Опис експериментальної установки.

Експериментальна установка для знаходження питомого заряду даним методом зібрана на базі серійного осцилографа з електростатично керованим променем. Електричне поле створюється в області між вертикально відхиляючими пластинами П електропроменевої трубки (рис. 3).

Рис. 3

Постійна напруга  на ці пластини подається від УИП-2 (0 ¸ 50 В) через задню панель і вимірюється вольтметром V.

Магнітне поле, силові лінії якого горизонтальні, створюється в тій області простору, що і електричне поле двома котушками індуктивності , змонтованими всередині осцилографа зовні електронно-променевої трубки. Ці котушки живляться від джерела живлення УИП-2 (3¸9) В, сила струму в них регулюється потенціометром виходу (3¸9) В. Струм, що проходить через ці котушки, подається через відповідні клеми на передній панелі осцилографа і вимірюється міліамперметром.

Згідно вимог методу магнітне поле є практично однорідним між пластинами П, а поза пластинами його індукція практично дорівнює нулю.

Параметри установки: , , , .

Порядок виконання роботи.

1. Зібрати електричне коло згідно з робочою схемою установки (рис.3).

2. Після його перевірки викладачем встановити ручки регуляторів (3¸9) В і (0¸50) В в крайнє ліве положення. Струм в колі котушок індуктивності вимкнути додатковим вимикачем на передній панелі осцилографа. Включити УИП-2 і осцилограф, дати їм прогрітися на протязі 10 хв.

3. Ручками “Вісь Х” і “Вісь Y” на верхній панелі осцилографа встановити слід променя в центр екрану, а ручкою “Фокус” – добитися чіткості зображення.

4. Повертаючи ручку регулятора (0¸50) В на УИП-2 подати на вертикально відхиляючи пластини осцилографа таку напругу , щоб світна точка на екрані осцилографа змістилася від центру на відстань, яку задав викладач. Величину зміщення у і відповідну напругу  записати в таблицю:

№ п/п	, м	, В	, А	,
1
2
3
4
5

5. Ввімкнути струм в котушках і обертанням регулятора (3¸9) В УИП-2 досягти такої сили струму, щоб світла точка на екрані знову повернулась у центр екрану. Записати цю силу струму в таблицю.

6. Провести виміри, описані в пунктах 4, 5, не менше п’яти разів, змінюючи напругу, що подається на вертикальні відхиляючи пластини.

Обробка результатів вимірювання.

1. Виразити всі величини в СІ і розрахувати постійну установки  по формулі (5).

2. За даними вимірів розрахувати питомий заряд електрона для кожного з вимірів по формулі (4).

3. Знайти середнє значення питомого заряду електрона, абсолютну і відносну похибку вимірювання.

4. Визначити середню швидкість електронів у пучку за результатами одного із дослідів по формулі (3).

Контрольні запитання і завдання.

1. Якою буде траєкторія зарядженої частинки, що влетіла в однорідне магнітне поле перпендикулярно до ліній індукції поля? (Дати пояснення і рисунок).

2. Вивести рівняння траєкторії руху зарядженої частинки в однорідному електричному полі (початкова швидкість перпендикулярна до силових ліній поля).

3. В чому суть методу Томсона по визначенню питомого заряду електрона?

4. Чому ми говоримо про середню швидкість електронів в електронному пучку? Від яких факторів залежить швидкість окремого електрона?

5. Що називають спином електрона? Яка його фізична інтерпретація?

[1] – [3], [9], [15], [16], [18], [19]

Лабораторна робота №51

ВИЗНАЧЕННЯ ПИТОМОГО ЗАРЯДУ ЕЛЕКТРОНА МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА.

Мета роботи: вивчити один з методів вимірювання параметрів електрона і одержати числові результати.

Обладнання: джерело живлення УИП-2, лампа 6Е5С, соленоїд, вольтметр, міліамперметр, амперметр.

Теорія цього методу викладена в лабораторній роботі №50.

В даній роботі для визначення  використовується лампа 6Е5С, яка в приладах служить переважно електронним індикатором. Завдяки тому, що частина електронів в такій лампі потрапляє на екран, вкритий флуоресцентною речовиною, і викликає його свічення, можна спостерігати візуально траєкторію руху електронів. Екран лампи має потенціал значно більший за потенціал анода і сильніше діє на електрон ніж з’єднаний з анодом і пронизуючий екран ножовий електрод. Завдяки цьому на екрані виникає тінь, що змінюється зі зміною магнітного поля (рис. 1).

