Измерение мощности в трехфазных цепях 1 страница

Мощность симметричной трехфазной цепи находят как утроенную мощность одной фазы. Измерение мощ­ности одной фазы осуществляется ваттметром, вклю­ченным по схемам рис. 11.11 при соединении нагрузки звездой (рис. 11.11, а) и треугольником (рис. 11.11,6).

Если нулевая точка звезды или ветви треугольника недоступны для непосредственного подключения при­боров, то образуют искусственную нулевую точку, как показано на рис. 11.12. При этом необходимо, чтобы каждое из сопротивлений R_v было равно сопротивле­нию вольтметровой обмотки ваттметра.

Для измерения мощности несимметричной трехфаз­ной цепи используется метод двух ваттметров.

Для доказательства этого метода выразим мощ­ность трехпроводной трехфазной цепи через линейные токи и напряжения.

При соединении звездой без нулевого провода сум­ма линейных токов равна нулю: i_A + i_B + i_c = 0, или i_с= — i_A — i_B. Подставив выражение для тока i_С в фор­мулу мощности трехфазной цепи

Р = u_Ai_A + u_Bi_B + и_сi_c

получим

Р = u_Ai_A + u_Bi_B + и_с(— i_A — i_B) = (и _A — u_c)i_A + (и_в — u_c)i_B = u_ACi_A + u_BCi_B.

Присоединении треугольником сумма фазных (ли­нейных) напряжений равна нулю: и_АВ+и_ВC+и_СА=0 или и_АВ =-и_ВC-и_СА Подставив выражение для на­пряжения и_АВ в формулу мощности

Р = u_ABi_AB + u_BCi_BC + u_CAi_CA,

найдем

р = и_ВC (i_BC- i_AB) + u_CA(i_CA — i_AB) = u_BCi_B + и_СА(— i_A)=u_ACi_A+u_BCi_B.

Полученным результатам соответствует схема включения двух ваттметров, показанная на рис. 11.13. Мощность несимметричной трехфазной цепи находят как сумму показаний этих ваттметров. В некоторых случаях (это зависит от характера нагрузки) стрелка одного из ваттметров будет оклоняться влево, за нуль шкалы. Тогда необходимо изменить направление тока в одной из обмоток этого ваттметра и отсчитать его показания. При этом мощность цепи находят как раз­ность показаний ваттметров.

Мощность четырехпроводной трехфазной цепи из­меряют тремя ваттметрами (рис. 11.14) и подсчиты­вают как сумму их показаний.

Имеются также специальные ваттметры, в которых два (для трехпроводной цепи) или три (для четырех­проводной цепи) измерительных механизма действуют на одну ось. Эти механизмы расположены в одном корпусе. По шкале ваттметра отсчитывают непосред­ственно мощность трехфазной цепи.

Оглавление

§ 10.14. ИНДУКЦИОННЫЙ СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ. УЧЕТ ЭНЕРГИИ В ОДНОФАЗНЫХ И ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЯХ

Для подсчета количества электрической энергии, поступившей к потребителю за определенное время, служат электрические счетчики. В цепях переменного тока наибольшее распространение получили индукцион­ные счетчики.

Устройство индукционного счетчика показано на рис. 11.15. Многовитковая обмотка электромагнита 2 (обмотка напряжения) подсоединена параллельно по­требителю (нагрузке). Последовательно с нагрузкой включена обмотка электромагнита 1—3, состоящая из нескольких витков (токовая обмотка). Поскольку ин­дуктивность катушки пропорциональна квадрату числа витков, можно считать, что индуктивность обмотки напряжения значительно больше индуктивности токо­вой обмотки. Поэтому ток и совпадающий с ним по фазе магнитный поток электромагнита 2 отстают по фазе от тока и магнитного потока электромагнита 1—3 на угол, близкий к 90° (рис. 11.16).

Рассмотрим, как изменяются во времени магнитные потоки на участках 1, 2, 3 (рис. 11.17). Магнитный поток, входящий в диск сверху, пометим буквой N, а снизу — буквой S. В момент времени t = 0 магнитный поток Ф₁ равен нулю, а магнитный поток Ф_U отрицате­лен (рис. 11.16), поэтому участки 1 и 3 (рис. 11.17) помечаем цифрой 0, а участок 2 — буквой S. В момент времени t₁ магнитный поток Ф_; положителен, а поток Ф_U = 0, поэтому участок 1 поме­чаем буквой N, участок 2— циф­рой 0, а участок 3 — буквой S. Проведя аналогичные рассужде­ния для последовательных значе­ний времени t₂, t₃, t₄, проставим буквы на рис. 11.17. Из рис. 11.17 видно, что северный полюс маг­нитного поля последовательно смещается от участка 1 к участ­кам 2 и 3, также последовательно смещается и южный полюс.

