Электроника:Постоянный ток/Физика проводников и диэлектриков/Введение в физику проводников и диэлектриков: различия между версиями

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску
Нет описания правки
Нет описания правки
 
(не показаны 4 промежуточные версии 1 участника)
Строка 3: Строка 3:
{{Myagkij-редактор}}
{{Myagkij-редактор}}


=Введение в физику проводников и диэлектриков<ref>[ www.allaboutcircuits.com - ]</ref>=
=Введение в физику проводников и диэлектриков<ref>[https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-12/introduction-conductance-and-conductors/ www.allaboutcircuits.com - Introduction to Conductance and Conductors ]</ref>=


Полагаю, что вы уже понимаете, что тип материала и его проводимость взаимосвязаны. Материалы, легко пропускающие свободные электроны, называются проводниками, а материалы, препятствующие прохождению свободных электронов, называются диэлектриками (или изоляторами).
Полагаю, что вы уже понимаете, что тип материала и его [[проводимость]] взаимосвязаны. Материалы, легко пропускающие [[свободные электроны]], называются [[проводник]]ами, а материалы, препятствующие прохождению [[свободных электронов]], называются [[диэлектрик]]ами (или [[изолятор]]ами).


Увы, научные теории, объясняющие, почему одни материалы легко пропускают электроны, а другие нет, довольно сложны. Пришлось бы вдаваться в квантово-механические рассуждения о том, по каким принципам электроны располагаются вокруг ядер атомов. Со школьной физики нам хорошо знакома «планетарная» модель электронов, которые в виде кусочков материи вращаются вокруг ядра атома по круговым или эллиптическим орбитам. Однако электроны на своих ''«орбитах»'' вообще ведут себя не как материальные объекты. Скорее, они обладают свойствами как частиц, так и волн. Поведение электронов ограничено их нахождением в специальных областях пространства вокруг атомного ядра, называемых ''«оболочками»'' и ''«подуровнями оболочек»''. Занимаемая электроном зона зависит от ограниченного диапазона энергий, а также от того, присутствуют ли в этой оболочке уже другие электроны. Если бы электроны действительно были аналогичны крошечным планетам, удерживаемых на орбитах вокруг ядра за счёт электростатического притяжения, их движения описывались бы теми же законами, что и перемещение реальных планет. В этом случае неоткуда было бы возникнуть реальным различиям между проводниками и диэлектриками. Да и химические связи между атомами строились бы совсем по другим принципам. Именно дискретная, «количественная» природа энергии и расположения электронов, описываемая квантовой физикой, определяет закономерности этих явлений.  
Увы, научные теории, объясняющие, почему одни материалы легко пропускают [[электрон]]ы, а другие нет, довольно сложны. Пришлось бы вдаваться в квантово-механические рассуждения о том, по каким принципам [[электрон]]ы располагаются вокруг ядер [[атом]]ов. Со школьной физики нам хорошо знакома [[«планетарная» модель электронов]], которые в виде кусочков материи вращаются вокруг ядра [[атом]]а по круговым или эллиптическим орбитам. Однако [[электрон]]ы на своих «орбитах» вообще ведут себя не как материальные объекты. Скорее, они обладают свойствами как частиц, так и волн. Поведение [[электрон]]ов ограничено их нахождением в специальных областях пространства вокруг [[атомного ядра]], называемых «оболочками» и «подуровнями оболочек». Занимаемая [[электрон]]ом зона зависит от ограниченного диапазона энергий, а также от того, присутствуют ли в этой оболочке уже другие [[электрон]]ы. Если бы [[электрон]]ы действительно были аналогичны крошечным [[планета]]м, удерживаемых на [[орбита]]х вокруг ядра за счёт [[электростатического притяжения]], их движения описывались бы теми же [[закон]]ами, что и перемещение реальных [[планет]]. В этом случае неоткуда было бы возникнуть реальным различиям между [[проводник]]ами и [[диэлектрик]]ами. Да и [[химические связи]] между [[атом]]ами строились бы совсем по другим принципам. Именно [[дискретная]], «количественная» природа энергии и расположения [[электрон]]ов, описываемая [[квантовой физикой]], определяет закономерности этих явлений.  


==Атом в возбужденном состоянии==
==Атом в возбужденном состоянии==


Это когда электроны могут свободно переходить на более высокие энергетические орбиты вокруг атомного ядра, свободно покидать атом и составлять часть электрического тока, протекающего через вещество.
Это когда [[электрон]]ы могут свободно переходить на более высокие [[энергетические орбиты]] вокруг [[атомного ядра]], свободно покидать [[атом]] и составлять часть [[электрического тока]], протекающего через вещество.


==Атом в основном состоянии==
==Атом в основном состоянии==


Однако, если на электрон наложены квантовые ограничения, лишающие его возможности свободно покидать атом, то такой электрон считается ''«связанным»'', он не может оторваться от атома (ну, или по крайней мере, ему крайне нелегко это сделать), чтобы образовать ток. Сценарий с возбуждённым состоянием атомов типичен для проводящих материалов, а второй - для изоляционных материалов (диэлектриков).
Однако, если на [[электрон]] наложены квантовые ограничения, лишающие его возможности свободно покидать [[атом]], то такой [[электрон]] считается «связанным», он не может оторваться от [[атом]]а (ну, или по крайней мере, ему крайне нелегко это сделать), чтобы образовать ток. Сценарий с возбуждённым состоянием [[атом]]ов типичен для проводящих материалов, а второй - для [[изоляционных материалов]] ([[диэлектрик]]ов).


