gali būti tik ribotą laiką. Jei atomas turi daug elektronų, tai kiekvienas elektronas turi savo pagrindinius ir sužadintus lygmenis. Vienodą energiją atome gali turėti ne daugiau dviejų elektronų. Tokia teorija tinka ir kietajam kūnui. Kad būtų išlaikytas šis principas, suartėjant atomams kiekvienas jų lygmuo suskyla į tiek lygmenų, kiek sistemoje yra atomų. Kietųjų kūnų elektriniam laidumui paaiškinti užtenka dviejų juostų. Viena jų susidariusi iš valentinių elektronų pagrindinio lygmens ir vadinama valentine juosta, o kita – iš valentinių elektronų pirmojo sužadinto lygmens ir vadinama laidumo juosta. Tarp šių dviejų juostų gali būti draustinė juosta, kurioje elektronų būti negali. Kadangi valent. juosta atsiradusi iš nesužadinto lygmens, tad joje būna daug elektronų, o į laid. juostą elektronai patenka tik gavę papildomos energijos. Puslaidininkių elektrinis laidumas. Puslaidininkiuose valentiniai elektronai esti gana tvirtai susiję su savo atomais, tad negali judėti veikiant elektriniam laukui. Pagal juostų modelį valentinė juosta būna visiškai užpildyta elektronais. Laidumo juostą nuo valentinės juostos skiria siauresnė ar platesnė draustinė juosta. Dėl šiluminio judėjimo dalis valentinių elektronų įgyja energiją, kurios pakanka atitrūkti nuo savo atomų, t. y. patekti į laidumo juostą. Ten būdami jie gali judėti veikiant elektriniam laukui ir sąlygoja elektrinį laidumą, nes yra pakankamai tuščių lygmenų. Be to valentinėje juostoje irgi atsiranda tiek tuščių lygmenų, kiek elektronų esti perėję į laidumo juostą. Taigi atsiranda šiokia tokia judėjimo galimybė ir valentinės juostos elektronams. Tačiau puslaidininkiuose peršokusių į laidumo juostą elektronų, o tuo pačiu ir atsiradusių valentinėje juostoje tuščių lygmenų skaičius paprastai esti mažas lyginat su visu valentinės juostos elektronų skaičiumi, tad tik mažai valentinių elektronų daliai atsiranda galimybė į juos patekti ir sąlygoti elektrinį laidumą. Esant puslaidininkyje elektriniam laukui ir valentinės juostos elektronai juda prieš lauką. Nagrinėjant elektrinį laidumą neigiamo krūvio judėjimas prieš lauką yra tolygus tokio pat modulio teigiamo krūvio judėjimui lauko kryptimi. Todėl nagrinėjant krūvininkų judėjimą valentinėje juostoje yra paprasčiau tarti, kad ten juda ne elektronai, o teigiamieji krūvininkai, kurių skaičius lygus laidumo juostoje tuo metu esančių elektronų skaičiui. Šie teigiamieji krūvininkai vadinami skylėmis. Esant tam tikrai temperatūrai vyksta du priešingų krypčių procesai: elektronų peršokimas iš valentinės juostos į laidumo juostą (generacija) ir elektronų grįžimas iš laidumo juostos į valentinę juostą (rekombinacija). ++++++++------------+++++++++ Medžiagos skirstomos į tris pagr. grupes, tai laidinidnkus (spec. Varža ρl=10-8:10-3Ωm), puslaidinikius (ρp=10-3:106) ir dielektrikai (ρd=106:1016). Elektrono energija atome priklauso nuo to, kuriame lygmenyje jis yra. Kiekvienas elektronas turi savo pagrindinį lygmenį, kuriame jis gali būti neribotą laiką, ir daugybę sužadintų lygmenų, į kuriuos jis gali patekti tik gavęs iš šalies papildomos energijos. Juose elektronas gali būti