Рис.1

Питомий заряд електрона обчислюється за формулою

,

(1)

де

, .

(2)

Параметри установки такі:

, , .

 знаходиться так, як і в лабораторній роботі №50.

Порядок виконання роботи.

1. За схемою установки зібрати електричне коло (рис. 2).

Рис.2

2. Візуально провести спостереження викривлення траєкторії електронів при наявності магнітного поля ( ). Для цього перемикач 2 поставити в положення 250 В і подати напругу з клем приладу УИП-2 на клеми “Екран” панелі, де кріпиться лампа 6Е5С. Ввімкнути прилад УИП-2. Змінюючи ручкою 5 силу струму в соленоїді, спостерігати викривлення траєкторії електронів. Зарисувати кілька характерних картинок.

3. Дослідити залежність сили анодного струму від сили струму в соленоїді. Для цього перемикачем 2 і ручкою 1 виставити перше, задане викладачем, значення напруги на аноді. Перемикач П поставити в режим “Анод”. Змінювати силу струму в соленоїді через 0,05 А від 0 до 1 А, контролюючи його амперметром, а силу анодного струму – міліамперметром. Напруга не повинна перевищувати 100 В.

4. Такі ж виміри провести для кількох інших анодних напруг , вказаних викладачем.

5. Дані експерименту записати в таблицю:

Номер досліду

6. Побудувати графік залежності  і знайти критичне значення сили струму (див. рис. 4, а до лаб. роб. №50).

7. Вирахувати  і  для кожного випадку.

8. Провести статистичну обробку одержаних результатів і кінцевий результат подати у вигляді:

.

Контрольні запитання.

1. Описати рух зарядженої частинки в постійних електричному і магнітному полях.

2. Описати дослід Мілікена.

3. Описати принцип роботи бетатрона.

4. Назвати основні джерела похибок при знаходженні .

[1] – [3], [9], [15]

Лабораторна робота №52

ВИВЧЕННЯ ЕФЕКТУ ФРАНКА І ГЕРЦА ТА ЗНАХОДЖЕННЯ ДИСКРЕТНИХ РІВНІВ ЕНЕРГІІ АТОМА КСЕНОНА

Мета роботи: дослідне підтвердження постулатів Бора.

Обладнання: звуковий генератор ГЗШ, осцилограф ОЕУ, вольтметр, електронна лампа ЗТГЗ-0,1/1,3.

Пропонована робота дає можливість пересвідчитись, що енергія атома може приймати лише перервний ряд значень , ,…, , що визначаються його стаціонарними станами. При переході з одного стаціонарного стану  в другий  атом випромінює (поглинає) енергію, рівну , при чому  відповідає випромінюванню,  – поглинанню енергії,  – частота випромінювання,  – постійна Планка.

В дослідах Франка і Герца вивчався характер зіткнень електронів з атомами газу, в якому вони рухались. Зіткнення можуть бути або пружними, або непружними. При перших, враховуючи те, що маса електрона в тисячі разів менша маси атома, енергія електрона практично не змінюється. Змінюватиметься лише напрямок його швидкості. При непружному зіткненні електрон майже всю свою енергію віддає атому. Франк і Герц в 1913 році вперше показали, що електрони, які рухаються в парах ртуті, здійснюють непружні зіткнення з атомами ртуті лише при певних значеннях їх швидкості (кінетичної енергії). А це значить, атом ртуті може поглинати лише певні порції енергії, переходячи при цьому в інший енергетичний стан.

Схема вказаних дослідів приведена на рис. 1, де S – тріод, наповнений парами ртуті (така газонаповнена електронна лампа називається тиратрон), який через потенціометр П підключено до джерела ЕРС , між сіткою С та анодом А включено джерело ЕРС , яке створює затримуюче електричне поле для електронів катода К. Поряд на рис.2 приведена вольтамперна характеристика тріода S, провали на якій є прямим підтвердженням постулатів Бора.

Розглянемо причину їх появи.