Рассмотренное магнитное поле, образованное наложением магнит­ных полей двух электромагнитов, называется бегу­щим. Бегущее магнитное поле индуцирует в диске токи, которые, взаимодействуя с полем, создают меха­ническую силу. Сила в соответствии с правилом Ленца стремится устранить причину, ее вызывающую. Она раскручивает диск в направлении бегущего поля. Теоретические выкладки показывают, что при опре­деленных условиях вращающий момент пропорцио­нален мощности:

М_вр = k₁UIcosφ = k₁P.

Тормозной момент, создаваемый вихревыми тока­ми, которые индуцируются в диске постоянным маг­нитом М (см. рис. 11.15), пропорционален частоте вращения диска п:

М_T = k₂п.

В установившемся режиме М_вр = М_T, откуда k₁P = k₂n.

Следовательно,

Р = kп,

где k = k₂/ k₁.

Умножим левую и правую части последнего ра­венства на время t:

Pt = k n t,

где Pt=A — потребляемая энергия; nt = N — суммар­ное число оборотов диска за время t. Таким образом,

A= k N,

т. е. потребляемая энергия пропорциональна числу оборотов диска, и шкалу счетного механизма можно градуировать в единицах энергии (кВт∙ч).

Принципиальная схема включения счетчика в одно­фазную цепь не отмечается от схемы включения ват­тметра (рис. 11.18). Практическая схема включения однофазного счетчика представлена на рис. 11.19.

Схемы включения индукционных счетчиков для из­мерения энергии в цепях трехфазного тока аналогичны рассмотренным схемам включения ваттметров. В боль­шинстве случаев для учета энергии в трехфазных цепях пользуются трехфазными счетчиками.

В трехпроводных трехфазных цепях используются счетчики с двумя измерительными механизмами, раз­мешенными в одном корпусе и связанными общей осью. В счетчиках для измерения энергии в четырех-проводных трехфазных цепях с общей осью связаны три измерительных механизма.

Ваттметры и счетчики обычно служат для измере­ния активных мощности и энергии. Включенные по специальным схемам, они применяются для измерения реактивных мощности и энергии. Выпускаются также специальные реактивные ваттметры и счетчики.

Оглавление

§ 10.15. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Неизвестное сопротивление R_x можно найти, ис­пользуя закон Ома, если известны ток I, проходящий через сопротивление, и напряжение U на его зажи­мах:

R_x= U/I.

На рис. 11.20 изображена схема для измерения сопротивлений с использованием закона Ома.

Сопротивление R_изм, подсчитанное по показаниям приборов, будет отличаться от действительного R_x:

Из этого выражения следует, что схема рис. 11.20 пригодна для измерения больших сопротивлений, когда R_х>>R_A.

Для измерения малых сопротивлений измеритель­ные приборы необходимо включать по схеме рис. 11.21 В этом случае

Из формулы следует, что измерение будет тем точ­нее, чем сильнее неравенство R_X<<R_V.

Широкое применение для измерения сопротивлений находят специальные приборы — омметры. Принци­пиальная схема омметра изображена на рис. 11.22. Обозначения на рисунке: Е — батарея гальванических элементов; И — измеритель тока магнитоэлектричес­кой системы; R_oгр — ограничительный резистор. Резис­тор R_x включается между клеммами а и Ь. При изме­рениях ключ К разомкнут.

На основании закона Ома можно написать

При постоянных значениях Е и R_oгр ток в цепи I зависит только от сопротивления R_x поэтому измери­тель тока может быть отградуирован непосредственно в единицах сопротивления — омах. Шкала прибора обратная: нулевое деление расположено справа; по мере увеличения сопротивления R_x и уменьшения тока I стрелка прибора отклоняется влево. Резистор R_огр служит для предохранил измерителя от перегрузок и для установки омметра на нуль. Перед измерением следует замкнуть ключ К (установить R_x = 0) и, регу­лируя R_oгр ручкой, выведенной на переднюю панель прибора, установить стрелку измерителя на нуль. За­тем ключ К следует разомкнуть. Если в схеме прибора ключ К не предусмотрен, то при установке измерителя на нуль зажимы а и b нужно замкнуть накоротко тол­стым проводом.

