Сегодня: 24 | 09 | 2020

Лекция Основы электронной теории

Лекция Основы электронной теории.

2.1 Атомное строение вещества. Электрон и его свойства.

2.2. Энергетические диаграммы разных веществ. Деление веществ на проводники, полупроводники, диэлектрики.

2.3. Работа выхода электронов. Виды электронной эмиссии.

2.4.Движение электронов в электрическом и магнитном полях.

Классификация Электронных, Ионных и Полупроводниковых Приборов

Электронные, ионные и полупроводниковые приборы можно классифицировать по различным признакам. Уже в самих названиях этих приборов заключена классификация их по характеру токопрохождения. Так, Электронными Называются электровакуумные приборы, в которых прохождение тока обусловлено движением электронов в вакууме; Ионными Называются приборы, в которых прохождение тока вызвано движением электронов и ионов в среде разряженного газа; Полупроводниковыми Называются приборы, в которых прохождение тока связано с движением электрических зарядов в твердом теле.

Электронные, ионные и полупроводниковые приборы можно классифицировать также по характеру преобразования энергии, по их назначению, конструктивным особенностям, эксплуатационным данным (по рабочему диапазону частот, мощности и т. д.).

Наиболее важным классификационным признаком является характер преобразования энергии, определяющий практическое применение прибора. Различают:

1. Электропреобразовательные приборы, обеспечивающие преобразование электрической энергии одного вида в электрическую энергию другого вида. К таким приборам относятся электронные, ионные и полупроводниковые выпрямительные приборы, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный; генераторные приборы, которые преобразуют постоянный ток в переменный или переменный ток одной частоту в переменный ток другой частоты.

2. Электроосветительные приборы, обеспечивающие преобразование электрической энергии в световую (лампы накаливания, газосветные лампы).

3. Фотоэлектрические приборы, преобразующие световую энергию в энергию электрического тока.

4. Электроннолучевые и Электронноскопические приборы, позволяющие осуществлять взаимное преобразование электрических сигналов и сигналов видимого изображения. Промышленность выпускает также ряд вспомогательных электронных, ионных и полупроводниковых приборов, предназначенных для стабилизации выходного напряжения или тока в нагрузке, для защиты аппаратуры от перенапряжений и т. д.

2.1. Атомное строение вещества. Электрон и его свойства.

Атом (по-гречески «неделимый») представляет собой мельчайшую частицу химического элемента, обладающую свойствами этого элемента. Все известные химические элементы приведены в таблице Д. И. Менделеева, отражающей особенности и физико-химические свойства атома.

В 1913 г. датский ученый Бор, воспользовавшись квантовой теорией излучения, введенной в науку немецким ученым Планком, предложил теорию строения атома. Теория Бора основывается на ряде предположений, сущность которых заключается в том, что атом любого химического элемента состоит из тяжелого ядра, имеющего положительный заряд (атомное ядро содержит протоны и нейтроны), вокруг которого вращаются электроны по вполне определенным устойчивым орбитам. При этом электроны не излучают энергии.

Атом содержит одинаковое число протонов и электронов. Порядковый номер элемента в таблице Менделеева соответствует числу электронов, а следовательно, и числу протонов, содержащихся в данном атоме. Размеры атома исчисляются в ангстремах (1 А = 10"8 См). Сумма положительных и отрицательных зарядов атома равна нулю, поэтому он электрически нейтрален.

Теория Бора, определяющая структуру атомов, связь между ними, способствовала раскрытию законов спектроскопии и объяснению механики лучеиспускания. Однако позднее было установлено, что законы механики Ньютона не определяют движения электронов в атоме (так как электроны имеют очень малую массу). Своеобразное движение электронов в атоме в настоящее время объясняется квантовой (волновой) механикой, которая утверждает, что законы движения электронов в атоме имеют много общего с законами распространения волн.

Из. теории квантовой механики следует, что для электронов устойчивыми являются лишь вполне определенные орбиты. Под термином «устойчивая орбита» в волновой механике понимают сферу, окружающую ядро, в которой чаще всего находится движущийся электрон. Быстро вращающийся электрон образует вокруг ядра «размазанное» облако отрицательного электрического заряда. При этом наибольшую его плотность имеет сфера, соответствующая «главному квантовому числу». Главное квантовое число определяет уровень энергии данной орбиты и ее удаленность от ядра. Так, например, шаровая сфера электрона атома водорода с главным квантовым числом, равным единице, определяется радиусом г=0,53 А (что соответствует радиусу первой орбиты по Бору).

Таким образом, в общем случае электроны, вращающиеся вокруг ядра атома, образуют ряд сферических оболочек с максимальной плотностью электрического заряда, находящихся на определенном расстоянии от ядра. На каждой оболочке атома расположено определенное число электронов, причем электроны, находящиеся на внутренних оболочках, более прочно связаны с ядром, чем электроны внешней оболочки. Под влиянием внешних факторов—воздействия электрических и магнитных полей, столкновений с другими атомами и т. д. — нейтральный атом может стать либо положительным ионом (вследствие потери электронов), либо отрицательным ионом (после присоединения электронов).