А
Рис.1	Рис.2

При пружних зіткненнях електронів з атомами ртуті електрони переборюють затримуючу різницю потенціалів сітки, попадають на анод, і струм через нього зростає. Але при енергії електронів 4,9 еВ зіткнення стають непружними, тобто при зіткненні електрон втрачає свою енергію, передаючи її атому ртуті і, як наслідок, не змігши перебороти затримуючий потенціал сітки, попадає саме на неї, а не на анод. Анодний струм падає, на вольтамперній характеристиці появився перший провал.

Якщо енергія електрона стає більшою 4,9 еВ, то після втрати 4,9 еВ, залишок енергії дозволить електрону перебороти затримуюче поле сітки і доведе його до аноду. Анодний струм знову зросте. Та коли і залишок становитиме 4,9 еВ (тобто повна енергія електрона становить 9,8 еВ), то при повторному зіткненні з атомом ртуті він буде йому переданий. Швидкість електрона впала, і він осяде на сітці. Знову падає анодний струм, що одразу фіксує вольтамперна характеристика.

Таким чином було доведено, що можливі значення енергії в атомі ртуті дійсно мають дискретний характер: енергія атома ртуті змінюється стрибками.

Опис установки.

В даній роботі встановлюється наявність дискретних енергетичних рівнів у атомів ксенону. Для візуального спостереження вольтамперної характеристики тиратрона ТГЗ – 0,1/0,3, наповненого ксеноном, використовується осцилограф. На тиратрон подається змінна напруга, яку знімають із звукового генератора ГЗШ. Блок схема установки приведена на рис.3.

Рис.3

Спад напруги на опорі  пропорційний анодному струму. Подаючи напругу на осцилограф (вхід “У”) можемо слідкувати за її зміною. Осцилограф працює в режимі “Розгортка”. Напруга, що подається зі звукового генератора, вимірюється вольтметром V. Змінюючи величину напруги, міняємо характер зіткнень електронів з атомами ксенону. Через це на вольтамперній характеристиці появляються провали.

Фіксуючи напругу , при якій падає анодний струм, знаходимо енергію , яку електрон віддає атому ксенону (∆U– різниця між сусідніми значеннями фіксованих напруг).

Порядок виконання роботи.

1. Зібрати схему установки. Робота осцилографа синхронізується зовнішнім джерелом: клема 600 Ом звукового генератора з’єднується з клемою “Зовнішня синхронізація” осцилографа.

2. Включити звуковий генератор, зменшити до нуля напругу, яку знімають з нього. Частота на генераторі в межах 1 кГц.

3. Включити осцилограф і отримати чітке зображення прямої лінії, розташованої посередині осцилографічної трубки.

4. Подати на тиратрон напругу із звукового генератора. Зафіксувати появу першого провалу на осцилографі і напругу, при якій він появився.

5. Збільшуючи напругу, зафіксувати подібним чином другий і слідуючи провали вольтамперної характеристики, яку слід замалювати з осцилографа.

6. Розрахувати частоту випромінювання збудженого атома ксенону.

Контрольні запитання.

1. Сформулювати постулати Бора.

2.Поясніть, як виникає зображення вольтамперної характеристики на екрані.

3. Приведіть характеристику зміни сіткового струму тиратрона від напруги.

[1] – [3], [19]

Лабораторна робота №53

ВИВЧЕННЯ СПЕКТРА ВОДНЮ: ВИЗНАЧЕННЯ СТАЛОІ РІДБЕРГА ТА СТАЛОІ ПЛАНКА.

Мета роботи: вивчення закономірностей спектра водню, визначення сталої Рідберга та сталої Планка.

Обладнання: монохроматор, газорозрядна трубка з воднем, ртутна лампа з блоком живлення.

Відповідно з постулатами Бора атом випромінює енергію квантами , що визначаються як різниця двох енергетичних станів  і  атома:

,

(1)

де  – постійна Планка;  – частота випромінювання кванта,  – швидкість світла,  – довжина випромінюваної хвилі.

Для атома водню теорія Бора дає наступне значення енергії :

.

(2)

Тут  – маса і  – заряд електрона,  – електрична постійна,  – головне квантове число.

Разом (1) і (2) приводять до наступного результату:

(3)

або

.

(4)

Постійний коефіцієнт , що стоїть перед дужкою, названо постійною Рідберга :

.