В некоторых учебниках написано, что электрическая проводимость элемента определяется исключительно количеством электронов, находящихся во внешней «оболочке» атомов (называемой валентной оболочкой). Однако это чересчур упрощенное объяснение, что подтвердит любое исследование, в котором проводимость сопоставляется с количеством валентных электронов, взятых из таблиц элементов. Сложность ситуации раскрывается при рассмотрении проводимости молекул (совокупностей атомов, связанных друг с другом активными электронами).
В некоторых [[учебник]]ах написано, что [[электрическая проводимость]] элемента определяется исключительно количеством [[электрон]]ов, находящихся во внешней «оболочке» [[атом]]ов (называемой [[валентной оболочкой]]). Однако это чересчур упрощенное объяснение, что подтвердит любое исследование, в котором [[проводимость]] сопоставляется с количеством [[валентных электронов]], взятых из таблиц элементов. Сложность ситуации раскрывается при рассмотрении проводимости [[молекул]] (совокупностей [[атом]]ов, связанных друг с другом активными [[электрон]]ами).


В качестве показательного примера можно привести углерод, из которого состоят такие материалы как графит и алмаз, с сильно различающейся друг от друга проводимостью. Графит - хороший проводник электричества, а алмаз - почти диэлектрик (технически он классифицируется как полупроводник, поскольку в чистом виде действует как изолятор, но может проводить ток при высоких температурах и/или под воздействием примесей). И графит, и алмаз состоят из одного и того же вещества: углерода, в каждом атоме которого по 6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов. Принципиальное различие между графитом и алмазом заключается в том, что молекулы графита состоят из атомов углерода, объединённых в плоские группы (слои, с непрочными межатомными связями, поэтому графит и имеет такую рыхлую структуру), а молекулы алмаза представляют собой жёсткие тетраэдрические (пирамидальные) конструкции из атомов углерода (и данная жёсткость молекулярной конструкции обуславливает знаменитую твёрдость алмаза).
В качестве показательного примера можно привести [[углерод]], из которого состоят такие материалы как [[графит]] и [[алмаз]], с сильно различающейся друг от друга [[проводимость]]ю. [[Графит]] - хороший [[проводник электричества]], а [[алмаз]] - почти [[диэлектрик]] (технически он классифицируется как [[полупроводник]], поскольку в чистом виде действует как [[изолятор]], но может проводить ток при высоких температурах и/или под воздействием примесей). И [[графит]], и [[алмаз]] состоят из одного и того же вещества: [[углерод]]а, в каждом [[атом]]е которого по 6 [[протон]]ов, 6 [[нейтрон]]ов и 6 [[электрон]]ов. Принципиальное различие между [[графит]]ом и [[алмаз]]ом заключается в том, что [[молекулы]] [[графит]]а состоят из [[атом]]ов [[углерод]]а, объединённых в плоские группы (слои, с непрочными [[межатомными связями]], поэтому [[графит]] и имеет такую рыхлую структуру), а [[молекулы]] [[алмаз]]а представляют собой жёсткие [[тетраэдрические]] ([[пирамидальные]]) конструкции из [[атом]]ов [[углерод]]а (и данная жёсткость молекулярной конструкции обуславливает знаменитую твёрдость [[алмаз]]а).


Целенаправленное добавление примесей в полупроводник с целью изменения его электрических, оптических и структурных свойств называется легированием. Если атомы углерода объединяются с атомами других химических элементов, образовывая новые соединения, электрическая проводимость меняется. Карбид кремния (соединение кремния и углерода) демонстрирует нелинейное поведение: его электрическое сопротивление уменьшается с увеличением приложенного напряжения! Углеводородные соединения (например, молекулы масел), как правило, очень хорошие диэлектрики. Как видите, банальный подсчёт валентных электронов в атоме - ненадёжный индикатор электропроводности вещества.
{{ads2}}


Все металлы являются хорошими проводниками электричества в силу того, как в них атомы связаны друг с другом. Электроны достаточно легко меняют свои энергетические состояния, что позволяет им свободно перемещаться между различными атомами вещества, под воздействием даже самого слабого электромагнитного поля. На самом деле электроны настолько подвижны, что иногда учёные описывают их как электронный газ или даже как электронное море, в котором находятся атомные ядра. Эта подвижность электронов объясняет некоторые из других общих свойств металлов: хорошую теплопроводность, ковкость и пластичность (благодаря чему металлы легко трансформируются в различные формы) и блестящую поверхность (если металл в чистом виде, без примесей).
Целенаправленное добавление примесей в [[полупроводник]] с целью изменения его электрических, оптических и структурных свойств называется [[легирование]]м. Если [[атом]]ы [[углерод]]а объединяются с [[атом]]ами других химических элементов, образовывая новые соединения, [[электрическая проводимость]] меняется. [[Карбид кремния]] (соединение [[кремния]] и [[углерод]]а) демонстрирует нелинейное поведение: его [[электрическое сопротивление]] уменьшается с увеличением приложенного напряжения! [[Углеводородные соединения]] (например, [[молекулы масел]]), как правило, очень хорошие [[диэлектрик]]и. Как видите, банальный подсчёт [[валентных электронов]] в [[атом]]е - ненадёжный индикатор [[электропроводности]] вещества.


К счастью, фундаментальная физика, объясняющая эти явления, в принципе, не относится к тематике данной монографии. Достаточно знать, что какие-то материалы являются хорошими проводниками электричества, какие-то – плохими, а какие-то – где-то посередине. На данный момент достаточно просто понимать, что на эти различия сильно влияет конфигурация электронов вокруг атомов, из которых и состоит вещество.
Все [[металл]]ы являются хорошими [[проводник]]ами электричества в силу того, как в них [[атом]]ы связаны друг с другом. [[Электрон]]ы достаточно легко меняют свои энергетические состояния, что позволяет им свободно перемещаться между различными [[атом]]ами вещества, под воздействием даже самого слабого [[электромагнитного поля]]. На самом деле [[электрон]]ы настолько подвижны, что иногда [[учёные]] описывают их как [[электронный газ]] или даже как [[электронное море]], в котором находятся [[атомные ядра]]. Эта подвижность [[электрон]]ов объясняет некоторые из других общих свойств [[металл]]ов: хорошую [[теплопроводность]], ковкость и пластичность (благодаря чему [[металл]]ы легко трансформируются в различные формы) и блестящую поверхность (если [[металл]] в чистом виде, без примесей).


