ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ. Лабораторная установка состоит из собранной электрической цепи (рис

 

 

Лабораторная установка состоит из собранной электрической цепи (рис. 3.6). Двухполюсный ключ К1 дает возможность менять направление тока через диод. Однополюсный ключ К2 служит для подключения вольтметра V к диоду для измерения прямого и обратного напряжения. Величина прямого тока измеряется миллиамперметром (mA), а обратного - микроамперметром (μА). Напряжение на диод подается с реостата Rx. Сопротивление R1 предназначено для предварительной установки максимального напряжения (выполняет роль ограничителя напряжения).

 

Рисунок 3.6 – Электрическая цепь лабораторной установки

 

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

 

1.Снять вольт-амперную характеристику диода при прямом включении. Для этого:

- сопротивление R перевести в положение «2»;

- ключи К1 и К2 перевести в положение «Пр»;

- изменяя напряжение от 0 В до 0,7 В при помощи реостата Rx измерить ток используя миллиамперметр так, чтобы было 6-8 значений отличных от нуля;

- после измерения реостат Rx вывести в нулевое положение и разомкнуть ключ К1.

2.Снять вольт-амперную характеристику диода при обратном включении. Для этого:

- сопротивление R перевести в положение «0»;

- ключи К1 и К2 перевести в положение «Обр»;

- изменяя напряжение от 0 В до 8 В при помощи реостата Rx измерить ток используя микроамперметр так, чтобы было 4-6 значений отличных от нуля;

- после измерения реостат Rx вывести в нулевое положение и разомкнуть ключ К1.

3.Результаты измерений заносят в таблицу 3.1.

 

Таблица 3.1 – Экспериментальные данные

 

№ п/п Кремниевый диод Д814А
1.        
2.        
3.        
…        

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

 

 

1.На миллиметровой бумаге построить вольтамперную характеристику диода (см. рис. 3.5). Обратить внимание, что прямой ток надо указать в мА, а обратный в мкА. Масштаб отличается при этом в 103 раз.

2. Определить динамическое сопротивление диода r по формуле (3.2) учитывая масштаб чертежа.

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

 

1. Какие вещества называются полупроводниками?

2. Какие полупроводники называются донорными (n -типа) и акцепторными (p -типа)?

3. Какие физические процессы происходят на контакте двух полупроводников разного типа проводимости? Что такое p -n -переход?

4. Объясните термин: «запирающий слой». Почему такой слой возникает на контакте двух полупроводников с разным типом проводимости?

5. Изобразите энергетические зоны полупроводника в области перехода в случае, когда внешнее поле отсутствует. Что такое контактная разность потенциалов?

6. Объясните, какими носителями тока (основными или неосновными) определяется ток через p -n -переход в случаях:

7. а) при обратном включении диода,

8. б) при прямом включении диода.

9. Изобразите на чертеже вольт-амперную характеристику полупроводникового диода. Что такое прямой и обратный токи? Охарактеризуйте их зависимость от напряжения.

10. Почему при неизменных внешних условиях количество свободных носителей зарядов в полупроводнике остается постоянной, несмотря на то, что генерация пар электрон-дырка происходит непрерывно?

11. Как внешнее электрическое поле влияет на электропроводность полупроводника?

12. Объясните вольт - амперную характеристику диода. Почему прямой ток в переходе значительно больше обратного при одинаковой величине напряжения?

13. Чем создается обратный ток в p - n переходе?

14. Объяснить работу выпрямителей (рис. 3.7, 3.8, 3.9). Вычеркнуть и сравнить графики входного напряжения (силы тока) и напряжения (силы тока) на сопротивлении R нагрузки для каждой схемы

Рисунок 3.7 – Электрическая цепь с одним диодом

Рисунок 3.8 – Электрическая цепь с двумя диодами

Рисунок 3.9 – Электрическая цепь с четырьмя диодами

 

ЛИТЕРАТУРА [2, c.173-180], [3, c.346-362], [4, c.284-292]

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА

 

 

Цель работы: ознакомление с конструкцией и определение электрической емкости конденсатора.

Материалы и оборудование: источник переменного тока, вольтметр, амперметр, набор сопротивлений, магазин конденсаторов.

Практическое значение:конденсаторы находят применение практически во всех областях электротехники, совместно с катушками индуктивности и/или резисторами используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами.