(5)

В даній лабораторній роботі експериментально визначається значення  шляхом вимірювання довжини хвилі  з допомогою монохроматора та встановлення конкретних значень  та . Отримане значення  можна співставити з його теоретичним значенням.

Врахування скінченності маси  ядра, навколо якого рухається електрон, змінює дещо величину  і вона визначатиметься як  так:

.

(6)

Розв’язання задачі для атома водню за допомогою рівняння Шредінгера:

,

(7)

де  – радіус орбіти,  – хвильова функція,  – енергія електрона, дає для спектра енергії  вираз (2). При розв’язанні рівняння (7)  може набувати як додатних, так і від’ємних значень, що відповідає неперервним та дискретним енергетичним рівням атома.

З допомогою експериментальних даних по дослідженню спектру водню (серія Бальмера ) можна також знайти сталу Планка. Формулу для цього одержимо з (1) та (4), вона має вигляд:

.

(8)

Порядок виконання роботи.

Завдання №1. Покази призмового монохроматора залежать від матеріалу призми. Тому перед роботою монохроматор треба проградуювати відповідно відомому спектру ртутної пари (або гелію).

Градуювання шкали монохроматора здійснюється у такому порядку.

1. Ввімкнути в електричну мережу ртутну лампу.

2. За допомогою окуляра монохроматора домогтись чіткого зображення спектра ртуті і візира у полі зору.

3. Послідовно суміщаючи візир монохроматора з відповідними лініями спектру, визначити з точністю до половини поділки шкали барабана положення спектральних ліній.

4. Результати вимірювання записати у табл. 1.

5. За допомогою даних таблиці побудувати градуювальний графік. По осі абсцис відкласти поділки шкали, по осі ординат, відповідно, довжини хвиль.

Завдання №2.

1. Відключити ртутну лампу і запалити наповнену воднем газорозрядну трубку.

2. За допомогою візира та градуювального графіка шкали знайти довжину хвилі для кожної спектральної лінії атому водню. Результати занести у таблицю 2.

3. За допомогою формул (5) та (8) для всіх ліній знайти  та сталу Планка.

4. Знайти середнє значення  та , а також абсолютну похибку. Результат подати у вигляді:

і порівняти з табличними даними для цих величин.

Контрольні запитання.

1. Що дає для науки дослідження спектрів?

2. Які основні труднощі зустрічала класична фізика при інтерпретації спектра водню?

3. Який вихід запропонував Бор?

4. В чому полягають недоліки теорії Бора?

5. Принцип дії, будова та призначення спектроскопа.

[1] – [4], [17]

Лабораторна робота №55

ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕМПЕРАТУРНОІ ЗАЛЕЖНОСТІ ОПОРУ МЕТАЛУ І ТЕРМІСТОРА ТА ВИЗНАЧЕННЯ ЕНЕРГІІ АКТИВАЦІІ НАПІВПРОВІДНИКА

Мета роботи: дослідити залежність опору металу та напівпровідника від температури, за результатами експерименту обчислити температурний коефіцієнт  для металу та енергію активації  електропровідності для напівпровідника.

Обладнання: термостат, зразки металу і напівпровідника, універсальний місток постійного струму, з’єднувальні проводи, термометр.

Опір металевого провідника залежить від температури:

,

(1)

де  – опір провідника при температурі t (вимірюється в ⁰С),  – його опір при ,  – температурний коефіцієнт опору – фізична величина, що показує, на яку частину збільшується опір провідника при нагріванні його на . Характер залежності опору металу від температури повністю пояснюється зонною теорією твердого тіла.

На практиці вимірювання температурного коефіцієнта опору зводиться до визначення опорів  і  при двох довільних  та . Записавши  і  у вигляді (1) і розв’язавши систему рівнянь відносно , маємо:

.

(2)

Напівпровідник відрізняється від металу не тільки значно меншою провідністю, але й іншою залежністю опору від температури. Для металів опір зростає лінійно з підвищенням температури, для напівпровідника з підвищенням температури опір зменшується за експоненціальним законом:

,

(3)

де  – константа, яка залежить від природи напівпровідника,  – енергія активації,  – стала Больцмана, Т – температура, яка вимірюється в градусах Кельвіна.