tik ribotą laiką. Jei atomas turi daug elektronų, tai kiekvienas elektronas turi savo pagrindinius ir sužadintus lygmenis. Vienodą energiją atome gali turėti ne daugiau dviejų elektronų. Tokia teorija tinka ir kietajam kūnui. Kad būtų išlaikytas šis principas, suartėjant atomams kiekvienas jų lygmuo suskyla į tiek lygmenų, kiek sistemoje yra atomų. Kietųjų kūnų elektriniam laidumui paaiškinti užtenka dviejų juostų. Viena jų susidariusi iš valentinių elektronų pagrindinio lygmens ir vadinama valentine juosta, o kita – iš valentinių elektronų pirmojo sužadinto lygmens ir vadinama laidumo juosta. Tarp šių dviejų juostų gali būti draustinė juosta, kurioje elektronų būti negali. Kadangi valent. juosta atsiradusi iš nesužadinto lygmens, tad joje būna daug elektronų, o į laid. juostą elektronai patenka tik gavę papildomos energijos. Koks medžiagos laidumas galima nustatyti naudojant juostinės teorijos modelį, kur pagal ΔE – draustinės juostos plotį galima spręsti apie medž laidumą., kai ΔE- 2:3 e-V tai puslaidininkis, kai ΔE – 8:10e-V tai dielektrikas. Puslaidininkiai sudaryti iš keturvalenčių atomų (Si), norint padidinti jų laidumą į jas įmaišomos priemaišos (legiravimas). Jei preimaišos padidiną e- skaičių , vadinamos donarinėmis, o jei padidina skylių sk. Akceptorinėmis. Primaišius į Si fosforo(dodnorinis) jis tampa n tipo puslaididninkiu, o jei boro (akceptorinio), taps p tipo puslaidininkiu. Patalpinus puslaidininkį į elektrinį lauką e- keisdamasis su skylėmis keliaus link + poliaus. Didėjant temperatūrai laidininkai tampa mažai laidūs, o puslaidininkių laidumas eksp didėja ir atvirkščiai. Puslaidininkinaii elementai: Varistorius – varža priklauso nuo įtampos ir srovės; termorezistorius – varža priklauso nuo temperatūros. Tenzorezistorius – varža priklauso nuo deformacijos ir fotorezistorius. 12. p-n sandūra ir jos savybės. Diodai, jų pagrindinės charakteristikos. Lygintuvai. p-n sandūra, p-n sandūros savybės. Į dvi gretimas kristalinio puslaidininkio sritis galima įterpti priemaišų taip, kad vienoje būtų elektroninis laidumas (n tipo), o kitoje – skylinis (p tipo). Tarp šių sričių susidaro pereinamoji zona, vadinama p-n sandūra. Kiekvienoje iš šių sričių yra gausu pagrindinių krūvininkų ir daug mažiau – šalutinių. Sandūroje vyksta sudėtingi fizikiniai procesai. Susipažinsime tik su kai kuriomis p-n sandūros savybėmis, kuriomis yra pagrįstas puslaidininkių elektronikos elementų veikimas. a)Abiejų sričių krūvininkai difunduoja į priešingo laidumo sritis, todėl sandūroje krūvininkai neutralizuojasi. Dėl to pačioje sandūroje lieka donoriniai ir akceptoriniai jonai, kurie sudaro sandūroje erdvinį krūvį. Dėl erdvinių kūnų potencialų skirtumo sandūroje susidaro vidinis elektrinis laukas E1 bei potencialinis barjeras. Potencialinis barjeras V0 neleidžia skylėms toliau difunduoti į n sritį. Tam, kad skylė galėtų įveikti potencialinį barjerą, reikia, kad išorinis energijos šaltinis jai suteiktų papildomą energiją. Tokio pat didumo su minusu potencialinis barjeras E0 neleidžia elektronams savaime judėti į p sritį. b)Prijungus prie n srities neigiamą, o prie p srities