Отличие пассивных компонентов от активных

Введение. Немного теории

Рисунок 1 - Модель атома по Резерфорду

Модель строения атома предложил еще в 1911 г. английский физик Эрнст Резерфорд (это так называемая планетарная или ядерная модель). Атом, по Резерфорду, это своеобразная модель Солнечной системы – в центре находится тяжелое положительно заряженное ядро, вокруг которого подобно планетам вокруг Солнца, вращаются отрицательно заряженные электроны. Датский ученый Нильс Бор усовершенствовал планетарную модель атома. Он высказал суждение, что электроны движутся не по любым орбитам, а по определенным. При этом, согласно Бору, электронные орбиты могут быть сгруппированы в отдельные электронные оболочки.

По современным данным электрон в атоме не имеет траектории. Различные положения его рассматриваются как электронное облако с определенной плотностью отрицательного заряда. Максимальная плотность отвечает наибольшей вероятности нахождения электрона в данной части атомного пространства. Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью (вместо существовавшего ранее термина орбита).

Орбитали атома имеют разные размеры. Электроны, которые движутся в орбиталях близкого размера, образуют электронные слои. Электронные слои называют также энергетическими уровнями. Энергетические уровни нумеруют, начиная от ядра цифрами – 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 или обозначают буквами – K, Z, M, N, O, P, Q. Наибольшее число электронов на энергетическом уровне равно удвоенному квадрату номера уровня – N = 2n 2. Целое число n, обозначающее номер уровня, называется главным квантовым числом. В соответствии с этим уравнением на 1-м, ближайшим к ядру энергетическом уровне, может находиться не более 2-х электронов, на 2-м уровне – не более 8, на 3-м уровне – не более 18, на 4-м уровне – не более 32 электронов и т.д.

Энергетические уровни подразделяются на подуровни, число подуровней равно значению главного квантового числа, но не превышает 4-х подуровней. Подуровни обозначают латинскими буквами – s, p, d, f.

Между ядром и электронами существуют силы притяжения. Наиболее прочная связь электронов с ядром наблюдается у электронов на К-уровне, так углерода энергия связи электронов составляет 280 эВ, стронция – 16 кэВ, цезия – 36 кэВ, урана – 280 кэВ. Чем на более удаленном от ядра энергетическом уровне находится электрон, тем меньше энергия связи его с ядром. На внешних энергетических уровнях энергия связи электронов не превышает 1-2 эВ. Поэтому электроны внешних энергетических уровней более подвержены воздействию излучений низкой энергии.

В 1932г. после открытия протона и нейтрона учеными Д.Д. Иваненко (СССР) и В. Гейзенберг (Германия) была выдвинута протонно-нейтронная модель ядра атома.

Рисунок 2 - Строение ядра атома

Согласно этой модели:- ядра всех химических элементов состоят из нуклонов: протонов и нейтронов

- заряд ядра обусловлен только протонами

- число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента

- число нейтронов равно разности между массовым числом и числом протонов (N=A-Z)

Электроны и протоны имеют равные, но противоположные по знаку электрические заряды: у электронов отрицательные, а у протонов — положительные. Противоположные заряды всегда притягиваются друг к другу.

Протоны относительно статичны, электроны очень подвижны.

Электрический ток представляет собой не что иное, как направленное движение электронов в проводнике.

В качестве проводников может выступать множество материалов, но одни из них хорошо проводят электрический ток, другие хуже. Электроны передвигаются значительно легче по металлам, чем по пластику. В металле электроны вольны двигаться, куда захотят.

Обычно в качестве проводников используют медь и алюминий (чаще — медь). А в качестве изоляторов, как правило, выступают пластмасса и стекло.

Мерой способности электронов перемещаться по материалу служит сопротивление. Медный провод большого диаметра имеет меньшее сопротивление потоку электронов, чем провод из той же меди, но меньшего диаметра. Каждый проект, связанный с электроникой, включает в себя резисторы. Резисторами называют элементы с определенным сопротивлением, которое помогает контролировать поток электронов в проводниках.

Для того чтобы электроны перемещались от одного места к другому, нужно какое-то воздействие. Эта сила, действующая между зарядами с разными знаками, называется электродвижущей силой, или напряжением. Отрицательные электроны двигаются к положительному заряду по проводнику.

Мы не говорили о протонах. Они, как и электроны, представляют собой элементарные заряженные частицы, только с положительным знаком, мы фокусируем свое внимание на электронах прежде всего потому, что они значительно более подвижны, чем протоны. В большинстве случаев именно электроны двигаются проводнику, и именно их отрицательный заряд представляет собой электричество.

В некоторых случаях положительные заряды (не протоны) также перемещаются по проводнику. Как известно, при определенных условиях проводником могут быть и жидкости и газы. Для объяснения этого процесса вы должны вспомнить, что такое ионы, атомы, электрохимические реакции. В полупроводниковой физике широко используется гипотеза о "дырках", несущих положительный заряд.

Первые исследователи полагали, что электрический ток представляет собой движение положительных зарядов, поэтому они описали явление тока как поток положительно заряженных частиц к отрицательному потенциалу. Только значительно позднее эксперименты доказали само существование электронов и определили, что это они двигаются от отрицательного к положительному потенциалу.

Однако традиция осталась в силе, и с тех пор движение электрического тока на всех схемах показывается стрелками в противоположном реальному потоку электронов направлении. Поэтому обычный ток представляет собой (условное) движение заряженных частиц от положительного к отрицательному потенциалу и этим противоположен току реальному.

