Дія простого фотореле
Устаткування: 1) фоторезистор ФС-К1 на підставці, 2) поляризоване реле РП-5 на підставці, 3) джерело струму, 4) електрична лампа потужністю 60 Вт на підставці, 5) освітлювач тіньовий, 6) кювета скляна з плоско паралельними стінками на підставці, 7) склянок хімічних з водою — 2 шт., 8) підйомний столик, 9) вимикач демонстраційний, 10) провідники сполучні.
Для цієї демонстрації користуйтеся уже готовим зібраним промисловістю фотореле, зі схемою для збору фотореле самостійно тільки ознайомтеся. Всі досліди виконуйте на готовому фотореле
Для демонстрації фотореле збирають установку по рис. У ланцюг джерела струму включають послідовно фоторезистор ФС-К1, поляризоване реле РП-5 і однополюсний вимикач. Контакти реле регулюють так, щоб якір міг займати тільки два крайні положення, а лампу, включену в старанний ланцюг, спалахувала при освітленому фоторезисторі гаснула при його затемненні.
З цим фотореле показують наступні досліди, що розкривають принципи роботи простих фотоелектронних пристроїв автоматики.
Фоторезистор освітлюють освітлювачем тіньовим. Фотореле реагує на світло і включає сигнальну лампу. Потім пучок світла, що падає на фоторезистор, неодноразово і з різною швидкістю перетинають рукою. Фотореле встигає кожного разу включити і вимкнути сигнальну лампу. Учням повідомляють, що за цим принципом працюють різні автоматичні лічильники і сортувальники виробів.
Далі перемикають контакти реле так, щоб лампа в виконавчому ланцюзі спалахувала при затемненому фоторезисторі, і продовжують досліди.
На шляху пучка світла від електричного ліхтарика, направ-ленного на фоторезистор, встановлюють на підйомному столику хімічну склянку.
На початку досліду склянка порожня; пучок світла вільно проходить через скло і потрапляє на фоторезистор. Реле утримує свої контакти, і сигнальна лампа не горить.
Потім в склянку повільно наливають підфарбовану чорнилом воду і спостерігають за підняттям її рівня. Як тільки вода закриє доступ променям світла до фоторезистора, фотореле включить сигнальну лампу.
Рис. 10. Установка і схема фотореле з фоторезистором
Завдання 6. Електронна і діркова електропровідність напівпровідників
Обладнання: 1) термоелемент напівпровідниковий на підставці, 2) гальванометр демонстраційний від вольтметра, 3) дроти з’єднань, 4) нагрівач - електричний паяльник або спиртівка.
Для демонстрації двох видів електропровідності сумісних напівпровідників беруть напівпровідниковий термоелемент. Вид електропровідності визначають за напрямом термоструму в ланцюзі. Дослід починають з демонстрації електронної провідності.
Збирають установку за рис. 11. Індикатором термонапруги є демонстраційний гальванометр з малим внутрішнім опором (від вольтметра) і шкалою «5-0-5». Його стрілку заздалегідь встановлюють на нуль шкали за допомогою механічного коректора, а сам прилад підключають до термоелемента так: затиск гальванометра зі знаком « + » з’єднують з нижнім холодним кінцем напівпровідника, що володіє електронною провідністю (з правою клемою термоелемента), а другу клему гальванометра — з верхнім краєм напівпровідника (середньою клемою термоелемента).
Рис.11 Демонстрація електронної провідності напівпровідників
Поки температура обох кінців напівпровідника однакова, струму в ланцюзі немає. Потім верхній кінець напівпровідника (до нього припаяна мідна пластинка) обережно нагрівають, наприклад, злегка розігрітим електричним паяльником. Стрілка гальванометра відхиляється вліво. По напряму струму легко визначити полярність кінців включеного напівпровідника. Перевірка показує, що струм в ланцюзі йде від гарячого кінця напівпровідника до холодного. Отже, гарячий кінець напівпровідника зарядився позитивно, а холодний негативно.
Згідно рис. 12, що зображено на класній дошці, учням пояснюють, що таке явище можливе у тому випадку, якщо основними носіями заряду в напівпровіднику є електрони. Дійсно, при нагріванні напівпровідника, за рахунок атомів домішок, збільшується число вільних електронів. Ці електрони за законами дифузії починають переміщуватися в напівпровіднику у бік холодного кінця і заряджають його негативно. Гарячий кінець при цьому заряджається позитивно. Розподіл зарядів призводить до утворення електричного поля, під дією якого і створюється термострум в ланцюзі.
Для демонстрації діркової провідності гальванометр підключають до кінців другого напівпровідника термоелемента, причому нагрітий кінець напівпровідника (середній затиск) з’єднують з тим же клемою гальванометра, що і в першому випадку при нагріванні одного кінця.
Рис.12 Схема руху електронів в напівпровіднику з електронною провідністю при нагріванні одного кінця
Рис.13 Демонстрація діркової провідності напівпровідників
Рис.14 Схема руху дірок в напівпровіднику з дірковою провідністю
Тепер стрілка гальванометра відхиляється в праву сторону, незважаючи на однакове підключення гальванометра. Зворотний напрям струму в ланцюзі вказує на зворотну полярність кінців напівпровідника : гарячий кінець зарядився негативно, а холодний — позитивно. Значить, в другому напівпровіднику змінився знак носіїв заряду. Тепер носії заряду являються дірки, які поводяться як позитивні заряди.
У ході демонстрації дають пояснення другій частині досліду. На гарячому кінці напівпровідника виникають додаткові вільні електрони. Але електрони, що тепер звільнилися, захоплюються атомами домішок і знову втрачають можливість переміщуватися і брати участь в провідності. В той же час в основних атомах напівпровідника, з яких ці електрони вирвалися, залишаються вільні місця — дірки. Таких дірок утворюється більше в нагрітому кінці напівпровідника. З сусідніх атомів на місце дірок переходять валентні електрони, що утворилися. Дірки в перших атомах заповнюються електронами, але вони з'являються в інших атомах. У результаті таких своєрідних переходів електронів дірки переміщуються від гарячого кінця до холодного і заряджають його позитивно; гарячий же кінець напівпровідника заряджається негативно.
На кінець, необхідно підкреслити, що дірки не є реальними частками; у обох видах провідності напівпровідників рухаються тільки валентні електрони і ніяких інших вільних зарядів в напівпровіднику немає. Провідність відрізняється одна від одної лише механізмом руху електронів.
Електронна провідність обумовлена спрямованим рухом вільних електронів, а діркова викликана рухом пов'язаних електронів, які переходять від атома до атома, по черзі заміщують один одного в зв'язках, що еквівалентно руху дірок в протилежному напрямі. Фіктивна частка - дірка вводиться лише для простоти опису складного процесу руху електронів в напівпровіднику.
У роз'ясненні явищ, що вивчаються, велику допомогу може надати демонстрація учбового кінофільму «Напівпровідники і їх застосування в техніці». Тут слід показати другий і третій фрагменти, які називаються відповідно «Власна провідність напівпровідників» і «Домішкова провідність напівпровідників».