 

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

 

Конденсатор – электротехническое устройство, состоящее из проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика.

Электроемкостью конденсаторов называется физическая величина, численно равная отношению заряда одной из обкладок к разности потенциалов (напряжению) между ними:

(4.1)

Преимущество конденсаторов перед уединенными проводниками:

1) они электронейтральны;

2) поле конденсаторов локализовано обкладками конденсатора, поэтому они не подвержены влиянию внешних электрических полей;

3) электроемкость конденсаторов можно изменять по величине.

Электроемкость плоского конденсатора (рис. 4.1).

,

Получаем: – емкость плоского конденсатора.

Электроемкость сферического конденсатора (рис.4.2). Сферический конденсатор представляет собой две концентрические сферы. Поле в зазоре между сферами создается только внутренней сферой, поэтому изменяется по закону:

.

Следовательно:

,

.

Окончательно, емкость сферического конденсатора равна:

(4.2)

При последовательном соединении конденсаторов (согласно закону сохранения электрического заряда) заряд на каждом из конденсаторов одинаковый и равен полному заряду (рис. 4.3):

;(4.3)

напряжение в цепи равно сумме напряжений на каждом конденсаторе:

;(4.4)

обратное значение емкости цепи равно сумме обратных значений емкости каждого конденсатора:

.(4.5)

Если цепь состоит из n одинаковых конденсаторов, то емкость такой цепи равна:

.(4.6)

При параллельном соединении конденсаторов (согласно закону сохранения электрического заряда) заряд в цепи равен сумме зарядов на каждом конденсаторе (рис. 4.4):

;(4.7)

напряжение в цепи равно напряжению на каждом конденсаторе:

;(4.8)

емкость цепи равна сумме емкостей каждого конденсатора:

.(4.9)

Если цепь состоит из n одинаковых конденсаторов, то

.(4.10)

При параллельном соединении получается выигрыш в электроемкости, но возникают недостатки в ограничении рабочих напряжений. Последовательное соединение применяется, когда необходимо увеличить рабочее напряжение, но электроемкость при этом уменьшается.

В цепи переменного тока, содержащей последовательно включенные резистор R, катушку индуктивности L и конденсатор С (рис. 4.5), подается переменное напряжение . В цепи возникает переменный ток, который вызовет падения напряжения на всех элементах цепи: резисторе (UR),катушке индуктивности (UL),конденсаторе (UC), что представлено на векторной диаграмме амплитуд падений напряжения (рис. 4.6). Амплитуда Um приложенного напряжения равна векторной сумме амплитуд этих падений напряжений. Из рис. 4.6 видно, что угол φ численно равен разности фаз между напряжением и силой тока и определяется формулой:

.(4.11)

По теореме Пифагора получаем:

.

откуда получаем значение амплитуды силы тока:

,(4.12)

 

совпадающей с амплитудой силы тока вынужденных электромагнитных колебаний.

Таким образом, если напряжение в цепи изменяется по закону

, (4.13)

 

то в цепи течет ток

.(4.14)

Величина

(4.15)

называется полным сопротивлением цепи, а величина

–(4.16)

реактивным сопротивлением.

При отсутствии в цепи катушки индуктивности выражение (4.12) принимает вид:

 

.(4.17)

 

С учетом, что циклическая , а максимальные значения силы тока и напряжения связаны действующим, как и , то из (4.17) можно выразить емкость:

,

 

 

.(4.18)

 

 

2 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

 

 

 
 

На рис. 4.7 изображена схема установки для определения емкости конденсатора в цепи переменного тока.

Блок питания переменного тока напряжением U=36В включен в цепь с магазином сопротивлений R и конденсатором переменной емкости C. Сила тока в цепи измеряется амперметром с Im=100mA, напряжение вольтметром Um=75В

 

 

3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Включить блок питания U=36В.

2. Установить емкость конденсатора С1 в интервале от 4 до 10 мкФ.

3. Изменяя сопротивление R c шагом ΔR=100 Ом зафиксировать показания амперметра и вольтметра.

4. Измеренные значения силы тока и напряжения занести в таблицу 4.1

5. Установить емкость конденсатора С2 и повторить пункты 3-4.

Таблица 4.1 – Экспериментальные данные

№ С1= С2=
  I,mA U,B R,Ом I,mA U,B R,Ом