Вимірявши опір напівпровідника  і  при різних температурах  і  та виходячи з формули (3) можна знайти енергію активації:

.

(4)

Для визначеності залежностей опору зразків від температури використовується схема, зображена на рис.1. Вона містить металевий провідник М, намотаний на ізолятор, і напівпровідник Н. Досліджувані зразки розміщуються в термостаті, що живиться від електромережі. Вимірювання опору зразків проводиться з інтервалом . Температура визначається за допомогою термометра Т. Опір зразків вимірюється за допомогою вимірювального універсального моста (омметра).

Рис. 1

Порядок виконання роботи.

1. Ввімкнути універсальний місток (омметр) і виміряти опір металевого провідника і напівпровідника при кімнатній температурі.

2. Ввімкнути в електричну мережу термостат. Через  виконати не менше 10 вимірювань опору зразків.

3. Результати записати в таблицю.

Номер досліду	Температура			Опір провідника,R, Ом	Опір напівпровідника
			, К-1		R, Ом	ln R
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

4. Згідно даних досліду побудувати графіки залежності:

а) опору провідника від температури ;

б)  від  для напівпровідника.

5. Згідно графіка знайти  провідника і напівпровідника при  і .

6. Знайти чисельне значення температурного коефіцієнта опору  і енергії активації . Для розрахунку  використати формулу

.

Контрольні запитання.

1. В чому полягає відмінність між напівпровідниками, діелектриками і провідниками з точки зору зонної теорії?

2. Як пояснити, що з підвищенням температури опір металу зростає, а напівпровідника зменшується?

3. Який фізичний зміст енергії активації напівпровідника?

[1], [2]

Лабораторна робота №56

ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ Р-N ПЕРЕХОДУ

Мета роботи: а) ознайомитись з фізичними властивостями р-n переходу; б) побудувати пряму і зворотну вольтамперні характеристики; в) визначити залежність опору діода від прикладеної напруги в прямому і зворотному напрямках.

Обладнання: напівпровідниковий діод Д, змонтований на шасі (рис.3), джерело постійного струму з ЕРС:  і  (можливе використання джерела живлення УИП-5), вольтметри: а)  з верхньою межею вимірювання в 5-10 В, б)  з верхньою межею в 300 В, міліамперметр багатомежний , мікроамперметр багатомежний, низькоомний  і високоомний  реостати, перемикач К, з’єднувальні провідники.

Напівпровідниковий діод являє собою замкнений в герметичну оболонку спай напівпровідникових кристалів з електронною (n-типу) і дірковою (р-типу) провідностями. В практиці розповсюджені германієві і кремнієві діоди, а також селенові випрямлячі.

1. Напівпровідники з електронною і дірковою провідністю.

В ідеальному напівпровідниковому кристалі, тобто такому, що не містить хімічних домішок і не має дефектів структури, кількість вільних електронів дорівнює кількості дірок. З ростом температури концентрація вільних електронів і дірок підвищується, що приводить до росту провідності і зменшенню опору напівпровідника. В реальному кристалі, що містить домішки і дефекти, рівновага між кількістю вільних електронів і дірок порушується. Якщо концентрація вільних електронів значно перевищує концентрацію дірок, такий напівпровідник називається напівпровідником n-типу (основними носіями струму в напівпровіднику являються електрони). Якщо ж концентрація дірок суттєво перевищує концентрацію електронів, то основними носіями струму є дірки і такий напівпровідник називається напівпровідником р-типу.

Напівпровідник n-типу отримують додаючи в кристал, наприклад, 4-валентного германію (або кремнію) 5-валентної домішки. Концентрація домішок, як правило не перевершує сотих частин відсотка. Атоми домішки розміщуються у вузлах кристалічної решітки і утворюються ковалентні зв’язки з чотирма близько розташованими атомами германію. При цьому в ковалентних зв’язках приймають участь лише чотири з п’яти валентних електронів з атома домішки. П’ятий електрон слабо зв’язаний з атомом домішки і в робочому інтервалі температур  електрон стає вільним, отримуючи за рахунок теплових коливань решітки додаткову енергію, що перевершує його початкову енергію зв’язку з атомом домішки. Таким чином, внесення кожного атома домішки приводить до утворення в кристалі одного вільного електрона. З ростом концентрації домішки зростає концентрація вільних електронів.

