Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

Усилитель на транзисторе

Одной из наиболее распространенных схем усиления слабых электрических сигналов на транзисторе, является схема с общим эмиттером.

Эмиттер включен как в цепь базы, так и в цепь коллектора.

Небольшое изменение входного напряжения цепи база-эмиттер DUвх = DUБЭ вызывает значительное изменение выходного напряжения, или напряжения на сопротивлении нагрузки DUвых = DUн

Коэффициент усиления – отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению входного:

k =

Коэффициент усиления подобных схем может быть порядка 1000.

Генератор на транзисторе

Электрические колебания высокой частоты получают с помощью генераторов на транзисторах.

Основным элементом такого генератора является колебательный контур и источник постоянного тока, включенные в цепь эмиттер-коллектор, катушка индуктивности Lсв в цепи база-эмиттер, индуктивно связанная с катушкой индуктивности L колебательного контура .

Собственные электромагнитные колебания в контуре являются затухающими. Если потери энергии в контуре компенсировать поступлением энергии от источника внутри системы, то возможна генерация незатухающих колебаний, или автоколебаний.

В показанной схеме генератора на транзисторе поступление энергии в контур (подзарядка конденсатора) происходит, когда между базой и эмиттером приложено напряжение в прямом направлении – плюс – к базе, минус – к эмиттеру, транзистор открыт и через него протекает ток.

Такая полярность напряжения UБЭ обеспечивается согласованной индуктивной связью катушек L контура и Lсв в цепи база-эмиттер. Подобная связь называется обратной связью (в данном случае – это положительная обратная связь) (См.выше Автоколебания)

Через полупериод колебаний, когда конденсатор перезарядится, произойдет изменение напряжения база-эмиттер на противоположное и транзистор закроется.

Транзистор подобен ключу, присоединяющему источник питания к колебательному контуру в нужный момент времени для подзарядки конденсатора. Момент открытия ключа определяется индуктивной связью катушек L и Lсв

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Электрический ток оказывает магнитное действие. Таким образом, магнитное поле порождается движущимися зарядами.

Вектор магнитной индукции – векторная физическая величина, направление которой в данной точке совпадает с направлением, указываемым в этой точке северным полюсом свободной магнитной стрелки.

Модуль вектора магнитной индукции – физическая величина, равная отношению максимальной силы, действующей со стороны магнитного опля на проводник с током, к произведению силы тока и длины отрезка проводника:

B =

Единица магнитной индукции – Тл (Тесла)

Правило буравчика для прямого тока:

если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление скорости движения конца его рукоятки совпадает с направлением вектора магнитной индукции в этой точке.

Правило правой руки для прямого тока:

если охватить проводник правой рукой, направив отогнутый большой палец вдоль тока, то кончики остальных пальцев в данной точке покажут направление вектора индукции в этой точке.

Принцип суперпозиции магнитных полей:

результирующая магнитная индукция в данной точке складывается из векторов магнитной индукции, созданной различными токами в этой точке.

Правило буравчика для витка с током (контурного тока):

если вращать буравчик по направлению тока в витке, то поступательное перемещение буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции, созданной током в витке на своей оси.

Линии магнитной индукции – линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции.

Линии магнитной индукции всегда замкнуты: они не имеют ни начала, ни конца.

Магнитное поле – вихревое поле, т.е. поле с замкнутыми линиями магнитной индукции.

Магнитный поток (поток магнитной индукции) через поверхность определенной площади – физическая величина, равная скалярному произведению вектора магнитной индукции на вектор площади:

Ф = () = В ∆S cos(a)

(Скалярное произведение двух векторов равно произведению их модулей на косинус угла между ними)

Единица магнитного потока – Вб(Вебер) = Тл*м2 = В*с

Закон Ампера:

сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него отрезок проводника с током, равна произведению силы тока, магнитной индукции, длины отрезка проводника и синуса угла между направлениями тока и вектором магнитной индукции:

FA = B |I| l sin(a)

В однородном магнитном поле замкнутый контур стремиться установиться так, чтобы направление его собственной индукции совпало с направлением внешней индукции.

Сила Лоренца – сила, действующая на движущийся со скоростью v заряженную частицу со стороны магнитного поля индукцией В:

Fл = |q| vB sin(a),

где a – угол между вектором скорости v и вектором магнитной индукции B.

Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки:

если кисть левой руки расположить так, чтобы четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительного заряда (или противоположное скорости отрицательного заряда), а вектор магнитной индукции входил в ладонь, то отогнутый на 90о большой палец покажет направление силы, действующей на данный заряд.