Чтобы стать «повелителем» электричества, нужно уметь выстраивать пути с контролируемым сопротивлением, по которым будет течь ток. Также жизненно важно предотвращать прохождение тока там, где его быть не должно – и в этом помогут изоляционные материалы. Однако проводники бывают очень даже разными, это же можно сказать и про диэлектрики. Нам необходимо понимать нюансы свойств обычных проводников и изоляторов и уметь применять это на практике.
К счастью, фундаментальная [[физика]], объясняющая эти явления, в принципе, не относится к тематике данной [[монографии]]. Достаточно знать, что какие-то материалы являются хорошими [[проводник]]ами электричества, какие-то – плохими, а какие-то – где-то посередине. На данный момент достаточно просто понимать, что на эти различия сильно влияет конфигурация [[электрон]]ов вокруг [[атом]]ов, из которых и состоит вещество.


Почти все проводники обладают определённым измеримым сопротивлением (есть ещё особые типы материалов, так называемые сверхпроводники, в которых электрическое сопротивление отсутствует полностью, но это необычные материалы, с которыми нужно работать в особых условиях – о них мы позднее в этой главе тоже поговорим). Обычно мы предполагаем, что сопротивление проводников в цепи равно нулю, и ожидаем, что ток проходит через них, не вызывая заметного падения напряжения. В жизни, однако, почти всегда будет падение напряжения на (нормальных) проводящих путях электрической цепи, невзирая на то, хотим мы этого или нет:
Чтобы стать «повелителем» электричества, нужно уметь выстраивать пути с контролируемым [[сопротивление]]м, по которым будет течь ток. Также жизненно важно предотвращать прохождение тока там, где его быть не должно – и в этом помогут [[изоляционные материалы]]. Однако [[проводник]]и бывают очень даже разными, это же можно сказать и про [[диэлектрик]]и. Нам необходимо понимать нюансы свойств обычных [[проводник]]ов и [[изолятор]]ов и уметь применять это на практике.


[[File:До этого мы пренебрегали сопротивлением проводов, считая, что оно не вызывает падения напряжения_08032021_1909.png|frame|center|Рис. 1. До этого мы пренебрегали сопротивлением проводов, считая, что оно не вызывает падения напряжения. В реальных электрических цепях эти падения напряжения всё же нужно учитывать.]]
Почти все [[проводник]]и обладают определённым измеримым [[сопротивление]]м (есть ещё особые типы материалов, так называемые [[сверхпроводник]]и, в которых [[электрическое сопротивление]] отсутствует полностью, но это необычные материалы, с которыми нужно работать в особых условиях – о них мы позднее в этой главе тоже поговорим). Обычно мы предполагаем, что [[сопротивление]] [[проводник]]ов в цепи равно нулю, и ожидаем, что ток проходит через них, не вызывая заметного [[падения напряжения]]. В жизни, однако, почти всегда будет падение напряжения на (нормальных) проводящих путях электрической цепи, невзирая на то, хотим мы этого или нет:


Чтобы рассчитать, какими будут падения напряжения в конкретной цепи, нужно уметь определять сопротивление обычного провода, ориентируясь на длину провода и его диаметр. В следующих разделах этой главы мы рассмотрим эти вопросы более детально.
[[File:До этого мы пренебрегали сопротивлением проводов, считая, что оно не вызывает падения напряжения_08032021_1909.png|frame|center|'''Рис. 1.''' До этого мы пренебрегали сопротивлением проводов, считая, что оно не вызывает падения напряжения. В реальных электрических цепях эти падения напряжения всё же нужно учитывать.|alt=Рис. 1. До этого мы пренебрегали сопротивлением проводов, считая, что оно не вызывает падения напряжения. В реальных электрических цепях эти падения напряжения всё же нужно учитывать.]]


==Итог:==
Чтобы рассчитать, какими будут [[падения напряжения]] в конкретной цепи, нужно уметь определять [[сопротивление]] обычного провода, ориентируясь на длину провода и его [[диаметр]]. В следующих разделах этой главы мы рассмотрим эти вопросы более детально.


* Электропроводность материала определяется конфигурацией электронов в атомах и молекулах (группах связанных атомов) этого вещества.
==Итог==
* Все обычные проводники в той или иной степени обладают сопротивлением.
 
* Ток, протекающий по проводнику с (любым) сопротивлением, вызывает некоторое падение напряжения по длине этого проводника.
* [[Электропроводность]] материала определяется конфигурацией [[электрон]]ов в [[атом]]ах и [[молекула]]х (группах связанных [[атом]]ов) этого вещества.
* Все обычные [[проводник]]и в той или иной степени обладают [[сопротивление]]м.
* Ток, протекающий по проводнику с (любым) [[сопротивление]]м, вызывает некоторое [[падение напряжения]] по длине этого [[проводник]]а.


=См.также=
=См.также=


{{ads}}
 


=Внешние ссылки=
=Внешние ссылки=
Строка 49: Строка 51:
<references />
<references />


{{Навигационная таблица/Электроника}}
{{Навигационная таблица/Портал/Электроника}}
{{Навигационная таблица/Телепорт}}
 
[[Категория:Теория]]
[[Категория:Теория по электронике]]
[[Категория:Постоянный ток]]
[[Категория:Физика проводников и диэлектриков]]
[[Категория:Введение в физику проводников и диэлектриков]]

Текущая версия от 21:48, 22 мая 2023

Перевод: Макаров В. (valemak)
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Введение в физику проводников и диэлектриков[1]

Полагаю, что вы уже понимаете, что тип материала и его проводимость взаимосвязаны. Материалы, легко пропускающие свободные электроны, называются проводниками, а материалы, препятствующие прохождению свободных электронов, называются диэлектриками (или изоляторами).