Напівпровідник р-типу виникає при додаванні у вихідний 4-валентний кристал 3-валентної домішки. У вузлі, де осідає атом домішки, залишається незаповнений ковалентний зв’язок і утворюється додатковий рівень енергії, який лежить біля валентної зони. В робочому інтервалі температур валентні електрони атомів германію отримують додаткову енергію, достатню, щоб перейти на цей рівень. Перехід валентних електронів германія на утворений в результаті внесення домішки рівень веде до збільшення концентрації дірок, що приводить до виникнення р-провідності кристалу.

2. Основні фізичні властивості р-n переходу.

Межа між провідниками р- і n-типу називаються р-n переходом. Безпосередньо після утворення р-n переходу проходить дифузія дірок (рис.1,а, дірки позначаються кружками) в напівпровідник n-типу. В напівпровіднику n-типу дірки, які дифундують, заповнюються вільними електронами, що призводить до утворення в цьому напівпровіднику зв’язаного додатного заряду. В напівпровіднику р-типу дифундуючи електрони заповнюють дірки, в результаті чого тут утворюється зв’язаний від’ємний заряд (рис.1,б). Ці процеси призводять до утворення на межі між кристалами подвійного електричного шару, електричне поле якого протидіє подальшій дифузії основних носіїв через р-n перехід.

Після припинення дифузії основних носіїв в приграничному шару утворюється область (рис.1,в), в якій відсутні вільні носії струму. Ширина цієї області визначається вихідними параметрами напівпровідників р- і n-типу. Потрібно визначити, що електричне поле в приграничному шарі не протидіє дифузії через р-n перехід неосновних носіїв струму (електронів з напівпровідника р-типу в напівпровідник n-типу і дірок із напівпровідника n-типу в напівпровідник р-типу). З ростом температури число носіїв різко зростає. Відповідно зростає і некерований тепловий струм через р-n перехід. Тому всі напівпровідникові прилади, принцип дії яких базується на властивостях р-n переходу, зберігають робочу здатність тільки в обмеженому інтервалі температур.

   а)               б)                     в)

Рис.1

Під’єднаємо зовнішнє джерело струму до р-n переходу згідно рис.2,а. При такому включенні батареї зовнішнє електричне поле частково або повністю компенсує поле подвійного електричного шару і через перехід тече великий струм основних носіїв заряду. Електричний опір p-n-переходу в цьому випадку дуже малий.

Під’єднаємо зовнішнє джерело струму до р-n переходу згідно рис.2,б. При такому включенні батареї зовнішнє електричне поле сумується з внутрішнім полем р-n переходу. В такому випадку струм основних носіїв заряду через р-n перехід неможливий, так як носії заряду не можуть подолати великий потенційний бар’єр подвійного електричного шару. Тому обернений струм через перехід дуже малий, а його електричний опір значний.

Електричний опір р-n переходу у зворотному напрямку значно перевищує опір у прямому напрямку і зростає з ростом прикладеної зовнішньої напруги (це зростання пояснюється розширенням області, де основні носії струму відсутні).

а)                                      б)

Рис. 2

Викладений опис р-n переходу є чисто якісним. Більш детально теорія напівпровідників і р-n переходу описана в підручниках курсу фізики. Тип напівпровідникових діодів, їх параметри і схеми використання описані в довідниках з напівпровідникових приладів та в довіднику радіолюбителя (див. також опис лабораторних робіт №58, 59).

Порядок виконання роботи.

1. Зібрати електричну схему (рис.3). Визначити ціну поділки всіх вимірювальних приладів. Знайти положення перемикача К, при якому на діод подається пряма і зворотна напруга. Переконатися, що в прямому напрямку подається напруга від низьковольтного джерела.

2. Після перевірки схеми викладачем ввімкнути її і, перемкнувши ключ К на прямий напрямок, підібрати межі вимірювання міліамперметра  і вольтметра . Перемкнути ключ К на зворотній напрямок і підібрати межі вимірювання міліамперметра  і вольтметра . Провести вимірювання напруги і сили струму в прямому і зворотному напрямках, переконатися, що при прямому напрямку струм значно перевищує струм при зворотному напрямку.

Рис. 3

3. Зняти вольтамперну характеристику діода.