Заряженная частица, влетающая в однородное магнитное поле параллельно линиям магнитной индукции, движется вдоль этих линий.

Заряженная частица, влетающая в однородное магнитное поле в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции, движется в этой плоскости по окружности.

Параллельно расположенные проводники, по которым протекают токи в одном направлении, притягиваются, а в противоположных – отталкиваются.

Магнитные поля, создаваемые токами, протекающими по бесконечно длинным параллельным проводникам, находящимся на расстоянии r друг от друга, приводят к возникновению на каждом отрезке проводников длиной Dl силы взаимодействия:

F12 = F21 = km Dl

km = 2*10-7 Н/А2 коэффициент пропорциональности

1 ампер – сила тока, проходящего по двум параллельным проводникам ¥ длины, и малого поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1 метра друг от друга, при которой магнитный поток вызывает в низ силу взаимодействия, равную 2*10-7Н на каждый метр длины.

Индукция магнитного поля убывает при увеличении расстояния до проводника с током.

Взаимодействие проводников с током является следствием магнитного взаимодействия движущихся зарядов в проводниках.

Под действием магнитной силы движущиеся параллельно в противоположных направлениях разноименные заряды притягиваются, а одноименные – отталкиваются.

Индуктивность контура – физическая величина, равная коэффициенту пропорциональности между магнитным потоком через площадь, ограниченную контуром проводника, и силой тока в контуре.

Единица индуктивности – Гн(Генри)

Энергия магнитного поля, созданного при протекании тока I по проводнику с индуктивностью L:

Wm =

Магнитная проницаемость среды – физическая величина, показывающая во сколько раз индукция магнитного поля в однородной среде отличается от магнитной индукции внешнего (намагничивающего) поля в вакууме:

μ =

Диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики – основные классы веществ с резко отличающимися магнитными свойствами

Диамагнетик – вещество, в котором внешнее магнитное поле незначительно ослабляется

Парамагнетик – вещество, в котором внешнее магнитное поле незначительно усиливается

Ферромагнетик – вещество, в котором внешнее магнитное поле значительно усиливается.

Кривая намагничивания – зависимость собственной магнитной индукции от индукции внешнего магнитного поля.

Коэрцитивная сила – магнитная индукция внешнего поля, необходимая для размагничивания образца.

Магнито-жесткие ферромагнетики – ферромагнетики с большой остаточной намагниченностью

Магнито-мягкие ферромагнетики – ферромагнетики с малой остаточной намагниченностью

Петля гистерезиса – замкнутая кривая намагничивания и размагничивания ферромагнетика.

Температура Кюри – критическая температура, выше которой происходит переход вещества из ферромагнитного в парамагнитное состояние.

На концах проводника длиной l, движущегося со скоростью v в магнитном поле с индукцией В, перпендикулярной скорости движения, возникает разность потенциалов:

U = vBl

Электромагнитная индукция – физическое явление, заключающееся в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную этим контуром.

Закон электромагнитной индукции Фарадея:

ЭДС электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром:

εi = - Φ’

Правило Ленца:

индукционный ток в контуре имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через поверхность, ограниченную контуром, препятствует изменению магнитного

потока, вызвавшего этот ток.

Самоиндукция – возникновение ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении силы тока в нем.

ЭДС самоиндукции в катушке индуктивностью L:

εsi = - LI’

Трансформатор – устройство, применяемое для повышения или понижения переменного напряжения.

Коэффициент трансформации – величина, равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора:

k =

Повышающий трансформатор – трансформатор, увеличивающий напряжение, k < 1

Понижающий трансформатор – трансформатор, уменьшающий напряжение, k > 1

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МАГНИТОВ

Слово «магнит» от греческого «magnes» означает название руды, добывающейся в местности Магнезия еще 2500 лет назад. Магнетит – минерал с магнитными свойствами состоящий из FeO и Fe2O3.

В 1269 г. французский исследователь П.Марикур (псевдоним П.Перегрин) ввел понятие магнитного полюса, помещая металлически иголки вблизи шара из магнетита.

Он изготовил магнит в виде стержня, ориентировавшийся в направлении север-юг подобно стрелке компаса.

Полюс, указывающий направление на север, назвали северным N(Nord), а на юг - южным S(Sude)

Опыты Перегрина показали, что одноименные магнитные полюса отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются.

