Министерство образования и науки Украины

Киевская государственная академия водного транспорта

Кафедра технических средств судовождения и радиосвязи

ОСНОВЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Опорный конспект

Рекомендован в качестве учебного пособия для студентов специальности

«Судовождение» по направлению «ГМССБ»

дневной и заочной форм обучения

Старший преподаватель Пустовой Н.К.

Студента 2 курсу

Факультету СВ, 1116 гр.

Сопіженка Богдана

КИЕВ

2013

Краткие сведения о строении атомов

Согласно современной электронной теории все окружающие нас вещества состоят из мельчайших частиц - атомов. Атом, в свою очередь, состоит из еще более мелких частиц, основными из которых являются протоны, нейтроны и электроны. Протоны имеют поло­жительный электрический заряд, электроны - отрицательный, рав­ный по величине заряду протона, а нейтроны нейтральны, их заряд равен нулю. Электрон является частицей материи с постоянным отрицательным электрическим зарядом и массой.

Протоны и нейтроны образуют ядро, в ко­тором сосредоточена практически вся масса атома. Вокруг ядра под влиянием его притяже­ния электроны движутся по определенным замкнутым траекториям - орбитам. В нормальном состоянии атом содержит одинаковое количество протонов и электронов и поэтому он электрически нейтрален.

Количество протонов, нейтронов и электронов в атоме зависит от типа химического элемента. Так, например, в атоме водорода вокруг ядра вращается толь­ко один электрон, в атоме меди - 29, в атоме золота - 79 и т. д. Число электронов, вращающихся вокруг ядра, всегда равно порядковому номеру элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Количество электронов, находящихся на каждой орбите, и количество орбит для каждого вещества также совершенно определено. На первой, внутренней орбите могут размещаться не более двух электронов, на следующих двух орбитах по восемь, на четвертой орбите - десять, на пятой - восемь и т.д. Вращающиеся в атоме электроны, которые расположены на внешних орбитах, связаны с ядром слабее, чем электроны, находящиеся на внутренних, близких к ядру орбитах. Эти электроны называются валентными и определяют химическую активность вещества. Под действием внешних факторов электроны могут покинуть свою орбиту и стать свободными. Чем больше свободных электронов имеет вещество, тем больше его электропроводность. При наличии внешнего электрического поля движение свободных электронов становится упорядоченным и возникает электрический ток.

Зонная энергетическая диаграмма.

В твердом теле, состоящем из множества атомов, энергетические уровни отдельных атомов объединяются и образуют энергетические зоны. На рисунке ниже показаны графические зоны диэлектриков, проводников и полупроводников. По вертикальной оси диаграмы откладывается уровень энергии, которой обладают электроны.

У проводников большое количество свободных электронов, у диэлектриков валентные элек­троны удерживаются ковалентными связями, у полупроводников структура как у диэлектри­ков, но ковалентные связи значительно слабее.

В полупроводнике достаточно сравнительно небольшого количе­ства энергии, получаемой из внешней среды (температура, освещенность, сильное электриче­ское поле) чтобы электроны разорвали внутриатомные (ковалентные) связи и стали свободны­ми.

Диапазон энергий, в котором лежит энергия электрона, удерживаемого внутриатомной связью, называется зоной валентности, или валентной зоной.

Диапазон энергий, в котором лежит энергия электрона, разорвавшего внутриатомной связь и ставшего свободным, называется зоной проводимости.

Ширина запрещенной зоны определяет электропроводность материала.

Для того, чтобы электрон смог разорвать связь с ядром и стать свободным, он должен получить энергию, большую ширины запрещенной зоны.

Движение электронов в ускоряющем электрическом поле.

Рассмотрим однородное электрическое поле с напряженностью E=U/d.

В таком поле напря­женность в любой точке имеет одинако­вую величину и

направление.

На единичный положительный заряд, помещенный в электрическое поле, действует сила, рав­ная по величине напряженности этого поля. F=Е - для единичного положительного заряда и F=-е∙Е - для электрона.

Знак «-» показывает, что сила действующая на электрон, направлена против линии напряжен­ности электрического поля. Под действием данной силы электрон будет двигаться равноуско­ренно и приобретет максимальную скорость в конце пути. Поле, линии напряженности кото­рого направлены навстречу вектору начальной скорости электрона Vо, называется ускоряю­щим электрическим полем. Работа по переме­щению электрона из одной точки поля в другую равна произведению заряда электрона на раз­ность потенциалов между этими точками A = e∙U. Данная работа затрачивается на сообщение электрону кинетической энергии.

где V - конечная скорость электрона,

Vо - начальная скорость электрона.