Побудувати графік залежності струму від напруги в прямому і зворотному напрямках.

4. Згідно закону Ома знайти опір діода та побудувати графік залежностей прямого і зворотного опору від прикладеної до діоду напруги.

Контрольні запитання

1. Яка природа діркових носіїв струму в напівпровідниках? Чи існують дірки в металах і діелектриках?

2. Чому концентрація домішки, яка вноситься для створення р- і n-провідності, не повинна перевищувати долей процента?

3. Як буде змінюватися графік вольтамперної характеристики при підвищенні температури р-n-переходу (діоду)?

4. При дуже високій зворотній напрузі  відбувається руйнування (електричний пробій) р-n переходу. Чи залежить  від температури?

[1], [2]

Лабораторна робота №59

ВИВЧЕННЯ РОБОТИ НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ВИПРЯМЛЯЧА

Мета роботи: вивчити роботу одно- і двопівперіодного випрямлячів, побудувати залежність ККД випрямлячів від струму, що споживається навантаженням.

Обладнання: напівпровідникові діоди, джерело змінного струму, трансформатор, два вольтметри, два амперметри, осцилограф, реостат, з’єднувальні провідники.

Напівпровідниковий діод має різні опори в прямому і оберненому напрямках (див. опис лабораторної роботи №56). Опори можуть відрізнятися у декілька десятків тисяч разів. Ця властивість діода використовується при побудові випрямлячів – приладів, які перетворюють змінний струм у постійний за напрямком.

1. Однопівперіодний випрямляч.

Електрична схема простого однопівперіодного випрямляча показана на рис.1. Нехай в деякий момент часу на вхідний затискач 1 подається потенціал “+”, а на затискач 2 “–”. В зв’язку з тим, що опір діода Д в прямому напрямку малий, то можна вважати, що вся напруга яка подається на вхід випрямляча в цей момент падає на опір навантаження :

(для простоти вважаємо, що навантаження має тільки активний опір). Струм у навантаженні в цьому випадку визначається лише опором самого навантаження і прикладеної до випрямляча напруги.

Рис. 1	Рис. 2

Через півперіод полярність напруги на вході випрямляча змінюється на протилежну. Опір діода при цьому різко зростає і значно перевищує опір навантаження  (  – опір діода в оберненому напрямку). Струм через навантаження в цьому випадку визначається так:

і буде значно менший, ніж прямий струм. На рис.2 показані графіки напруги, прикладеної до входу випрямляча, і струму, що тече через навантаження. Практично через навантаження тече пульсуючий струм сталого напрямку. В цьому і полягає основний недолік однопівперіодних випрямлячів.

До позитивних якостей слід віднести простоту схеми і її високу надійність.

Однонапівперіодні випрямлячі використовуються для живлення приладів, для яких несталість випрямленого струму по величині не має суттєвого значення, наприклад, для зарядки акумуляторів.

2. Двопівперіодний випрямляч.

Існують дві принципово різні схеми двопівперіодних випрямлячів. На рис. 3 показана схема двопівперіодного випрямляча на двох діодах. Ця схема зустрічається в практиці порівняно рідко, бо в ній обов’язково повинен бути використаний трансформатор, що ускладнює і здорожує випрямляч.

Рис. 3.

Найбільш поширеною в наш час є схема випрямляча, зображеного на рис. 4. Розглянемо роботу такого випрямляча. Припустимо, що на вхідний затискач 1 подається позитивний потенціал. Струм проходить через діод Д1, навантаження  і діод Д2. Діоди Д3 і Д4 при такій полярності напруги включені в протилежному напрямку і не пропускають струм. Якщо полярність на вхідних затискачах змінюється, то в прямому напрямку будуть працювати діоди Д3 і Д4. Неважко пересвідчитись, що струм через опір іде в тому ж напрямку, що і в першому випадку. Графік випрямленого струму показаний на рис.5.

Кожний напівпровідниковий діод характеризується двома параметрами: максимальною зворотною напругою  і максимальним струмом . Діоди, які використовуються в лабораторній роботі, витримують зворотну напругу не більше 300 В, можуть пропускати в прямому напрямку струм не більше 0,4 А. При режимах поза вказаними межами діоди руйнуються.

Рис.4

Рис.5

Порядок виконання роботи.