Электроны могут переходить с одной оболочки на другую, т. е. с одного энергетического уровня на другой. Для перехода электронов с оболочки, ближе расположенной к ядру, на более отдаленную оболочку необходимо затратить энергию. Когда же электрон возвращается на свою прежнюю орбиту, то, наоборот, выделяется энергия в виде электромагнитных колебаний определенной частоты. При этом излучается один квант (фотон) света. Чем больше частота излучаемого света, тем больше энергия фотона.

Электрон представляет собой элементарную отрицательно заряженную частицу. Его заряд Е = 1,6х10"19 /с, масса Т = 9,1 -10"28 Г. Отношение заряда электрона к его массе равно 1,8-108 К/г.

Никакая другая из известных в настоящее время частиц не имеет такого большого отношения заряда к массе. Поэтому электрон обладает самой большой подвижностью. При сближении двух электронов действуют силы отталкивания, причем они тем больше, чем меньше расстояние между электронами. Под действием электрического поля электроны приходят в движение в направлении, противоположном направлению силовых линий электрического поля. Поток движущихся электронов образует электрический ток. Этот поток, подобно электричёскому току в проводнике, создает магнитное поле.
Электрон в движении обладает кинетической энергией . При достаточно большой скорости движения кинетическая энергия электрона может оказаться достаточной для ионизации соседних атомов. При столкновении движущегося электрона с неподвижным телом его кинетическая энергия переходит в тепловую.

2.4.Движение электронов в электрическом и магнитном полях.

Движение электронов в твердом теле

В металлических проводниках электроны, расположенные на внешних энергетических уровнях атома (валентные электроны), легко отрываются от ядра и свободно блуждают по всей массе металла. Эти свободные электроны отличаются большой подвижностью и находятся в состоянии беспорядочного (теплового) движения, двигаясь во всевозможных направлениях со скоростями, доходящими до миллионов метров в секунду.

Число свободных электронов в единице объема металла равно числу атомов в единице объема, умноженному на валентность данного металла. В одном кубическом сантиметре металла содержится n • 1023 свободных электронов (п — валентность металла).

Кристаллическая решетка металла построена из ионов, тепловое движение которых проявляется в небольших колебаниях вокруг положений равновесия. С увеличением температуры тепловые колебания ионов усиливаются и амплитуды их колебаний увеличиваются. Наоборот, с понижением температуры тепловые колебания уменьшаются.

Электрический ток в металле возникает вследствие направленного упорядоченного движения свободных электронов под воздействием электрического поля. Положительные ионы, имеющие большую массу, в этом направленном движении не участвуют, и, следовательно, прохождение тока в проводнике не сопровождается переносом вещества проводника.

Увеличение скорости направленного движения электронов в металле может быть достигнуто за счет увеличения напряженности электрического поля. Однако средняя скорость направленного движения электронов много меньше тепловой скорости хаотического их движения и оценивается десятыми долями метра в секунду. Быстрое возникновение тока в линиях большой протяженности объясняется большой скоростью распространения электрического поля, которое мгновенно приводит в движение свободные электроны по всей линии передачи. Количество свободных электронов определяет электрические свойства металла. Чем больше свободных электронов, тем больше удельная электропроводность — величина, обратная удельному сопротивлению.

Движение электронов в электрическом и магнитном полях

Если два плоских, параллельно расположенных электрода поместить в вакуум и подключить к источнику электродвижущей силы, то в пространстве между электродами образуется электрическое поле, силовые линии которого будут прямолинейны, параллельны друг другу и перпендикулярны к поверхностям обоих электродов.

На рис. 1 буквой А Обозначен электрод, подключенный к «+» батареи ЕБ, А буквой К — электрод, подключенный к «—» батареи ЕБ. Если в такое электрическое поле поместить заряд —Е, Не меняющий конфигурации поля, то на этот заряд будет действовать сила Р> Равная произведению напряженности поля Е На величину заряда —Е:

F = —еЕ. (1)

Знак минус свидетельствует о том, что сила F, Действующая на отрицательный заряд —е, И напряженность поля Е Имеют противоположные направления.

Для однородного электрического поля произведение его напряженности Е На расстояние между электродами H равно приложенной разности потенциалов между электродами:

Еh=UК—Uа,

Где UК и Uа потенциалы электродов к и а.

Тогда

Сила F, Действующая на электрон, помещенный в ускоряющее однородное электрическое поле, с учетом формулы (1) будет определяться выражением

(2)

Рис.1. Движение электрона в однородном электрическом поле.

Работа, совершаемая полем при перемещении электрона от одного электрода к другому, соответственно будет равна

А = Fh = е(Ua - Uk). (3)

Электрон приобретает кинетическую энергию и будет двигаться от электрода К К электроду а равномерно ускоренно. Скорость V, С которой электрон достигает электрода а, может быть определена из равенства

Откуда

Где Т — масса электрона;
vа — скорость электрона у электрода А;
VК — скорость электрона у электрода К (начальная скорость).