Если Vо = 0 то A = Wk, а так как e и m - константы, то V ≈ 600 √U

Отсюда видно, что скорость электрона в электрическом поле определяется только величиной напряжения между двумя точками поля.

Например, при U=1в скорость равна V= 600 км\сек, при U=100в скорость равна V= 6000 км\сек.

Движение электрона в тормозящем электрическом поле.

Под действием силы F электрон будет двигаться равнозамедленно, в какой -то точке поля он остановится и начнет двигаться в обратном направлении. Электрическое поле, линии напряженности которого совпадают по направлению с вектором начальной скорости электро­на Vо, называется тормозящим электрическим полем.

Движение электрона в поперечном электрическом поле.

Поперечным электрическим полем называется поле, линии напряженности которого перпен­дикулярны вектору начальной скорости электрона.

Под действием силы F возникает вертикальная составляющая скорости электрона, которая будет все время увеличиваться. Первоначальная скорость электрона остается постоянной, в результате чего траектория его движения будет представлять собой параболу. Но вылете электрона за пределы действия поля он будет двигаться по прямой.

Движение электрона в магнитных полях.

На электрон в магнитном поле действует сила Лоренца F = B∙e∙Vo∙sinα. При α = 0° получим sinα = 0 электрон не испытывает никакого воздействия магнитного поля. При α = 90° получим sinα = 1 и траектория будет представлять собой дугу окружности.

Когда α не равен 0 или 90°, вектор скорости электрона можно разложить на две составляющие - попереч­ную и продольную относительно направления магнитных силовых линий. Под дей­ствием поперечной составляющей электрон будет двигаться по окружности, а под действием продольной составляющей - двигаться поступательно. В результате траектория будет пред­ставлять собой спираль.

Электронная эмиссия

Для получения в вакууме электронного прибора потока электронов используется специальный металлический или полупроводниковый электрод- катод. Для того чтобы электроны могли выйти за пределы катода, необходимо сообщить им извне дополнительную энергию, достаточную для преодоления противодействующих сил. Процесс выхода электронов из катода в окружающую среду называется электронной эмиссией.

В зависимости от спосо­ба сообщения электронам добавочной энергии различают такие ви­ды электронной эмиссии:

а) термоэлектронную эмиссию, при которой дополнительная энергия сообщается электронам в результате нагрева катода;

б) фотоэлектронную эмиссию, при которой поверхность катода облучается светом;

в) вторичную электронную эмиссию, являющуюся результатом бомбардировки катода потоком электронов или ионов, летящих с большой скоростью;

г) электростатическую (автоэлектронную) эмиссию, при кото­рой сильное электрическое поле у поверхности катода создает силы, способствующие выходу электронов за его пределы.

Электровакуумные приборы

Электровакуумными приборами называются электронные приборы, принцип действия которых основан на движении электронов в вакууме при работе в различных элек­трических полях. Хотя в большинстве на смену электронным лампам пришли полупроводниковые приборы, лампы все еще находят применение в видеотерминалах, радиолокаторах, спутниковой связи и во многих других электронных приборах.

Электронная лампа представляет собой, по существу, герметичную ампулу, в вакууме или газовой среде которой движутся электроны. Ампулу обычно изготавливают из стекла или металла. В лампе имеется несколько проводящих элементов, называемых электродами. В большинстве случаев электроды лампы изолированы друг от друга и посредством проволочных выводов соединены с внешними схемами. Электроды, которые служат для управления движением электронов, называются сетками; электроды, на которые электроны собираются, называются анодами.

Эмиссию электронов в лампе осуществляет катод. Эта эмиссия вызывается либо нагревом катода, в результате которого электроны испаряются с его поверхности, либо воздействием света на катод.

В зависимости от способа нагрева катода электрическим током различают катоды прямого накала и косвенного (подогревные). Катоды прямого накала представляют собой нить из тугоплавкого металла, нагреваемую непосредственно проходящим по ней током накала. Подогревной катод состоит из никелевой трубки, на наружную поверхность которой нанесен оксидный эмитирующий слой.

Электровакуумный диод.

Диод представляет собой простейшую электронную лампу, имеющую два металлических электрода- катод и анод.

После того как электроны покинули катод, их движение определяется силами электрических полей, воздействующих на них в вакууме. В простейшей электронной лампе - диоде электроны притягиваются положительным потенциалом второго электрода - анода, где они собираются и проходят в цепь соответствующей схемы. Диод представляет прибор, пропускающий ток только в одном направлении - от анода к катоду, - и, следовательно, является выпрямителем.

На рис. показаны диод с катодом прямого накала (а) и диод с катодом косвенного накала (б), а справа – вольтамперная характеристика диода.

Система маркировки электровакуумных диодов.