физика_ часть 2

В.Т. КАЗУБ, Р.А. ВОДОЛАЖЕНКО, Е.В. СОЛОВЬЁВА

ФИЗИКА

Часть II. Электромеханика

1

2

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Пятигорская государственная фармацевтическая академия Минздравсоцразвития РФ

КАФЕДРА ФИЗИКИ И МАТЕМАТИКИ

В.Т. Казуб, Р.А. Водолаженко, Е.В. Соловьёва

ФИЗИКА

Часть II. Электромеханика

Учебное пособие для студентов 2 курса по дисциплинам С2.Б.2 - «Физика» и

С3.В.ОД.3- «Физические основы технологических процессов и методов фармацевтического анализа» (очная и заочная форма обучения)

Пятигорск 2012

3

УДК 53(075.8) ББК 22.3я73 К 14

Рецензент: профессор кафедры информационных технологий, математики и средств дистанционного обучения ПГЛУ Киселёв В. В.

В.Т. Казуб, Р.А. Водолаженко, Е.В. Соловьёва

К 14 Физика. Часть II. Электромеханика: учебное пособие для студентов очного и заочного отделений/В.Т. Казуб [и др.] - Пятигорск: Пятигорская ГФА, 2012. – 102 с.

Учебное пособие составлено в соответствии с программой по физике для студентов очных и заочных отделений фармацевтических вузов, разработано на кафедре физики и математики, для подготовки и проведения занятий в физических лабораториях при выполнении экспериментальных работ по электромеханике.

Данное пособие содержит лекционную информацию, задания для самостоятельной работы студентов и контрольные вопросы для проверки готовности студентов к занятиям.

УДК 53(075.8) ББК 22.3я73

Допущено к внутривузовскому изданию Председатель ЭМС проф. В.В. Гацан

Протокол № 9 от 08.06.2012 г.

©Пятигорская государственная фармацевтическая академия, 2012

4

Содержание

Работа № 9. Полупроводники. Вольтамперная характеристика диода.		.......6
Работа № 10. Изучение дисперсии электропроводности живой ткани ....		21
Работа № 11. Аналитические весы. Методы взвешивания.........................		34
Работа № 12.	Методы интенсивной экстракции.
Интенсивная экстракция растительного лекарственного сырья
с применением электрических разрядов ......................................................		52
Работа № 13.	Радиометрия............................................................................	65
Работа № 14.	Изучение электронно-лучевой трубки и электронного
осциллографа .................................................................................................		84
Список рекомендуемой литературы...........................................................		101

5

РАБОТА № 9. ПОЛУПРОВОДНИКИ. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИОДА.

Актуальность работы:

Свойства полупроводников широко используются для изготовления полупроводниковых диодов. В основе принципа действия полупроводни-

кового диода лежат физические закономерности так называемого «р»-«n»

перехода.

Цель работы:

-ознакомиться со строением полупроводников;

-изучить зависимость прямого и обратного токов от величины напряже-

ния;

-построить вольтамперную характеристику диода;

-построить график зависимости сопротивления диода от напряжения;

-совершенствовать практические навыки работы с измерительной аппара-

турой.

Целевые задачи:

знать: закон Ома, полупроводники (особенности электронного строе-

ния, зонная теория электропроводимости), полупроводниковый диод и его свойства, «р»-«n» переход, прямой и обратный ток.

уметь: определять цену деления приборов, измерить и построить вольтамперную характеристику диодов.

План подготовки конспекта:

1. Основные теоретические сведения (цель, приборы и принадлеж-

ности, ответы на вопросы к входному тестированию).

2. Выяснить, что измеряется в лабораторной работе, какими прибо-

рами, построить вольтамперную характеристику диода, повторить нахож-

дение цены отчёта.

2.Подготовить таблицу.

3.Записать расчётную формулу.

6

Вопросы для подготовки к входному тестированию:

1.Что называется удельным сопротивлением?

2.Как классифицируются вещества в зависимости от их удельного сопро-

тивления?

3.Как зависит сопротивление полупроводников от температуры?

4.Какие бывают носители тока в полупроводниках?

5.Что называют энергетической зоной? Какие бывают зоны?

6.Чем отличаются энергетические диаграммы у проводников, полупро-

водников и диэлектриков?

7.Что такое примесная проводимость?

8.Как получить полупроводники «n» и «р» -типа?

9.Как зависит величина обратного тока от температуры?

10.Что называется вольтамперной характеристикой диода?

Теоретические сведения.