Увы, научные теории, объясняющие, почему одни материалы легко пропускают электроны, а другие нет, довольно сложны. Пришлось бы вдаваться в квантово-механические рассуждения о том, по каким принципам электроны располагаются вокруг ядер атомов. Со школьной физики нам хорошо знакома «планетарная» модель электронов, которые в виде кусочков материи вращаются вокруг ядра атома по круговым или эллиптическим орбитам. Однако электроны на своих «орбитах» вообще ведут себя не как материальные объекты. Скорее, они обладают свойствами как частиц, так и волн. Поведение электронов ограничено их нахождением в специальных областях пространства вокруг атомного ядра, называемых «оболочками» и «подуровнями оболочек». Занимаемая электроном зона зависит от ограниченного диапазона энергий, а также от того, присутствуют ли в этой оболочке уже другие электроны. Если бы электроны действительно были аналогичны крошечным планетам, удерживаемых на орбитах вокруг ядра за счёт электростатического притяжения, их движения описывались бы теми же законами, что и перемещение реальных планет. В этом случае неоткуда было бы возникнуть реальным различиям между проводниками и диэлектриками. Да и химические связи между атомами строились бы совсем по другим принципам. Именно дискретная, «количественная» природа энергии и расположения электронов, описываемая квантовой физикой, определяет закономерности этих явлений.

Атом в возбужденном состоянии

Это когда электроны могут свободно переходить на более высокие энергетические орбиты вокруг атомного ядра, свободно покидать атом и составлять часть электрического тока, протекающего через вещество.

Атом в основном состоянии

Однако, если на электрон наложены квантовые ограничения, лишающие его возможности свободно покидать атом, то такой электрон считается «связанным», он не может оторваться от атома (ну, или по крайней мере, ему крайне нелегко это сделать), чтобы образовать ток. Сценарий с возбуждённым состоянием атомов типичен для проводящих материалов, а второй - для изоляционных материалов (диэлектриков).

В некоторых учебниках написано, что электрическая проводимость элемента определяется исключительно количеством электронов, находящихся во внешней «оболочке» атомов (называемой валентной оболочкой). Однако это чересчур упрощенное объяснение, что подтвердит любое исследование, в котором проводимость сопоставляется с количеством валентных электронов, взятых из таблиц элементов. Сложность ситуации раскрывается при рассмотрении проводимости молекул (совокупностей атомов, связанных друг с другом активными электронами).

В качестве показательного примера можно привести углерод, из которого состоят такие материалы как графит и алмаз, с сильно различающейся друг от друга проводимостью. Графит - хороший проводник электричества, а алмаз - почти диэлектрик (технически он классифицируется как полупроводник, поскольку в чистом виде действует как изолятор, но может проводить ток при высоких температурах и/или под воздействием примесей). И графит, и алмаз состоят из одного и того же вещества: углерода, в каждом атоме которого по 6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов. Принципиальное различие между графитом и алмазом заключается в том, что молекулы графита состоят из атомов углерода, объединённых в плоские группы (слои, с непрочными межатомными связями, поэтому графит и имеет такую рыхлую структуру), а молекулы алмаза представляют собой жёсткие тетраэдрические (пирамидальные) конструкции из атомов углерода (и данная жёсткость молекулярной конструкции обуславливает знаменитую твёрдость алмаза).

Целенаправленное добавление примесей в полупроводник с целью изменения его электрических, оптических и структурных свойств называется легированием. Если атомы углерода объединяются с атомами других химических элементов, образовывая новые соединения, электрическая проводимость меняется. Карбид кремния (соединение кремния и углерода) демонстрирует нелинейное поведение: его электрическое сопротивление уменьшается с увеличением приложенного напряжения! Углеводородные соединения (например, молекулы масел), как правило, очень хорошие диэлектрики. Как видите, банальный подсчёт валентных электронов в атоме - ненадёжный индикатор электропроводности вещества.

Все металлы являются хорошими проводниками электричества в силу того, как в них атомы связаны друг с другом. Электроны достаточно легко меняют свои энергетические состояния, что позволяет им свободно перемещаться между различными атомами вещества, под воздействием даже самого слабого электромагнитного поля. На самом деле электроны настолько подвижны, что иногда учёные описывают их как электронный газ или даже как электронное море, в котором находятся атомные ядра. Эта подвижность электронов объясняет некоторые из других общих свойств металлов: хорошую теплопроводность, ковкость и пластичность (благодаря чему металлы легко трансформируются в различные формы) и блестящую поверхность (если металл в чистом виде, без примесей).

К счастью, фундаментальная физика, объясняющая эти явления, в принципе, не относится к тематике данной монографии. Достаточно знать, что какие-то материалы являются хорошими проводниками электричества, какие-то – плохими, а какие-то – где-то посередине. На данный момент достаточно просто понимать, что на эти различия сильно влияет конфигурация электронов вокруг атомов, из которых и состоит вещество.

Чтобы стать «повелителем» электричества, нужно уметь выстраивать пути с контролируемым сопротивлением, по которым будет течь ток. Также жизненно важно предотвращать прохождение тока там, где его быть не должно – и в этом помогут изоляционные материалы. Однако проводники бывают очень даже разными, это же можно сказать и про диэлектрики. Нам необходимо понимать нюансы свойств обычных проводников и изоляторов и уметь применять это на практике.

Почти все проводники обладают определённым измеримым сопротивлением (есть ещё особые типы материалов, так называемые сверхпроводники, в которых электрическое сопротивление отсутствует полностью, но это необычные материалы, с которыми нужно работать в особых условиях – о них мы позднее в этой главе тоже поговорим). Обычно мы предполагаем, что сопротивление проводников в цепи равно нулю, и ожидаем, что ток проходит через них, не вызывая заметного падения напряжения. В жизни, однако, почти всегда будет падение напряжения на (нормальных) проводящих путях электрической цепи, невзирая на то, хотим мы этого или нет:

Рис. 1. До этого мы пренебрегали сопротивлением проводов, считая, что оно не вызывает падения напряжения. В реальных электрических цепях эти падения напряжения всё же нужно учитывать.
Рис. 1. До этого мы пренебрегали сопротивлением проводов, считая, что оно не вызывает падения напряжения. В реальных электрических цепях эти падения напряжения всё же нужно учитывать.