Предполагая, что взаимодействие магнитов обусловлено магнитными зарядами, находящимися на полюсах, Перегрин пытался безуспешно их разделить – получить магнитный монополь (магнитный заряд). Однако каждый фрагмент разделенного магнита всегда имел два полюса N и S.

Рене Декарт обнаружил, что постоянный магнит действует на мельчайшие железные опилки, насыпанные вокруг него. Тем самым было показано, что в пространстве существует магнитное взаимодействие. Линии, образуемые железными опилками (или магнитными стрелками) в магнитном поле, стали называть силовыми линиями магнитного поля или линиями магнитной индукции.

На протяжении четырех тысячелетий практически единственным и основным используемым источником магнетизма был магнитный железняк.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА. МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ. МАГНЕТИКИ

Гипотеза Ампера

Причина вследствие которой тела обладают магнитными свойствами была найдена французским ученым Анри Ампером:

магнитные свойства вещества можно объяснить циркулирующими внутри него замкнутыми токами.

Согласно гипотезе Ампера внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи. Если плоскости, в которых циркулируют эти тока, расположены беспорядочно по отношению друг к другу вследствие теплового движения, то их действия взаимно компенсируются и тело не обнаруживает магнитных свойств.

В намагниченном состоянии элементарные тока ориентированы так, что их действия складываются.

Магнитные свойства любого вещества определяются замкнутыми электрическими токами внутри него.

Электромагнитное взаимодействие зависит от среды, в которой находятся заряды.

Если около большой катушки подвесить маленькую, то она отклонится. Если в большую вставить железный сердечник, то отклонение увеличится. Это изменение показывает, что индукция изменяется при внесении сердечника.

Магнитная индукция в среде складывается из индукции внешнего поля и собственной индукции вещества:

Отношение характеризующее магнитные свойства среды, получило название магнитной проницаемости среды.

Обозначение m. Безразмерная величина

 В однородной среде магнитная индукция равна:

где m — магнитная проницаемость данной среды безразмерная величина, показывающая во сколько раз магнитная индукция в данной среде, больше чем в вакууме.

(Формула справедлива только для однородной среды, заполняющей все пространство, или ля случаев особой симметрии, например для однородного стержня внутри соленоида.

Для тела произвольной формы зависимость между и будет гораздо сложнее и определяться формой тела и его ориентацией по отношению к )

Микроскопические токи под действием внешнего магнитного поля определенным образом ориентируются: чем больше внешняя индукция В0, тем больше индукция собственного магнитного поля среды:

χ («хи») – магнитная восприимчивость среды

(магнитная проницаемость среды μ = 1 + χ)

Вектор собственной магнитной индукции среды может быть как сонаправлен с вектором магнитной индукции внешнего поля, так и противоположен ему.

Разная магнитная восприимчивость веществ определяет различие их магнитных свойств.

В зависимости от магнитных свойств веществ различают:

- парамагнетики

- диамагнетики

- ферромагнетики

Парамагнетиками называются вещества, которые создают слабое магнитное поле, по направлению совпадающее с внешним полем.

Магнитная проницаемость наиболее сильных парамагнетиков мало отличается от единицы: 1,00036- у платины и 1,00034- у жидкого кислорода.

В атомах парамагнетиков источником собственного магнитного поля являются микротоки, обусловленные вращением валентного электрона вокруг собственной оси (или spin)

В силу хаотического расположения атомов результирующая собственная индукция парамагнетиков в отсутствии внешнего магнитного поля равна нулю.

При помещении парамагнетика во внешнее магнитное поле элементарные витки с током (вращающиеся вокруг своей оси электроны) начинают выстраиваться так, чтобы направление их собственной индукции совпало с индукцией внешнего поля. Поэтому результирующая индукция в парамагнетике становится отличной от нуля и сонаправленной с индукцией внешнего поля:

= Σ≠ 0 , ↑↑

Магнитное поле в парамагнетике усиливается по сравнению с приложенным к нему внешним магнитным полем.

Нагревание парамагнетика приводит к дезориентации спинов и уменьшению собственного магнитного поля, а следовательно к уменьшению его магнитной проницаемости μ.

Диамагнетиками называются вещества, которые создают поле, ослабляющее внешнее магнитное поле.

Магнитная проницаемость диамагнетиков отличается от единицы не более чем на десятитысячные доли.

