Введение в электронику

Рис. 1–2. Части атома.

Количество протонов в ядре атома называется атомным номером элемента. Атомные номера позволяют отличить один элемент от другого.

Каждый элемент имеет атомный вес. Атомный вес — это масса атома, которая определяется общим числом протонов и нейтронов в ядре. Электроны практически не дают вклада в общую массу атома, масса электрона составляет только 1/1845 часть массы протона и ею можно пренебречь.

Электроны вращаются по концентрическим орбитам вокруг ядра. Каждая орбита называется оболочкой. Эти оболочки заполняются в следующей последовательности: сначала заполняется оболочка К, затем L, М, N и т. д. (рис. 1–3).

Рис. 1–3. Электроны расположены на оболочках вокруг ядра.

Максимальное количество электронов, которое может разместиться на каждой оболочке показано на рис. 1–4.

Рис. 1–4. Количество электронов, которое может принять каждая оболочка.

Внешняя оболочка называется валентной, и количество электронов, содержащееся в ней, называется валентностью.

Чем дальше от ядра валентная оболочка, тем меньшее притяжение со стороны ядра испытывает каждый валентный электрон. Таким образом, потенциальная возможность атома присоединять или терять электроны увеличивается, если валентная оболочка не заполнена и расположена достаточно далеко от ядра.

Электроны валентной оболочки могут получать энергию. Если эти электроны получат достаточно энергии от внешних сил, они могут покинуть атом и стать свободными электронами, произвольно перемещающимися от атома к атому.

Материалы, содержащие большое количество свободных электронов называются проводниками. На рис. 1–5 сравниваются проводимости различных металлов, используемых в качестве проводников. В таблице серебро, медь и золото имеют валентность равную единице (рис. 1–6). Однако серебро является лучшим проводником, поскольку его валентные электроны слабее связаны.

Рис. 1–5. Проводимость различных металлов, используемых в качестве проводников.

Рис. 1–6. Валентность меди равна 1.

Изоляторы, в противоположность проводникам, препятствуют протеканию электричества. Изоляторы стабильны благодаря тому, что валентные электроны одних атомов присоединяются к другим атомам, заполняя их валентные оболочки, препятствуя, таким образом, образованию свободных электронов. Материалы, классифицируемые как изоляторы, сравниваются на рис. 1–7.

Рис. 1–7. Диэлектрические свойства различных материалов, используемых в качестве изоляторов.

Слюда является наилучшим изолятором, потому что она имеет наименьшее число свободных электронов на своих валентных оболочках.

Промежуточное положение между проводниками и изоляторами занимают полупроводники. Полупроводники не являются ни хорошими проводниками, ни хорошими изоляторами, но они важны, потому что их проводимость можно изменять от проводника до изолятора.

Кремний и германий являются полупроводниковыми материалами.

Об атоме, который имеет одинаковое число электронов и протонов, говорят, что он электрически нейтрален. Атом, получающий один или более электронов, не является электрически нейтральным. Он становится отрицательно заряженным и называется отрицательным ионом. Если атом теряет один или более электронов, то он становится положительно заряженным и называется положительным ионом. Процесс присоединения или потери электронов называется ионизацией. Ионизация играет большую роль в протекании электрического тока.

1–2. Вопросы

При наличии внешней силы движение электронов направлено от отрицательно заряженных атомов к положительно заряженным. Этот поток электронов называется током (I). Ток измеряется суммой зарядов всех электронов, прошедших через заданную точку.

Электрон имеет очень маленький заряд, такой, что заряд 6 280 000 000 000 000 000 электронов, собранных вместе, называется кулоном (Кл). Когда заряд в один кулон проходит через заданную точку за одну секунду, это означает, что по проводнику течет ток в один ампер (А). Единица силы тока названа в честь французского физика Андре Мари Ампера (1775–1836). Сила тока измеряется в амперах.

1–3. Вопросы

Если имеет место избыток электронов (отрицательный заряд) на одном конце проводника и дефицит электронов (положительный заряд) на другом конце проводника, то по проводнику течет ток. Ток будет течь до тех пор, пока эти условия выполняются. Источник, который создает избыток электронов на одном конце проводника и дефицит электронов на другом конце, характеризуется потенциалом. Потенциал — это способность источника выполнять электрическую работу.

Реальная работа, производимая в цепи, является результатом наличия разности потенциалов на двух концах проводника. Именно эта разность потенциалов заставляет электроны двигаться или течь в цепи (рис. 1–8).

1–8. Поток электронов в цепи, обусловленный разностью потенциалов.

Разность потенциалов связана с электродвижущей силой (э.д.с.) или напряжением. Напряжение — это сила, которая перемещает электроны в цепи. Напряжение можно представить как давление или насос, перемещающий электроны.

Символ Е используется в электронике для обозначения напряжения. Единицей измерения напряжения является вольт (В), названный в честь графа Алессандро Вольта (1745–1827), изобретателя первого элемента, вырабатывающего электричество. Один вольт — это потенциал, приложенный к проводнику сопротивлением в один ом, для получения тока в один ампер.

1–4. Вопросы