Чтобы рассчитать, какими будут падения напряжения в конкретной цепи, нужно уметь определять сопротивление обычного провода, ориентируясь на длину провода и его диаметр. В следующих разделах этой главы мы рассмотрим эти вопросы более детально.

Итог

См.также

Внешние ссылки

  1. ↑ www.allaboutcircuits.com - Introduction to Conductance and Conductors
Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное
Теория по электронике
Постоянный ток
Основные концепты электричества • Статическое электричество • Проводники, диэлектрики и поток электронов • Что такое электрические цепи • Напряжение и электроток • Сопротивление • Напряжение и электроток в реальной цепи • Условный ток и поток электронов
Закон Ома • Закон Ома – Как напряжение, сила тока и сопротивление связаны друг с другом • Аналогия для закона Ома • Мощность в электрических цепях • Расчёт электрической мощности • Резисторы • Нелинейная проводимость • Построение цепи • Полярность перепада напряжения • Компьютерная симуляция электрических цепей
Правила электробезопасности • Важность правил электробезопасности • Воздействие электричества на психологическое состояние • Путь, который ток проходит перед ударом • Закон Ома (снова!) • Техника безопасности • Первая медицинская помощь при ударе током • Распространённые источники опасности • Проектирование электроцепей с учётом требований безопасности • Безопасное использование приборов для измерения электрических показателей • Данные о влиянии удара током на тело человека
Экспоненциальная запись и метрические приставки • Экспоненциальная запись • Арифметические операции для экспоненциальной записи • Метрические обозначения • Преобразование метрических приставок • Используем ручной калькулятор • Экспоненциальная форма в программе SPICE
Последовательные и параллельные электрические цепи • Что такое «последовательные» и «параллельные» электрические цепи • Простая последовательная цепь • Простая параллельная цепь • Электропроводность • Рассчитываем мощность • Правильно используем закон Ома • Анализ отказов компонентов цепи • Строим простые резистивные цепи
Схемы с делителями напряжения и правила Кирхгофа • Схемы с делителем напряжения • Правило напряжений Кирхгофа (ПНК) • Цепи – делители тока и формула делителя тока • Правило Кирхгофа для силы тока (ПКТ)
Комбинированные последовательно-параллельные схемы • Что такое последовательно-параллельная цепь • Методы анализа последовательно-параллельных резисторных цепей • Перерисовываем избыточно усложнённые схемы • Анализ отказов компонентов (продолжение) • Построение простых резисторных цепей
Измерения в электрических цепях постоянного тока • Что такое измеритель? • Как устроен вольтметр • Как вольтметр влияет на измеряемую цепь • Как устроен амперметр • Как амперметр влияет на измеряемую цепь • Как устроен омметр • Высоковольтный омметр • Мультиметры • Кельвиновское 4-проводное измерение сопротивления • Мостовые схемы • Как устроен ваттметр • Как самостоятельно сделать ручной калибратор
Сигналы электрического оборудования • Аналоговые и цифровые сигналы • Системы сигналов напряжения • Системы сигналов силы тока • Тахогенераторы • Теромопары • Измерения pH • Тензодатчики
Анализ сети постоянного тока • Что такое сетевой анализ? • Метод токов ветвей • Аналитический метод контурных токов • Метод узловых потенциалов • Введение в сетевые теоремы • Теорема Миллмана • Теорема о суперпозиции • Теорема Тевенена • Теорема Нортона • Эквивалентность схем Тевенена и Нортона • И вновь о теореме Миллмана • Теорема о передаче максимальной мощности • Δ-Y и Y-Δ преобразования
Батареи и системы питания • Поведение электронов при химических реакциях • Батарейные конструкции • Рейтинг батарей • Батареи специального назначения • Практические рекомендации при использовании батарей
Физика проводников и диэлектриков • Введение в физику проводников и диэлектриков • Размеры проводов• Допустимые токовые нагрузки на провода • Предохранители • Удельное сопротивление • Температурный коэффициент сопротивления • Сверхпроводимость • Пробивное напряжение диэлектрика
Конденсаторы • Электрическое поле и ёмкость • Конденсаторы и дифференциальное исчисление • Факторы, влияющие на ёмкость конденсатора • Последовательное и параллельное соединение конденсаторов • Практические соображения - Конденсаторы
Магнетизм и электромагнетизм • Постоянные магниты • Электромангетизм • Единицы измерения магнитных величин • Магнитная проницаемость и насыщение • Электромагнитная индукция • Взаимная индукция
Катушки индуктивности • Магнитные поля и индуктивность • Катушки индуктивности и дифференциальное исчисление • Факторы, влияющие на индуктивность • Катушки индуктивности в последовательных и параллельных соединениях • Практические соображения – Катушки индуктивности
Постоянные времени в RC и L/R цепях • Переходные процессы в электрических цепях • Переходные процессы в цепях с конденсатором • Переходные процессы в цепях с катушкой индуктивности • Расчёт напряжения и силы тока • Почему L/R, а не LR? • Комплексные расчёты напряжения и тока • Сложные схемы • Расчёт неизвестного времени
Переменный ток
Основы теории переменного тока • Что такое переменный ток? • Формы волн переменного тока • Измерение величин переменного тока • Расчёт простейшей цепи переменного тока • Фаза переменного тока • Принципы радио
Комплексные числа • Введение в комплексные числа • Векторы и волны переменного тока • Сложение простых векторов • Сложение сложных векторов • Полярная и алгебраическая запись комплексных чисел • Арифметика комплексных чисел • И ещё по поводу полярности переменного тока • Несколько примеров с цепями переменного тока
Реактанс и импеданс – Индуктивность • Резистор в цепи переменного тока (Индуктивность) • Катушка индуктивности в цепи переменного тока • Последовательные резистивно-индуктивные цепи • Параллельные резистивно-индуктивные цепи • Особенности катушек индуктивности • Что такое «скин-эффект»?