Разновидностью омметров являются мегаомметры. Они предназначены для измерения больших сопротив­лений, например сопротивлений изоляции проводов. Вместо гальванической батареи в них устанавливает­ся динамомашина с ручным приводом, вырабатываю­щая напряжение 500 В при частоте вращения ручки около 90 об/мин. Внешний вид мегаомметра показан на рис. 11.23.

Характер повреждения обесточенной электрической сети можно выявить, проверив отдельные линии сети с помощью мегаомметра. Если провод оборван, то ме-гаомметр покажет очень большое сопротивление изо­ляции (порядка 10⁶— 10⁷ Ом). При коротком замыка­нии линии показания мегаомметра будут близки к ну­лю. В нормальной линии мегаомметр покажет сопро­тивление нагрузки.

Качество изоляции характеризуется ее электричес­ким сопротивлением и электрической прочностью. Для измерения сопротивления изоляции сети применяют мегаомметры с высоким напряжением (порядка 500 В и выше), что позволяет не только измерить соп­ротивление изоляции, но одновременно проверить ее электрическую прочность.

Перед проверкой изоляции сети какого-либо объ­екта (например, корабля) необходимо полностью обес­точить сеть, выключить генераторы, аккумуляторы и отключить провода и штепсельные разъемы от всех потребителей электроэнергии так, чтобы электрическая сеть была полностью изолирована от корпуса. Кон­денсаторы также надо отключить от сети во избежа­ние пробоя их высоким напряжением мегомметра.

Сопротивление изоляции всей сети относительно корпуса корабля в значительной степени зависит от условий эксплуатации и влияния внешней среды (влажность, загрязнение, температура, срок службы). При всех условиях это сопротивление, измеренное мегаомметром, не должно быть ниже 3- 10⁵ Ом.

Оглавление

§ 10.16. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ МОСТА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Для точных измерений сопротивлений в лаборатор­ных условиях широкое применение находят мосты пос­тоянного тока. Мостовая схема изображена на рис. 4.24. Сопротивления R₁, R₂, R₃, R₄ называются п л е чами моста, а ветви, включен­ные между точками ab и cd,— д и агоналями. В диагональ ab включен источник питания с пос­тоянным напряжением U, в диа­гональ cd — измерительный при­бор (обычно гальванометр магни­тоэлектрической системы).

Мост называется уравнове­шенным, если потенциалы точек с и d равны между собой при под­ключенном источнике питания. Равновесие моста определяется по гальванометру: при φ_c =φ_d ток в измерительной диагонали отсутствует и стрелка гальванометра стоит на нуле.

Для уравновешенного моста справедливы следую­щие соотношения:

I₁R₁ = I₃R₃; I₂R₂= I₄R₄

I₁=I₂; I₃ = I₄.

Разделив почленно первое уравнение на второе, получим

Таким образом, в уравновешенном мосту произве­дения сопротивлений противоположных плеч равны между собой:

R₁R₄ = R₂R_3.

Если плечи R₁, R₂, R₃ образованы магазинами сопротивлений, а плечо R₄ = R_X — неизвестным изме­ряемым сопротивлением, то, получив равновесие моста за счет изменения R_t, R₂ или R₃ и отсчитав эти сопро­тивления, неизвестное сопротивление подсчитывают по формуле

Уравновешенный мост позволяет измерять сопро­тивления с большой точностью.

Оглавление

§ 10.17. Магнитоэлектрический осциллограф

Осциллографы предназначены для исследования быстропротекающих процессов.

Рассмотрим устройство и принцип действия магни­тоэлектрического осциллографа, с помощью которого осуществляется запись процессов на фотопленку.

Конструктивно магнитоэлектрические осциллогра­фы выполняются различным образом, но в любом из них можно выделить следующие основные узлы: измерительный элемент (вибратор), светооптическое устройство, устройство для фотографирования и на­блюдения исследуемых процессов.

Вибратор представляет собой магнитоэлектриче­ский измеритель тока. Его работа основана на взаимо­действии контура с током (шлейфа) и магнитного поля постоянного магнита.

Конструкция магнитоэлектрического вибратора показана на рис. 11.25. В воздушном зазоре подко­вообразного магнита 1 расположена петля 2, которая опирается на изолирующие призмы 3. Натяжение петли осуществляется пружиной 4. К средней части петли приклеено зеркальце 5.