Предположим, у вас есть отрезок провода (проводник), и вы хотите присоединить его к положительному выводу батареи, а другой его конец — к ее отрицательному выводу. В этом случае электроны потекут от отрицательного потенциала к положительному. Этот поток электронов и является электрическим током. То есть соединение в одно целое электронов, проводника и напряжения позволяет получить электрический ток.

Источники напряжения

Для генерации положительного напряжения на одном выводе электрической батареи и отрицательного — на другом используется процесс электрохимических реакций. В батарее заряд создается помещением двух разных металлов в определенный тип химического вещества (электролит).

Батареи имеют два вывода (выводами называются металлические площадки на концах батареи, к которым подключаются провода).

Напряжение толкает электроны через провод от отрицательного вывода батареи к положительному; электроны, движущиеся по проводу, проходят через нить накала электрической лампочки и заставляют ее светиться.

Благодаря тому, что электроны двигаются только в одном направлении, от отрицательного вывода батареи к положительному, электрический ток, генерируемый батареей, называется постоянным током (на схемах часто обозначается DC - direct current). Он является противоположностью переменному току.

Проводки, идущие от лампочки, должны быть подключены к обоим выводам батареи. Это позволяет электронам двигаться от одного из них к другому, проходя через лампочку. Если не создать электронам подобную петлю из проводников, то они не смогут течь вообще.

Когда вы включаете лампу в электрическую розетку на стене, вы используете то электричество, которое выработала электростанция. Направление, в котором текут электроны, меняется 100 раз в секунду. Такое изменение потока электронов называется переменным током (АС - alternative current).

Изменение направления тока с возвращением к первоначальному направлению представляет собой цикл, или период. Количество таких периодов переменного тока в секунду называется частотой и измеряется в специальных единицах — герцах (Гц). В странах Европы используется частота, равная 50 Гц, а в Северной Америке — 60 Гц, т.е. там электроны меняют направление своего движения 120 раз в секунду.

Простой выбор: переменный ток или постоянный. Какая разница, какой ток использовать: переменный или постоянный? Оказывается, большая. Переменный ток дешевле получать и пересылать по линиям электропередачи, чем постоянный и легче получать напряжения произвольной величины. Именно поэтому бытовое электричество обычно работает от переменного тока: всевозможные лампы, нагреватели и тому подобное.

Переменный ток несколько сложнее контролировать чем постоянный, поскольку неизвестно, в каком направлении он течет каждый конкретный момент. В большинстве схем электроники для питания используется именно постоянный ток.

Электрические компоненты

Электрические компоненты, или, как их еще называют, радиоэлементы, служат для контроля, обеспечения передачи и управления потоком электронов.

Электрические компоненты делятся на пассивные и активные.

Например, ключ с помощью проводников соединяет электрическую лампочку с источником тока это пассивное устройство. К пассивным компонентам относятся так же резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, сами проводники.

Другие элементы, осуществляющие преобразование и усиление электрических сигналов называются активными: диоды, транзисторы, микросхемы.

Отличие пассивных компонентов от активных

Транзисторы, диоды, светоизлучающие диоды (СИД), интегральные схемы и многие другие электронные устройства изготавливаются из полупроводников.

Полупроводники, а к ним относятся кремний, германий, арсенид галлия и некоторые другие материалы, свойства которых имеют общие черты как с проводниками, так и с изоляторами.

Полупроводники без примесей проводят ток очень слабо. Полупроводниковые (активные) электронные приборы в чистом виде используются только как вспомогательный материал.

Электронные приборы приобретают нужные в электронике свойства при добавлении других веществ, например бора и фосфора. При этом они становятся несколько лучшими проводниками.

Если добавляется 5-и валентный фосфор, то, так как кремний 4-х валентный, полупроводник становится полупроводником так называемого n-типа, в котором имеются лишние электроны, если же подмешивается 3-х валентный бор, то он в полупроводнике не хватает электронов, зато появляются вакантные места, называемые «дырки», имеющие положительный заряд и такой полупроводник называется полупроводником р - типа. Полупроводник n - типа имеет больше электронов, чем обычный полупроводник, а полупроводник р - типа, соответственно, меньше.

Если два полупроводника, содержащие бор и фосфор вплавить друг в друга, получится так называемый p-n-переход. В таком переходе ток течет только в одном направлении, при подаче напряжения противоположной полярности ток не течет. Прибор, в котором находится такой сплавленный кристалл, называется диодом.

Диоды - элементы, которые служат для преобразования переменного тока в почти постоянный пропусканием тока, проходящего в одном направлении.

Под воздействием света p-n-переход может генерировать электрический ток; это свойство используется в солнечных батареях.

При пропускании тока, через p – n - переход полупроводников из определенного типа материала (арсенид галлия, например) электрический ток, то выделится свет, так работают светоизлучающие диоды (СИД).

В транзисторах используются переходы с тремя прилегающими областями с добавленными примесями. К примеру, одна с фосфором, вторая с бором, третья снова с фосфором, т.е. получается структура типа n – p - n. Ток управления в таком случае подастся на среднюю область: (так называемая база).

Интегральные микросхемы (ИМС) - дальнейшее развитие полупроводниковой технологии, в кристалле и на поверхности полупроводника создаются сотни и тысячи активных и пассивных элементов, соединенных в законченную схему. ИМС делятся на гибридные и собственно интегральные.

Полупроводниковая технология позволила значительно уменьшить размеры электронных устройств по сравнению с более ранними приборами на электронных лампах.