Эрл Гейтс - Введение в электронику

• Изоляторы — это материалы с высоким сопротивлением.

• Сопротивление измеряется в омах (Ом).

• Для обозначения омов используется греческая буква омега (Ω).

Глава 1. САМОПРОВЕРКА

1. Каким критериям должен удовлетворять атом хорошего проводника?

2. Что определяет принадлежность материала к проводникам, полупроводникам или изоляторам.

3. Почему важно понимание связи между проводниками, полупроводниками и изоляторами?

4. Объясните разницу между током, напряжением и сопротивлением.

5. Опишите, как определяется сопротивление материала.

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Сформулировать два закона электростатических зарядов.

• Дать определение кулона .

• Дать определение единицы, используемой для измерения тока.

• Записать формулу, связывающую амперы, кулоны и время.

• Описать, как протекает ток в цепи.

• Описать, как электроны перемещаются по проводнику.

• Определять и использовать научные обозначения .

• Знать обычно используемые префиксы для степеней десяти.

Атом был определен как наименьшая частица элемента. Он состоит из электронов, протонов и нейтронов.

Электроны отрываются от атомов и перемещаются по проводнику, образуя электрический ток.

В этой главе рассматривается, как электроны отрываются от атомов для образования электрического тока, и вводится краткая математическая запись, позволяющая работать с очень малыми и очень большими числами.

Два электрона вместе или два протона вместе представляют собой одноименные заряды. Подобные заряды сопротивляются сближению и стремятся удалиться друг от друга. Процесс называется отталкиванием . Первый закон взаимодействия электростатических зарядов гласит: одноименные заряды отталкиваются друг от друга (рис. 2–1).

Рис. 2–1. Основные законы взаимодействия электростатических зарядов.

Согласно второму закону взаимодействия электростатических зарядов, разноименные заряды притягиваются друг к другу.

Отрицательные электроны притягиваются к положительным протонам в ядре атома. Эта сила притяжения уравновешивается центростремительной силой, обусловленной вращением электронов вокруг ядра. В результате электрон остается на орбите и не падает на ядро.

Величина сил притяжения и отталкивания, действующих между двумя электрически заряженными телами, зависит от двух, факторов: их зарядов и расстояния между ними.

Отдельный электрон имеет заряд, который слишком мал для практического использования. Для измерения заряда принята единица, называемая кулоном(Кл), которая названа в честь Шарля Кулона. Электрический заряд (Q) 6 280 000 000 000 000 000 электронов (шесть квинтиллионов 280 квадриллионов или 6,28 х 10 18) составляет один кулон .

1 Кл = 6,28 х 10 18электронов

Электрические заряды создаются смещением электронов. Когда имеет место избыток электронов в одной точке и дефицит электронов в другой точке, между этими точками существует разность потенциалов. Когда существует разность потенциалов между двумя заряженными телами, соединенными проводником, электроны будут течь по проводнику. Этот поток электронов называется током.

2–1. Вопросы

1. О чем говорят два закона взаимодействия электрических зарядов?

2. Как обозначается электрический заряд?

3. Дайте определение кулона.

Электрический ток представляет собой медленный дрейф электронов из области отрицательного заряда в область положительного заряда. Для измерения силы тока используется ампер(А). Эта единица названа в честь французского физика Андре Мари Ампера (1775–1836). Ампер представляет силу тока в проводнике, когда заряд в один кулон перемещается через заданную точку за одну секунду. Соотношение между ампером и кулоном за секунду выражается формулой:

I= Q/ t

где I — сила тока в амперах, Q — величина электрического заряда в кулонах, t — время в секундах.

ПРИМЕР. Чему равна сила тока в амперах, если через точку в электрической цепи прошло 9 кулон заряда за 3 секунды?

Дано:

Q = 9 Кл; t = 3 с

I =?

Решение:

I = Q / t = 9/3 = 3; I = 3 А

ПРИМЕР. По цепи течет ток 5 ампер. Сколько времени займет прохождение 1 кулона заряда через данную точку цепи?

Дано:

I = 5 А; Q = 1 K;

t =?

Решение:

I = Q / t ; 5 = 1/ t ; 1/5 = t ; 0,2 секунды = t

Отрицательно заряженные электроны, как правило, являются носителями заряда в электрической цепи. Следовательно, электрический ток — это поток отрицательных зарядов. Принято считать, что направление тока противоположно направлению потока электронов. Позднее было установлено, что при перемещении электрона от одного атома к другому создаются положительные заряды, называемые дырками, которые перемещаются в противоположном направлении (рис. 2–2, 2–3). Электроны и ток при этом остаются такими же.

Рис. 2–2. Когда электроны перемещаются от одного атома к другому, они вызывают появление противоположно движущихся положительных зарядов, называемых дырками.

Рис. 2–3. Направление движения электронов противоположно направлению движения дырок.

Если электроны добавляются на одном конце проводника и берутся для этого с другого конца, то по проводнику течет ток. По мере своего медленного перемещения по проводнику свободные электроны сталкиваются с атомами, освобождая при этом другие электроны. Эти новые свободные электроны перемещаются по направлению к положительно заряженному концу проводника и сталкиваются с другими атомами. Дрейф электронов от отрицательно заряженного конца проводника к положительному происходит вследствие отталкивания зарядов. Кроме того, положительно заряженный конец проводника с дефицитом электронов притягивает электроны как противоположные по знаку заряды.

Дрейф электронов происходит медленно (примерно три миллиметра в секунду), но отдельные электроны, сталкиваясь с атомами, освобождают электроны, движущиеся почти со скоростью света (2,99х10 8метров). Представим себе длинную трубу, заполненную шариками для пинг-понга (рис. 2–4).