При прохождении по петле измеряемого тока воз­никает вращающий момент. Противодействующий момент при малых углах закручивания петли пропор­ционален углу поворота зеркальца. Для получения оптимального демпфирующего момента вибратор помещают в герметический корпус и заливают жид­костью требуемой вязкости.

Для измерения угла отклонения зеркальца вибра­тора служит светооптическое устройство, принци­пиальная схема которого изображена на рис. 11.26. Свет лампы 1 через конденсор 2 и диафрагму 3 с помощью призмы 4 узким пучком отбрасывается на зеркальце вибратора 5. Отраженный от зеркальца пучок лучей призмой 8 делится на две части. Одна часть пучка с помощью зеркального барабана 9 на­правляется на матовый экран 10 для визуального наблюдения, другая часть фокусируется цилиндри­ческой линзой 6 на поверхность фотопленки или фото­бумаги, намотанной на барабан 7.

Вследствие значительной длины отраженного луча небольшие колебания зеркальца вибратора вызывают значительные перемещения конца луча на матовом экране и на поверхности светочувствительного мате­риала.

Зеркальный барабан и матовый экран позволяют получить неподвижный светящийся график иссле­дуемого периодического процесса. Кроме того, как периодический, так и непериодический процессы могут быть записаны в виде осциллограммы на светочувст­вительном материале.

Зеркальный барабан 9 и барабан 7 приводится от специального электродвигателя. Изменяя частоту вращения электродвигателя, можно менять масштаб времени на осциллограмме.

Оглавление

ГЛАВА 11

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

§ 11.1. АТОМЫ

Элементы отличаются друг от друга строением ато­мов. Каждому элементу или его изотопу соответствует свой атом.

Основы современных представлений об атомах были заложены в начале XX в. Выдающуюся роль в изучении структуры и свойств этих «кирпичиков» вещества сыграли Резерфорд, Бор, Шредингер.

Одни из свойств атомов рассматриваются как дан­ные эксперимента, другие могут быть объяснены и выведены как следствия более фундаментальных свойств материи.

Не останавливаясь на выводах и доказательствах, перечислим известные из курса физики свойства ато­мов. Вспомнить эти свойства необходимо для пони­мания сущности физических процессов в полупровод­никах.

Микромир отличается от макромира не только количественно, но и качественно. Как правило, объек­там и процессам микромира не удается придать адек­ватные образы окружающего нас макромира. Но на­глядная интерпретация теоретических и эксперимен­тальных результатов столь существенно помогает их осмысливанию, что ученые всегда стремятся создать из привычных человеку элементов макромира некото­рые модели, хотя бы приближенно соответствующие объектам микромира. С развитием науки научные модели не отбрасываются, они уточняются, совершен­ствуются и, к сожалению, обычно усложняются Поэтому при изучении тех или иных разделов электро­техники и электроники важно выбрать такие модели молекул, атомов и элементарных частиц, которые сохраняя возможную простоту и наглядность, отража­ли бы все существенные для изучаемой области науки отношения между элементарными частицами.

Говоря о частицах или волновых процессах микро­мира, следует понимать, что речь идет не об элемен­тарных шариках или кусочках вещества, не об элект­ромагнитных колебаниях, с помощью которых осу­ществляется, например, радиосвязь, а о некоторых свойствах микромира, которые можно описать пове­дением корпускул или волновой функцией.

Как волны на поверхности пруда, разбегающиеся от брошенного камня, не обладают всеми свойствами звуковых или сейсмических волн, а звуковые волны — свойствами электромагнитных волн, точно так же и электромагнитные волны не отражают всех свойств волновых процессов, связанных с элементарными час­тицами.

Согласно планетарной модели, атом состоит из ядра и электронов, движущихся вокруг ядра по круговым или эллиптическим орбитам.

За атомную единицу массы, примерно рав­ную массе атома водорода, принято значение, близ­кое к 1,66-10^-27 кг.

Массы других атомов выражают через атомную единицу массы. Округленное до целого значения чис­ло, показывающее, сколько атомных единиц массы содержится в массе атома, называется атомным числом этого атома и обозначается буквой А. Атом­ное число водорода равно 1. Атомные числа других элементов больше единицы, например для одного из двух изотопов урана A = 238, а для курчатовия А= =260.

Суммарная масса электронов, движущихся вокруг ядра, составляет несколько десятитысячных долей массы атома. Поэтому практически масса атома равна массе его ядра.