Реактанс и импеданс – Ёмкость • Резистор в цепи переменного тока (Ёмкость) • Конденсатор в цепи переменного тока • Последовательные резистивно-ёмкостные цепи • Параллельные резистивно-ёмкостные цепи • Особенности конденсаторов
Реактанс и импеданс – R/L/C-цепи • Обзор R, X и Z (сопротивление, реактанс и импеданс) • Последовательные R/L/C-цепи • Параллельные R/L/C-цепи • Последовательно-параллельные R/L/C-цепи • Реактивная проводимость и адмиттанс • R/L/C-цепи – что в итоге?
Резонанс • Электрический маятник • Простой параллельный резонанс (колебательный контур) • Простой последовательный резонанс • Применение резонанса • Резонанс в последовательно-параллельных цепях • Добротность и полоса пропускания резонансной цепи
Сигналы переменного тока смешанной частоты • Сигналы переменного тока смешанной частоты - Введение • Прямоугольные волновые сигналы • Другие волновые формы • Подробнее о спектральном анализе • Эффекты в электрических цепях
Фильтры • Что такое фильтр? • Низкочастотные фильтры • Высокочастотные фильтры • Полосовые фильтры • Полосно-заграждающие фильтры • Резонансные фильтры • Подводя итоги по фильтрам
Трансформаторы • Взаимная индуктивность и основные операции • Повышающие и понижающие трансформаторы • Электрическая изоляция • Фазировка • Конфигурации обмотки • Регулировка напряжения • Специальные трансформаторы и приложения • Практические соображения – Трансформаторы
Многофазные цепи переменного тока • Однофазные системы питания • Трёхфазные системы питания • Чередование фаз • Устройство многофазного двигателя • Трёхфазные Y- и дельта-конфигурации • Трёхфазные цепи с трансформатором • Гармоники в многофазных энергосистемах • Гармонические фазовые последовательности
Коэффициент мощности • Мощность в резистивных и реактивных цепях переменного тока • Истинная, реактивная и полная мощность • Расчёт коэффициента мощности • Практическая коррекция коэффициента мощности
Измерение цепей переменного тока • Вольтметры и амперметры переменного тока • Измерение частоты и фазы • Измерение мощности • Измерение качества электроэнергии • Мостовые схемы переменного тока • Измерительные преобразователи переменного тока
Двигатели переменного тока • Введение в двигатели переменного тока • Синхронные двигатели • Синхронный конденсатор • Двигатель с магнитным сопротивлением • Шаговые двигатели • Бесщёточный двигатель постоянного тока • Многофазные асинхронные двигатели Теслы • Асинхронные двигатели с фазным ротором • Однофазные асинхронные двигатели • Прочие специализированные двигатели • Сельсин-двигатели (синхронизированные двигатели) • Коллекторные двигатели переменного тока
Линии передачи • Кабель на 50 Ом? • Электрические цепи и скорость света • Характеристический импеданс • Линии передачи конечной длины • «Длинные» и «короткие» линии передачи • Стоячие волны и резонанс • Преобразование импеданса • Волноводы
Полупроводники
Усилители и активные устройства • От электрики к электронике • Активные и пассивные устройства • Усилители • Коэффициент усиления • Децибелы • Абсолютные дБ-шкалы • Аттенюаторы
Теория твердотельных приборов • Введение в теорию твердотельных устройств • Квантовая физика • Валентность и кристаллическая структура • Зонная теория твёрдых тел • Электроны и «дырки» • P-N-переход • Полупроводниковые диоды • Транзисторы с биполярным переходом • Полевые транзисторы • Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) • Тиристоры • Методы производства полупроводников • Сверхпроводящие устройства • Квантовые устройства • Полупроводниковые приборы в SPICE
Диоды и выпрямители • Диоды и выпрямители – Введение • Проверка диодов мультиметром • Номинальные характеристики диодов • Схемы выпрямителей • Пиковый детектор • Схемы ограничителей напряжения • Схемы фиксаторов уровня • Умножители напряжения (удвоители, утроители, учетверители и т.д.) • Схемы коммутации индуктивных нагрузок • Диодные схемы коммутации • Что такое диод Зенера (стабилитрон)? • Диоды специального назначения • Прочие диодные технологии • Модели диодов в SPICE
Биполярные транзисторы • Транзисторы с биполярным переходом (ТБП) – Введение • Транзистор с биполярным переходом (ТБП) как переключатель • Проверка транзистора с биполярным переходом (ТБП) с помощью мультиметра • Активный режим работы транзистора с биполярным переходом (ТБП) • Усилительный каскад с общим эмиттером • Усилительный каскад с общим коллектором • Усилительный каскад с общей базой • Каскодный усилитель • Методы смещения для транзисторов с биполярным переходом (ТБП) • Расчёт смещения для транзисторов с биполярным переходом (ТБП) • Взаимодействие входа и выхода в транзисторах с биполярным переходом (ТБП) • Обратная связь в транзисторах с биполярным переходом (ТБП) • Импеданс усилителя • Токовые зеркала в транзисторах с биполярным переходом (ТБП) • Параметры и корпуса транзисторов с биполярным переходом (ТБП) • Особенности транзисторов с биполярным переходом (ТБП)
Полевые транзисторы • Полевые транзисторы (JFET) – Введение • Полевой транзистор (JFET) как переключатель • Проверка полевого транзистора (JFET) с помощью мультиметра • Активный режим работы полевого транзистора (JFET)
Полевые транзисторы с изолированным затвором • Полевые транзисторы с изолированным затвором – Введение • Обедняющие полевые транзисторы с изолированным затвором • Биполярные транзисторы с изолированным затвором
Тиристоры • Гистерезис • Газоразрядные лампы • Диод Шокли (динистор) • DIAC (симметричный динистор) • Управляемый кремниевый выпрямитель (SCR-тиристор) • TRIAC (симметричный тринистор, триак) • Оптотиристоры • Однопереходной транзистор • Управляемый кремниевый коммутатор (SCS-тиристор) • Тиристоры с полевым управлением
Операционные усилители • Операционные усилители (ОУ) – Введение • Несимметричные и дифференциальные усилители • «Операционный» усилитель • Отрицательная обратная связь • Делитель напряжения в цепи обратной связи • Аналогия для делителя напряжения в цепи обратной связи • Преобразование сигнала напряжения в сигнал тока • Схемы усреднителя и сумматора • Построение дифференциальных усилителей • Инструментальный (измерительный) усилитель • Схемы дифференциатора и интегратора • Положительная обратная связь • Практические аспекты ОУ • Модели операционных усилителей