teigiamą potencialą, krūvininkai, veikiami išorinio lauko, juda sandūros kryptimi, ir, įgyję papildomą kinetinę energiją, “įveikia” potencialinį barjerą. Šios srities srovė ir įtampa yra vadinamos tiesioginėmis ir žymimos IF ir UF. c)Prijungus prie n srities teigiamą potencialą, o prie p srities – neigiamą, sandūroje atsiranda daugiau donorinių ir akceptorinių jonų, sustiprėja vidinis elektrinis laukas. Tai tolygu dirbtiniam potencialo barjero padidinimui. Pagrindiniai krūvininkai tik pasislenka išorinių elektrodų kryptimi, todėl sandūros zona prasiplečia, sandūra lyg pastorėja. Šalutiniai krūvininkai juda link priešingo poliarumo elektrodų. Kadangi šalutinių krūvininkų yra labai mažai, tai ir jų srovė taip pat yra labai silpna. Šios krypties srovė ir įtampa yra vadinamos atgalinėmis ir žymimos IR ir UR. Diodai. Jų pagrindinės charakteristikos. Elementas, kuriame yra viena p-n sandūra ir kuris turi du išvadus, vadinamas puslaidininkiu diodu. Lyginimo diodai (arba tiesiog diodai) sudaro didžiausią visų puslaidininkių diodų dalį. Jie yra naudojami įvairiuose lygintuvuose kintamajai srovei paversti nuolatine. Dažniausiai naudojami germanio ir silicio diodai. Tekant srovei diodu, dėl jo varžos išsiskiria tam tikras šilumos kiekis. Kuo stipresnė tiesioginė srovė ir kuo didesnis įtampos kritimas, tuo didesni nuostoliai diode. Diodų temperatūra turi būti mažesnė uz leistiną. Trumpą laiką leistinos gana stiprios srovės, nes šilumos kiekis priklauso ir nuo srovės tekėjimo laiko. Diodų srovės gali būti 50-100 kartų didesnės, jei trunka 0,1s. Diodų perkrauti negalima, nes, pakilus temperatūrai, suardoma jų puslaidininkė struktūra. Norint to išvengti, diodus reikia aušinti. Labai svarbi diodų charakteristika yra leistinoji atgalinė įtampa URmax . Tai didžiausia atgalinė įtampa, kurią pasiekus diodas dar elektriškai nepramušamas. Lygintuvai. Lygintuvų paskirtis – išlyginti kintamąją srovę, t.y. paversti ją nuolatine. Pats paprasčiausias lygintuvas yra vienfazis vienpusis lyginimo lygintuvas. Jį sudaro transformatorius ir vienas diodas VD, kuris su apkrova RL yra sujungtas nuosekliai. Retai naudojami. Taip pat yra dvipusio lyginimo lygintuvai, trifaziai ir valdomieji lygintuvai. Lygintuvai. Lygintuvas – tai yra elektrinė schema, skirta kintamos srovę pakeisti nuolatine – išlyginti kintamą srovę. Galima išskirti 2 lygintuvų grupes: klasikiniai; impulsiniai. Klasikinį lygintuvą sudaro transformatorius, skirtas gauti reikiamo dydžio kintamą įtampą, ventelis - įrenginys kuris praleidžia srovę viena kryptimi, filtrai ir srovės bei įtampos stabilizatoriai, po kurių išėjime gauname ne tik nuolatinę, bet ir pastovią srovę. čia įtampa ateina į transformatorių, iš jo išeina su tokiu pačiu dažniu, bet jau įtampa mažesnė, tada perėjus filtrą iš jo išeina jau be dažnio ta pati įtampa ir stabilizatoriuje ji yra išlyginama visai. Impulsinis – yra geresnis, bet sudėtingesnis. Čia generatorius generuoja impulsus ir po to filtrų gali būti visa eilė. Jo trūkumas, kad generuoja daug trukdžių, gali būti daug netikslumų sistemoje dėl jų. Vienfazis vienpusis lygintuvas: Vienfazis dvipusis lygintuvas: Vienpusis lygintuvas su diodų tinkleliu Lygintuvų filtrai – skirti sumažinti išlygintos U ar I pulsacijai. Jie būna: C-tipo; L-tipo; Rc-tipo; LC; CLC. C-tipo - tai lygiagrečiai varžai įjungta talpa. L-tipo - tai nuosekliai varžai dajungiama ritė 13. Dvipolis tranzistorius, lauko tranzistorius. Tranzistorius – tai stiprinimo savybėmis pasižymintis puslaidininkis elementas, kuriame yra viena ar daugiau p-n sandūrų. Paprastai tranzistorius turi tris ar daugiau išvadų.. Dvipolis tranzistorius. Tai trijų sluoksnių puslaidininkis tranzistorius, kuriame yra dvi p-n sandūros. Dvipoliai tranzistoriai gali būti sudaryti iš n-p-n arba p-n-p tvarka išdėstytų puslaidininkių. Abiejų tipų tranzistorių veikimo principas ir savybės yra tokios pat. Dvipolio tranzistoriaus vidurinis sluoksnis vadinamas baze ir turi mažai krūvininkų. Bazė yra labai plona. Vienas iš gretimų bazei sluoksnių turi daug krūvininkų. Jis gali skleisti krūvininkus į bazę, todėl vadinamas emiteriu. Iš kitos bazės pusės esantis sluoksnis, vadinamas kolektoriumi, turi vidutinį krūvininkų tankį. Tarp gretimų sluoksnių susidaro dvi p-n sandūros. Kuo daugiau krūvininkų patenka iš emiterio į bazę, tuo stipresnė bazės srovė IB, ir tuo stipresnė kolektoriaus srovė IC. Tuo būdu kolektoriaus srovė IC yra valdoma bazės srove IB. IC=f(IB) vadinama dvipolio tranzistoriaus perdavimo charakteristika. Dvipolio tranzistoriaus srovės perdavimo koeficientas β=∆IC/∆IB. Kaip ir lauko tranzistorius, dvipolis tranzistorius yra stiprinimo elementas. Jį taip pat galime laikyti valdomu netiesiniu rezistoriumi, kurio voltamperinės charakteristikos yra keičiamos, keičiant bazės srovę. Dvipolis reiškia, kad šiuo tranzistoriumi srovė teka, judant teigiamiems ir neigiamiems krūvininkams. Lauko tranzistorius. Tai toks tranzistorius, kurio srovė valdoma elektriniu lauku, t.y. keičiant valdymo elektrodo potencialą. Lauko tranzistoriuje yra viena p-n sandūra, statmena srovės tekėjimo krypčiai. Srovė gali tekėti lauko tranzistoriaus laidžiuoju kanalu, kuris esti iš n arba p tipo puslaidininkio. Elektrodas, iš kurio išteka pagrindiniai krūvininkai, yra vadinamas ištaka (S), o į kurį jie suteka – santaka (D). Valdymo elektrodas yra prijungtas prie kitokio tipo puslaidininkio nei laidusis kanalas ir vadinamas užtūra (G). Tarp G ir S susidaro p-n sandūra, kurios tiesioginę kryptį rodo sutartinio ženklo rodyklė, nukreipta iš p į n sritį. Kadangi lauko tranzistoriumi srovė teka, judant vieno poliarumo krūvininkams, jis kartais dar vadinamas vienpoliu. Perdavimo charakteristika yra tranzistoriaus srovės priklausomybės nuo valdymo įtampos: ID=f(UGS), UDS=const. Išėjimo charakteristika yra tranzistoriaus srovės priklausomybės nuo jo įtampos: ID=f(UDS), UGS=const. Lauko tranzistorių galima laikyti valdomu netiesiniu rezistoriumi, kurio voltamperines charakteristikas galima keisti, keičiant valdymo įtampą. Lauko tranzistorius yra signalą stiprinantis elektronikos elementas. Jo stiprinimą nusako perdavimo charakteristikos statumas S, esant pastoviai tranzistoriaus įtampai: S=∆ID/∆UGS, UDS=const

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!