Радиус R_я ядра атома может быть приближенно определен по эмпирической формуле

Следовательно, радиус ядра атома водорода (ра­диус протона) равен 1,5-10 м, а радиус ядра атома, алюминия (A =27) — в три раза больше.

Если представить электрон в виде шарика, то можно показать, что его радиус примерно в два раза больше радиуса протона.

Размеры атома можно определить как геометриче­ское место наиболее удаленных от ядра точек, в ко­торых обнаруживаются электроны, принадлежащие атому. Размеры атома зависят не только от его при­надлежности к тому или иному элементу, но и от со­стояния (возбужден, ионизован, изолирован или вхо­дит в состав молекулы и т. д.). Радиус атома водо­рода имеет порядок 10^-10 м. Таким образом, размеры атома примерно в 10⁵, а его объем в 10¹⁵ раз пре­вышают размеры и объем составляющих атом частиц.

Природа двух форм существования материи: элект­ромагнитного поля и вещества — двойственна, проти­воречива. В ней диалектически соединены противо­положные свойства: волновые и корпускулярные Волновые свойства электромагнитного поля отчетли­вее проявляются с уменьшением частоты колебаний корпускулярные — с увеличением частоты.

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль по­стулировал положение (в дальнейшем подтвержденное всем опытом физики) о том, что с каждой движущей­ся массой вещества связан особый волновой процесс а длина волны А, определяется соотношением

где h — постоянная Планка; т — масса; v — скорость движения.

Постоянная Планка, через которую определяется квант энергии, Л = 6,62∙10^-34 Дж-с = 6,62∙10^-34 кг∙м²/с.

Волновой процесс, связанный с макроскопическим телом, обнаружить нельзя, потому что, например, дли­на волны де Бройля для пули массой 10 г, летящей со скоростью 1000 м/с,

Такая длина волны лежит далеко за пределами возможностей методов измерений или наблюдений.

Однако с уменьшением массы длина волны воз­растает и массам элементарных частиц соответствуют волны де Бройля, длина которых соизмерима с раз­мерами атомов. Так, длина волны электрона состав­ляет несколько ангстрем.

Волны де Бройля существенно ограничивают под­вижность электронов в атомах. Установлено, что элек­трон может двигаться только по такой орбите, вдоль которой укладывается целое число его волн. Осталь­ные орбиты для электрона запрещены.

В изолированном атоме с одним электроном ско­рость движения электрона по разрешенной ор­бите устанавливается такой, при которой центро­бежная сила уравновешивает силу притяжения отри­цательно заряженного электрона к положительно за­ряженному ядру. Каждой разрешенной орбите соот­ветствует своя скорость и, следовательно, своя кине­тическая энергия электрона.

Установлено, что, двигаясь по разрешенной орби­те электрон не расходует (не излучает) энергии. В' противном случае, излучая энергию, электрон по спирали упал бы на ядро. Отсутствие излучения на разрешенных орбитах — особенность микромира, не имеющая аналогов и необъяснимая на основании из­вестных законов макромира.

Под действием внешних факторов или спонтанно (самопроизвольно) электрон может переходить с одной разрешенной орбиты на другую. Чтобы перейти с низкой орбиты на более высокую, электрон должен получить порцию (квант) энергии, строго равную раз­ности его энергий для двух разрешенных орбит. Такая энергия доставляется атомам главным образом световыми, ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, а также при тепловых столкновениях атомов.

Атом, поглотивший один или несколько квантов лу­чистой энергии, называется возбужденным. Иногда поглощенная энергия столь велика, что элект­рон переходит на очень удаленную орбиту и практи­чески отрывается от атома. Такой атом называется ионизированным.

Через некоторое время ионизированный атом за­хватывает встретившийся ему свободный электрон и становится нейтральным. Возбужденный атом само­произвольно переходит в нормальное состояние, т. е. электрон, находившийся в состоянии с более высокой энергией, переходит в основное или какое-либо дру­гое разрешенное состояние, имеющее меньшую потен­циальную энергию. При этом атом излучает квант энергии, равный разности энергий электрона на этих Двух орбитах. Энергия электрона, не связанного в атоме (свободного), считается равной нулю.

Так как при возвращений электрона на одну из разрешенных орбит атом излучает квант энергии, то энергия связи электрона в атоме становится отрица­тельной. Атом, находящийся в нормальном (не воз­бужденном) состоянии, излучать энергию не способен, он может только ее поглощать.