Практические аналоговые полупроводниковые схемы • Электростатический разряд • Схемы источников питания • Схемы усилителей • Осцилляторные схемы • Радиосхемы • Вычислительные схемы • Измерительные схемы
Приводы двигателей постоянного тока • Широтно-импульсная модуляция
Электронные лампы • Электронные лампы – Введение • История электронных ламп – с чего всё началось • Триод • Тетрод • Силовой лучевой тетрод • Пентод • Комбинированные электронные лампы • Характеристики электронных ламп • Ионизированные (газовые) электронные лампы • Индикаторные электронные лампы • Микроволновые электронные лампы • Сравниваем электронные лампы и полупроводники
Цифровая электроника
Системы счисления • Числа и способы их выражения • Системы счисления • Сравниваем десятеричные и двоичные числа • Восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления • Восьмеричные и шестнадцатеричные числа преобразовываем в десятеричные • Преобразование из десятеричной системы счисления
Двоичная арифметика • Числа и системы счисления • Двоичное сложение • Отрицательные двоичные числа • Двоичное вычитание • Двоичное переполнение • Наборы битов
Логические вентили • Цифровые сигналы и вентили • Вентили «НЕ» • «Буферные» вентили • Вентили с более чем одним входом • Транзисторно-транзисторная логика вентилей «И-НЕ» и «И» • Транзисторно-транзисторная логика вентилей «ИЛИ-НЕ» и «ИЛИ» • Схемы КМОП-вентилей • Специальные выходы в вентилях • Универсальность вентилей «И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ» • Уровни напряжения для «высоких» и «низких» логических сигналов • Вентильные DIP корпусы
Переключатели • Типы переключателей • Как устроены контакты переключателей • «Нормальное» состояние контакта и последовательное замыкание/размыкание • «Дребезжание» контактов
Электромеханические реле • Устройство реле • Контакторы • Реле с задержкой времени • Защитные реле • Твердотельные реле
Релейная логика • «Лестничные» диаграммы • Функции цифровой логики • Разрешающие и блокирующие схемы • Схемы управления двигателем • Отказоустойчивость • Программируемые логические контроллеры (ПЛК)
Булева алгебра • Булева алгебра – Введение • Логическая арифметика • Булевы алгебраические тождества • Булевы алгебраические свойства • Логические правила для упрощения • Примеры упрощения схем • Функция «Исключающее ИЛИ»: вентиль XOR • Законы де Моргана • Преобразование таблиц истинности в логические выражения
Карты Карно • Карты Карно – Введение • Диаграммы Венна и множества • Булевы соотношения на диаграммах Венна • Преобразование диаграмм Венна в карты Карно • Карты Карно, таблицы истинности и логические выражения • Упрощение логики с помощью карт Карно • Бо́льшие карты Карно с 4-мя переменными • Минтермы и макстермы в реализациях • Обозначения сумм и произведений • Поля «безразличия» на картах Карно • Бо́льшие карты Карно с 5-ю и 6-ю переменными
Функции комбинационной логики • Функции комбинационной логики – Введение • Неполный сумматор • Полный сумматор • Декодер • Кодер • Демультиплексоры • Мультиплексоры • Совместное использование множественных комбинационных схем
Мультивибраторы • Цифровая логика с обратной связью • SR-защёлка • Вентильная SR-защёлка • D-защёлка • Защёлки с запуском по фронту сигнала: триггеры • JK-триггер • Триггеры с асинхронными входами • Моностабильные мультивибраторы
Схемы последовательностей • Двоичная счётная последовательность • Асинхронные счётчики • Синхронные счётчики • Конечные автоматы
Сдвиговые регистры • Сдвиговые регистры – Введение • Сдвиговые регистры: последовательный вход, последовательный выход (SISO) • Сдвиговые регистры: параллельный вход, последовательный выход (PISO) • Сдвиговые регистры: последовательный вход, параллельный выход (SIPO) • Универсальные сдвиговые регистры: параллельный вход, параллельный выход (PIPO) • Кольцевые счётчики
Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразования • Цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразования – Введение • ЦАП R/2nR: цифро-аналоговый преобразователь с двоично-взвешенным входом • ЦАП R/2R: (цифро-аналоговый преобразователь) • Параллельные АЦП • Цифровые ступенчатые АЦП • АЦП с последовательным приближением • Отслеживающий АЦП • Скатные (интегрирующие) АЦП • Дельта-сигма АЦП • Практические аспекты схем АЦП
Цифровая связь • Цифровая связь – Введение • Сети и шины • Потоки данных • Типы электрических сигналов • Оптическая передача данных • Топология сети • Сетевые протоколы • Практические аспекты цифровой связи
Цифровое хранилище (память) • Почему «цифровое»? • Понятия и концепции цифровой памяти • Современная немеханическая память • Устаревшие немеханические технологии памяти • Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) • Память с движущимися частями: «Приводы»
Принципы цифровых вычислений • Двоичный сумматор • Таблицы поиска • Конечные автоматы • Микропроцессоры • Микропроцессорное программирование
Справочные материалы
Полезные уравнения и коэффициенты пересчёта • Уравнения и законы для цепей постоянного тока • Правила последовательных цепей • Правила параллельных цепей • Эквивалентные значения компонентов в последовательных и параллельных цепях • Уравнение ёмкости конденсатора • Уравнение катушки индуктивности • Уравнения постоянной времени • Уравнения цепей переменного тока • Уравнения для децибел • Метрические приставки и преобразования единиц измерения
Цветовая маркировка • Цветовая маркировка резисторов • Цветовая маркировка проводки • Инфографика цветовой маркировки проводки
Таблицы проводников и диэлектриков • Таблица калибров медной проволоки • Таблица допустимых нагрузок для медного провода • Коэффициенты удельного сопротивления • Таблица температурных коэффициентов сопротивления • Критические температуры для сверхпроводников • Диэлектрическая прочность изоляторов