Диамагнетик – вещество, у которого вектор индукции собственного магнитного поля, направленный противоположно вектору магнитной индукции внешнего (намагничивающего) поля, значительно меньше его по модулю:

↑↓, Bс << B0

Для диамагнетиков χ < 0, при этом │χ│ <<1

Диамагнетиками являются многие газы(водород, гелий, азот, углекислый газ), плазма, металлы (золото, серебро, висмут, свинец), стекло, вода, соль, резина, алмаз, дерево, пластик и т.д.

Ферромагнетики - вещества, значительно усиливающие внешнее магнитное поле.

Ферромагнетик – вещество, у которого вектор индукции собственного магнитного поля, сонаправленный с вектором магнитной индукции внешнего (намагничивающего) поля, значительно превышает его по модулю:

↑↑, Bс >> B0

Для ферромагнетиков χ > 0, при этом │χ│>> 1

Ферромагнетики – железо, кобальт, никель, их сплавы, редкоземельные элементы.

Ферромагнетизм объясняется магнитными свойствами электрона. Электрон является движущимся зарядом, и поэтому обладает собственным магнитным полем. В некоторых кристаллах существуют условия зля параллельной ориентации магнитных полей электронов. В результате этого внутри кристалла ферромагнетика возникают намагниченные области, называемы доменами.

В атомах ферромагнетиков собственная индукция создается не только валентными электронами, но и электронами внутренних электронных оболочек. Это заметно увеличивает результирующую собственную индукцию.

В результате взаимодействия атомов ферромагнетика энергетически выгодной оказывается параллельная ориентация спинов всех атомов в пределах некоторой области, называемой доменом (domain – владение) Домен с параллельной ориентацией спинов обладает минимальной энергией.

В поликристаллах ориентация спинов в различных доменах хаотична, результирующая собственная индукция в ферромагнетике в отсутствие внешнего магнитного поля равна нулю.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков не постоянна. Она зависит от вектора магнитной индукции.

С увеличением внешнего магнитного поля домены упорядочивают свою ориентацию.

При некотором значении индукции наступает полное упорядочение ориентации доменов и наступает магнитное насыщение.

При выводе ферромагнетика из внешнего магнитного поля не все домены теряют свою ориентацию, и тело становится постоянным магнитом.

Зависимость собственной индукции от индукции внешнего магнитного поля характеризуется кривой намагничивания.

При уменьшении индукции внешнего поля после достижения насыщения вновь образуются домены, однако собственная магнитная индукция некоторых из них остается ориентированной по внешнему полю. Это происходит от того, что такие домены не могут развернуться в прежнее положение из-за взаимодействия с соседями. Даже при полном выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остается намагниченным.

Остаточная намагниченность - собственная магнитная индукция в ферромагнетике в отсутствии внешнего магнитного поля.

Магнито-жесткие ферромагнетики – ферромагнетики, у которых остаточная намагниченность велика.

Особенно велика остаточная намагниченность у сплава альника (Fe, Co, Ni, Al, Cu)

Магнито-мягкие ферромагнетики – ферромагнетики, у которых остаточная намагниченность мала. (Чистое железо, некоторые сорта стали)

Для полного размагничивания образца следует изменить направление вектора индукции внешнего магнитного поля на противоположное остаточной намагниченности.

Коэрцитивная (задерживающая) сила – магнитная индукция внешнего поля, необходимая для размагничивания образца.

Замкнутая кривая намагничивания и размагничивания ферромагнетика называется петлей гистерезиса (греч. hysteresis – отставание)

Форма петли – важнейшая характеристика ферромагнитного материала. Чем шире петля, тем труднее размагнитить образец.

Исчезновение ферромагнитных свойств вещества вследствие нарушения ориентации доменов может происходить при механическом воздействии на образец, например, при ударе.

Упорядоченность ориентации доменов может быть нарушена тепловыми колебаниями атомов.

Температура Кюри (1894 Пьер Кюри) - - температура, при превышении которой исчезают ферромагнитные свойства вещества.

Критическая температура, выше которой происходит переход вещества из ферромагнитного в парамагнитное состояние.

Если сильно нагреть намагниченный гвоздь, то он потеряет способность притягивать к себе железные предметы.

Температура Кюри для железа 753-768 °С, для никеля 365 °С, а для кобальта 1000°С. Существуют ферромагнитные сплавы, у которых температура Кюри меньше 100°С.

Применение ферромагнетиков

Вставляя железный или стальной сердечник в катушку, можно во много раз усилить создаваемое ею магнитное поле, не увеличивая силу тока в катушке. Это экономит электроэнергию. Сердечники трансформаторов, генераторов, электродвигателей и т. д. изготовляют из ферромагнетиков.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49