Оглавление

11.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ И ЗОНЫ

Полная энергия электронов, равная сумме его кинетической (движения по орбите) и потенциальной (притяжения к ядру) энергий, называется энерге­тическим состоянием атома. Каждой раз­решенной орбите соответствует свое энергетическое состояние, которое на диаграмме представляют в виде энергетического уровня. Так как орбиты и их энергии делятся на разрешенные и запрещенные, то и энер­гетические уровни могут быть также разрешенными и запрещенными. Разрешенные уровни изолированного атома водорода имеют следующие значения энергий: при n=1Е₁=-13,53 эВ; при n = 2Е₂=-3,38 эВ; при п=3Ез=-1,5 эВ и т. д. Здесь п — порядковый номер разрешенной орбиты начиная от ближайшей к ядру. Энергия электрона £ выражена в электрон-вольтах. Электрон-вольт — это энергия, которую приобретает электрон, разгоняясь в электрическом поле с разно­стью потенциалов в 1 В.

Видно, что с увеличением номера орбиты абсолют­ное значение энергии уменьшается, т. е. энергетиче­ский уровень атома возрастает (так как энергия связи электрона в атоме отрицательна).

Радиус ближайшей к ядру (первой) орбиты элект­рона в атоме водорода r₁ =0,529∙10^{-10 м. Радиусы других разрешенных орбит связаны с} r₁ простым соот­ношением r_n= n ² r₁.

Энергия электрона на первой орбите связана с энергией электрона на других орбитах формулой Е_п = Е₁/п²

Величина п принимает только положительные це­лые значения: п = 1, 2, 3,.... Ей придавали смысл номера разрешенной орбиты (рис. 16.1), номера энер­гетического уровня (рис. 16.2), но следует иметь в виду, что в общем случае п характеризует некоторое свойство дискретности (квантованности) процессов и характеристик атома, не имеющее точных аналогов в макромире. Величину п называют главным кван­товым числом и используют для описания диск­ретных свойств микромира.

Картина существенно усложняется, если обратить­ся к атомам, содержащим несколько электронов. В этом случае при подсчете энергии электрона надо Учитывать не только его взаимодействие с ядром, но и взаимодействие с другими электронами. Разреше­ний энергетический уровень, характеризуемый главным квантовым числом п, расщепляется на ряд близ ко расположенных подуровней. Еще сложнее энергетическая картина многоэлектронного атома входящего в состав молекулы или расположенного в узле кристаллической решетки. Взаимодействие атомов в решетке приводит к тому, что их энергети­ческие уровни расщепляются на большое количество почти сливающихся подуровней, образующих энер­гетические зоны. Энергетическая зона, запол­ненная подуровнями, тем шире, чем ближе расположены атомы и чем выше энергетический уровень (рис. 16.3). Сохраняя единство тер­минологии, будем говорить о раз­решенных и запрещенных энергетических зонах. Всегда суще­ствует некоторая, не равная нулю, вероятность того, что энергия элект­рона совпадает с подуровнем одной из разрешенных энергетических зон.

Вероятность «пребывания» элек­трона в запрещенной зоне равна, нулю.

Оглавление

§ 11.3. ПРОВОДНИКИ, ИЗОЛЯТОРЫ и ПОЛУПРОВОДНИКИ

Разрешенные энергетические зоны кристаллов со­стоят из большого количества близких друг к другу подуровней. Количество таких подуровней в несколь­ко раз превышает количество атомов в кристалле, число которых достигает 10²³ в одном кубическом сантиметре. Если ширину разрешенной зоны разде­лить на количество подуровней, то окажется, что раз­ница в энергии подуровней имеет порядок 10~²³ _ЭВ Если к кристаллу приложена разность потенциалов электроны под действием внешнего напряжения раз' гоняются в направлении к плюсу источника электро­питания, приобретают дополнительную энергию и переходят на более высокие энергетические уровни Направленное движение электронов — это электри­ческий ток. Поэтому, казалось бы, все твердые тела должны быть хорошими проводниками электри­чества.

В действительности же это не так. В микромире существует ряд запретов, механизм которых не ясен, но само существование подтверждено опытом. Один из таких запретов, названный по имени его открыва­теля принципом Паули, устанавливает, что на любом энергетическом уровне одновременно может на­ходиться не более двух электронов, отличающихся моментами импульса или спинами. В силу принципа минимизации энергии системы электроны стремятся занять низшие энергетические уровни, излучив кван­ты избыточной энергии.

Дата добавления: 2017-01-13