Справочник по алгебре • Основные алгебраические тождества • Основные свойства арифметики • Свойства степеней • Извлечение корней • Важные константы • Логарифмы • Формулы сокращённого умножения • Квадратное уравнение • Прогрессии • Факториалы • Решение систем уравнений: метод подстановки и метод сложения
Справочник по тригонометрии • Тригонометрия прямоугольного треугольника • Тригонометрия произвольного треугольника • Тригонометрические формулы • Гиперболические функции
Справочник по исчислению • Формулы вычисления пределов • Производная числа • Общие производные • Производные показательных функций с основанием e • Производные простых тригонометрических функций • Правила вычисления производных • Первообразная (неопределённый интеграл) • Общие первообразные • Первообразные показательных функций от числа e • Правила вычисления первообразных • Определённые интегралы и основная теорема исчисления • Дифференциальные уравнения
Использование программы SPICE для моделирования электрических схем • Программа моделирования электрических цепей SPICE — Введение • История программы SPICE • Основы программирования в SPICE • Интерфейс командной строки • Компоненты электрических схем • Опции для проведения анализа • Странные особенности программы SPICE • Примеры электрических цепей и списков связей
Устранение неполадок – теория и практика • Вопросы, которые следует задать, прежде чем продолжить • Общие советы по устранению неполадок • Конкретные методы устранения неполадок • Вероятные сбои в проверенных системах • Вероятные сбои в непроверенных системах • Возможные ментальные ловушки
Схематические обозначения элементов цепи • Провода и соединения • Источники питания • Типы резисторов • Типы конденсаторов • Катушки индуктивности • Взаимные катушки индуктивности • Переключатели с ручным управлением • Управляемые процессом переключатели • Переключатели с электрическим приводом (реле) • Соединители • Диоды • Биполярные транзисторы • Переходные транзисторы с полевым эффектом (JFET) • Транзисторы с полевым эффектом с изолированным затвором (IGFET или MOSFET) • Гибридные транзисторы • Тиристоры • Интегральные схемы • Электронные лампы
Периодическая таблица химических элементов • Таблица Менделеева
Эксперименты
Введение • Электроника как точная наука • Обустраиваем домашнюю лабораторию
Основные концепции и испытательное оборудование • Использование вольтметра • Использование омметра • Очень простая схема • Использование амперметра при измерении силы тока • Закон Ома • Нелинейное сопротивление • Рассеяние мощности • Цепь с переключателем • Эксперимент по электромагнетизму • Эксперимент с электромагнитной индукцией
Электрические цепи постоянного тока • Электрические цепи постоянного тока – Введение • Последовательные источники питания • Параллельные источники питания • Делитель напряжения • Делитель тока • Потенциометр как делитель напряжения • Потенциометр как реостат • Прецизионный потенциометр • Ограничение диапазона реостата • Термоэлектричество • Мультиметр своими руками • Чувствительный детектор напряжения • Потенциометрический вольтметр • 4-проводное измерение сопротивления • Простейший компьютер • Картошка-батарейка • Зарядка и разрядка конденсатора • Индикатор скорости изменения
Электрические цепи переменного тока • Электрические цепи переменного тока – Введение • Трансформатор – блок питания • Сборка трансформатора • Переменный индуктор • Чувствительный аудиодетектор • Обнаружение магнитных полей переменного тока • Обнаружение электрических полей переменного тока • Альтернатор – автомобильный генератор • Асинхронный двигатель • Асинхронный двигатель побольше • Фазовый сдвиг • Погашение звука • Музыкальный синтезатор как генератор сигналов • ПК-осциллограф • Анализ волновых сигналов • Колебательный контур • Сигнальная связь
Дискретные полупроводниковые схемы • Дискретные полупроводниковые схемы – Введение • Коммутирующий диод • Полупериодный выпрямитель • Двухполупериодный мостовой выпрямитель • Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом • Цепь «выпрямитель/фильтр» • Регулятор напряжения • Транзистор как переключатель • Датчик статического электричества • Датчик импульсного света • Повторитель напряжения • Усилитель с общим эмиттером • Многокаскадный усилитель • Как построить схему токового зеркала • JFET – регулятор тока • Дифференциальный усилитель • Простой операционный усилитель • Аудио осциллограф • Ламповый аудио усилитель
Аналоговые интегральные схемы • Аналоговые интегральные схемы – Введение • Компаратор напряжения • Прецизионный повторитель напряжения • Неинвертирующий усилитель • Высокоимпедансный вольтметр • Интегратор • Аудио осциллограф на таймерной схеме 555 • Наклонный генератор на таймерной схеме 555 • ШИМ-контроллер мощности • Аудиоусилитель класса B
Цифровые интегральные схемы • Цифровые интегральные схемы – Введение • Основная функция вентилей • SR-защёлка на основе вентилей «ИЛИ-НЕ» • SR-защёлка на основе вентиля «И-НЕ» с входом разрешения • SR-триггер на основе вентиля «И-НЕ» • Светодиодный секвенсор • Простейший кодовый замок • 3-битный двоичный счётчик • 7-сегментный дисплей
Таймерные схемы 555 • Интегральный таймер 555 • Триггер Шмитта на интегральном таймере 555 • Гистерезисный осциллограф на интегральном таймере 555 • Моностабильный мультивибратор на интегральном таймере 555 • Минимальное количество комплектующих для КМОП-схемы 555 проблескового прибора длительного действия на красных светодиодах • КМОП-схема 555 проблескового прибора длительного действия на синих светодиодах • КМОП-схема 555 проблескового прибора длительного действия на светодиодах обратного хода • КМОП-схема 555 проблескового прибора длительного действия на красных светодиодах

Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Электроника:Постоянный_ток/Физика_проводников_и_диэлектриков/Введение_в_физику_проводников_и_диэлектриков&oldid=7737715