1. Скласти схему (рис.6), використовуючи на вході прилади змінного струму, а на виході – постійного.

2. Після перевірки схеми викладачем включити напругу (реостат повинен бути повністю введений).

3. Паралельно вольтметру підключити осцилограф ЕО і спостерігати (замалювати в масштабі) форму залежності напруги на вході випрямляча від часу при двох різних положеннях вимикача К.

Рис. 6.

4. Визначити ККД двопівперіодного випрямляча на діодах Д1 і Д2. Для цього необхідно:

а) повністю ввести реостат ;

б) замкнути вимикач К;

в) зняти покази вольтметра V, амперметра А і міліамперметра mA, що фіксує струм у первинному колі трансформатора (напруга на первинній обмотці ( ), і занести їх до таблиці.

Вирахувати ККД випрямляча за формулою:

,

де  – струм в реостаті ,  – напруга на ,  – струм в первинній обмотці трансформатора. Зменшуючи опір навантаження, виконати аналогічні вимірювання і вирахувати ККД для інших значень струму .

5. Побудувати графік залежності ККД двопівперіодного випрямляча від струму в навантаженні.

6. Вимкнути вимикач К. тепер діод Д1 утворює однопівперіодний випрямляч. Повторити для нього всі вимірювання згідно п.4. Графік залежності ККД такого випрямляча побудувати в тій же системі координат.

Контрольні запитання.

1. Пояснити роботу випрямляча, що показаний на рис.4.

2. Як зміниться режим роботи випрямляча при виході з ладу одного з діодів?

3. Намалюйте схему лампового двопівперіоного випрямляча, пояснити принцип його дії. В чому полягають переваги і недоліки напівпровідникового випрямляча порівняно з ламповим?

4. Як буде змінюватися режим роботи однопівперіодного випрямляча (див. рис.1) з підвищенням температури?

[1], [3], [15], [17]

Лабораторна робота №62

ВИВЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ПОГЛИНАННЯ

-ВИПРОМІНЮВАННЯ

Мета роботи: вивчити поглинання -випромінювання в речовині, експериментально визначити сумарний лінійний коефіцієнт поглинання -випромінювання в металі.

Обладнання: лічильник Гейгера-Мюллера, радіометр, радіоактивний препарат, свинцевий контейнер, набір металевих пластин, секундомір.

Проходження -променів через речовину супроводжується розсіянням і поглинанням їх атомами речовини. Зміна інтенсивності -випромінювання визначається законом Бугера:

,

(1)

де  та  – інтенсивність випромінювання до і після проходження через речовину,  – коефіцієнт поглинання,  – товщина шару речовини.

Величини  та  пропорційні енергії, що переноситься -квантами за одиницю часу, а, отже, і числу самих -квантів, зареєстрованих лічильником за одиницю часу ( , де  – кількість -квантів, зареєстрованих лічильником за час ). Тому швидкість рахунку також змінюється згідно закону

.

Ослаблення інтенсивності радіоактивного випромінювання в речовині зумовлено дією принаймні чотирьох механізмів поглинання.

Фотоелектричне поглинання.

Проміння, взаємодіючи з атомом, повністю передає свою енергію одному з електронів. Енергія -квантів іде на відрив електрона від атома та надає електрону кінетичну енергію.

Комптонівське випромінювання.

Взаємодія фотона з електроном речовини відбувається згідно законів пружного удару

Рис.1

З закону збереження енергії

(2)

видно, що при такій взаємодії частота і енергія фотона зменшується ( ).

Утворення пар частинок.

Якщо енергія фотона достатньо велика, то проходячи поле ядра він може перетворюватись у пару частинка-античастинка, наприклад:

.

Класичне розсіювання.

Процес відбувається відносно рідко і полягає в розсіянні фотона на електроні без зміни частоти фотона.

Лінійний коефіцієнт поглинання -променів таким чином можна представити у вигляді суми:

де  – коефіцієнти поглинання, що відповідають вищеописаним механізмам поглинання.

Порядок виконання роботи

1. Встановити радіоактивний препарат у свинцевий контейнер. Ввімкнути високовольтний випрямляч, програмний реверсивний лічильник.

2. Подати на електроди лічильника високу напругу, використавши для її визначені результати дослідження характеристик лічильника з лабораторної роботи №61.