Сопротивление куба вещества с ребром 1 м, измеренное между про-

тивоположными гранями, называется удельным сопротивлением . Еди-

ница измерения - Ом м. Для металлов 10 - 8 Ом м, для диэлектриков,

иначе именуемых изоляторами, эта величина достигает 10 13 Ом м. Слово

«изолятор» означает вещество, которое очень плохо проводит электриче-

ский ток, т.е. «изолирует» действие электрического тока. Согласно закону

Ома сопротивление R U , где U - напряжение на этом участке; I - ток в

I

цепи. Сопротивление цилиндрического проводника длиной l и площадью поперечного сечения S равно:

R l .

S

Сопротивление проводников зависит от их температуры:

R R0(1 t0),

7

где R0 - сопротивление при температуре, равной начальной t00С; -

температурный коэффициент сопротивления; t0 – конечная температура;

t0 t0 t00 .

Для металлов 0. Для электролитов и диэлектриков 0, с ростом температуры сопротивление последних падает.

Промежуточное положение между проводниками и диэлектриками,

по величине удельного сопротивления, занимают вещества называемые полупроводниками. Особый интерес представляют твердые полупровод-

ники - германий, кремний, селен и др., а также химические и интерметал-

лические соединения типа PbS, I и Sb, GaAS, CdS и другие. Как и у метал-

лов, проводимость этих веществ обусловлена перемещением электронов.

Однако состояние электронов в проводниках и полупроводниках сущест-

венно различается, о чем свидетельствует зависимость сопротивления по-

лупроводников от температуры. С ростом температуры сопротивление по-

лупроводников уменьшается. Причем влияние температуры сказывается у полупроводников гораздо сильнее, чем у проводников.

Для объяснения этого свойства полупроводников рассмотрим осо-

бенности их электронного строения.

При низких и нормальных температурах в полупроводниках имеется небольшое число свободных электронов, не связанных с атомами. Именно эти электроны являются носителями тока в полупроводниках. Их называ-

ют собственными носителями. Собственных носителей в полупроводниках очень мало, поэтому их сопротивление велико, а проводимость называе-

мая собственной, также мала.

Основную долю электронов в полупроводниках составляют элек-

троны, связанные с атомами. С ростом температуры кинетическая энергия связанных электронов возрастает и они могут стать свободными. В ре-

зультате сопротивление полупроводника уменьшится.

8

В металлах число свободных электронов не меняется, зато рост тем-

пературы усиливает колебания ионов, что ведет к росту сопротивления.

Для более глубокого понимания деления веществ на проводники,

полупроводники и диэлектрики ознакомимся с элементами зонной теории электропроводности.

Согласно квантовой механике, в изолированном атоме энергии свя-

занных электронов не могут иметь произвольные значения. Эти энергии образуют определенный набор дискретных (прерывистых) значений, кото-

рые называются энергетическими уровнями (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Энергетические уровни электронов

В кристаллических телах из-за наличия периодического расположе-

ния атомов в кристаллической решетке возникает периодическое электри-

ческое поле (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Периодическое электрическое поле в кристаллических телах

9

Поэтому энергетические состояния электронов зависят как от взаи-

модействия с ядром своего атома, так и от взаимодействия с электриче-

ским полем кристалла.

В результате взаимодействия уровней, обладающих равной энерги-

ей, но принадлежащим к разным атомам, эти уровни расщепляются, обра-

зуя энергетическую зону.

Если N - общее число атомов твердого тела, то энергетическая зона,

образовавшаяся из энергетического уровня валентного электрона, состоит из N близко расположенных уровней. На каждом энергетическом уровне, в

силу «принципа запрета» Паули, может находится не более двух электро-

нов. Эти уровни называются разрешенными энергетическими зонами и от-

стоят друг от друга примерно на 10 - 2 эВ. 1 электрон вольт это энергия,

которую приобретает электрон (заряд электрона e = 1,6 10-19 Кл) при про-

хождении разности потенциалов U=1 Вольт. W=e U; 1 эВ=1,6 10-19 1 = 1,6 10-19 Дж.

Разрешенные энергетические зоны (рис. 8.3) разделены зонами за-

прещенных значений энергии электронов, т.е. такими значениями, кото-

рыми электрон обладать не может. Разрешенные зоны могут заполняться электронами различным образом.

Рис. 8.3. Разделение энергетических зон

Электроны могут переходить из одной разрешенной зоны на сво-

бодный уровень другой. Для перехода из нижней зоны 1 в верхнюю 2

10