Электронными приборами

Для волн короче 1,5 см начинают проявляться процессы молекулярного поглощения электромагнитного поля. Поле взаимодействует с электронными оболочками молекул, а это приводит к уменьшению его энергии. Молекулярное поглощение имеет резонансный характер: образуются области частот высокого поглощения и относительно прозрачные «окна». На 1.16 показан график ослабления поля сантиметровых волн вследствие поглощения в молекулах кислорода и воды.

Ионы, ускоренные до средних и высоких энергий, при внедрении в решетку твердого тела взаимодействуют с ядрами и электронными оболочками атомов мишени, теряют свою энергию и тормозятся до скоростей тепловой диффузии при температуре решетки. Различают два механизма энергетических потерь ускоренного иона в твердом теле: ядерные (упругие) столкновения, когда ион взаимодействует с атомом мишени как с единым целым и его энергия переходит в энергию поступательного движения атомов мишени, и электронные (неупругие) столкновения, при которых ион взаимодействует с электронной оболочкой атома мишени и расходует свою энергию на ионизацию или возбуждение атома.

Радиоспектроскопические методы основаны на том же явлении избирательного поглощения электромагнитного излучения, но в области радиочастот. К ним относится, в частности, рассмотренный в § 25-7 метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР), применяющийся для измерения влажности (см. § 32-5). Этот метод позволяет определить изотопный состав жидких веществ, например, измерить концентрации легкой (Н2О) и тяжелой (D2O) воды с относительной погрешностью 2—3% при содержании одной из компонент от 0,01% и выше. При наличии аппаратуры с высокой разрешающей способностью (10е—108) методом ЯМР можно производить анализ многокомпонентных смесей, так как резонансные частоты одних и тех же ядер, входящих в состав различных атомов и молекул, различаются между собой на небольшую величину (10~5—10~7) вследствие различий в магнитных полях, создаваемых электронными оболочками. Этот метод особенно применим для анализа веществ,

Щиеся в их узлах, соприкасаются друг с другом своими наружными электронными оболочками (видны справа на 1.2). __ от друга кроме типа кристаллической решетки еще и ее параметрами, которые представляют собой характерные размеры геометрического тела, составляющего ее ячейку. Например, у кубической ячейки— ребро а ( 1.2, а,'б), у гексагональной — сторона основания а и расстояние между основаниями с ( 1.2, в).

К диамагнитным веществам относятся инертные газы, водород, медь, цинк, свинец (вещества, состоящие из атомов с полностью заполненными электронными оболочками).

В § 7.4 рассмотрено явление ЯМР и его применение для измерения магнитной индукции. Применяя аналогичную аппаратуру, можно путем измерения амплитуды сигналов ЯМР в исследуемом веществе, помещаемом в преобразователь, производить измерение влажности в диапазоне от 5 до 80% в твердых веществах с погрешностью 0,24-0,5%, а также измерять концентрации легкой (Н2О) и тяжелой (D2O) воды с относительной погрешностью 2ч-3% при абсолютном содержании одного из компонентов от 0,01 % и выше. Другим аналитическим применением метода ЯМР является анализ многокомпонентных смесей. Поскольку магнитное поле в месте расположения ядра складывается из внешнего магнитного поля и магнитного поля, создаваемого электронными оболочками атомов и молекул, имеется сдвиг между резонансными частотами одних и тех же ядер, но входящих в состав различных атомов и молекул, что приводит к расщеплению сигнала ( 25.8). На 25.8, а показан резонансный сигнал водорода (протонов) в этиловом спирте, а на 25.8, б — резонансный сигнал ядер фосфо-ра-31 в смеси фосфатов.

Классификация магнитных материалов. При суммировании орбитальных и спиновых магнитных моментов может произойти полная их компенсация и тогда результирующий магнитный момент атома будет равен нулю. Такая картина имеет место, в частности, у атомов и ионов с заполненными электронными оболочками. Если же такой компенсации не происходит, то атом будет обладать постоянным магнитным моментом В соответствии с этим магнитные свойства тел будут различными. .

электростатическим взаимодействием между электронными оболочками соседних атомов с нескомпенсированными спинами (обменное взаимодействие);

Неспаренные электроны содержат некоторые атомы и ионы с частично заполненными внутренними электронными оболочками. Поэтому магнитными свойствами об-

ладают шпинели, у которых двухвалентный ион представлен главным образом переходными с частично заполненными внутренними Sd-электронными оболочками, например Ni2+, МгР+ и другими элементами. По этой же причине шпинели Zn, Cd, у которых число неспаренных электронов равно нулю, не обладают магнитными свойствами. Магнитные свойства феррошпинелей самым тесным образом связаны со структурой шпинели и распределением ионов металлов внутри кристаллической решетки шпинели. Ионы металлов, как указывалось, могут занимать одно из имеющихся в решетке шпинели положений — тетраэдрическое (Л-положение) или окта-эдрическое (В-положение), т. е. могут находиться в пустотах между четырьмя либо шестью ионами кислорода. }

Электроны, находящиеся в атомах ближе к ядру, экранированы от взаимодействий более высоко расположенными электронными оболочками, так что соответствующие уровни расщепляются слабо. Наиболее сильно взаимодействуют валентные электроны, расположенные на внешних оболочках. Из уровня, на котором в изолированных атомах находятся валентные электроны, образуется валентная зона. При абсолютном нуле температуры валентные электроны заполняют попарно уровни валентной зоны, начиная с самых нижних. Если после размещения всех валентных электронов в этой зоне остаются незанятые уровни, то такой кристалл сможет проводить электрический ток подобно металлам. Действительно, электроны могут при этом еще увеличивать свою энергию, перемещаясь под действием, например, внешнего электрического поля. Если же вся валентная зона оказывается занятой электронами, то мы имеем дело в этом случае с кристаллами полупроводника или изолятора. Здесь проводимость может возникнуть только при переходе электрона из полностью занятой валентной зоны в более высоко расположенную разрешенную зону, образованную из уровней возбужденных состояний изолированных атомов (зону проводимости). Для такого перехода электрону необходимо сообщить энергию, достаточную для преодоления запрещенной зоны — зазора между валентной зоной и зоной проводимости. Ширина запрещенной зоны Е является важнейшей характеристикой материала. По величине Ед проводят условную границу между полупроводниками (Ед ^ 3 эВ) и изоляторами (Ед > 3 эВ).

В кристаллах орбитальные моменты электронов в значительной степени скомпенсированы действием электростатического поля кристаллической решетки, и их вклад в полный момент М атома или молекулы невелик. Поскольку спин не имеет электрического момента, поле кристаллической решетки незначительно влияет на спины, и поэтому полный магнитный момент можно оценить суммой спиновых магнитных моментов отдельных электронов. В атомах, ионах и молекулах с целиком заполненными электронными оболочками спины скомпенсированы, момент М = 0, и такие вещества являются диамагнитными. Устойчивый парамагнетизм наблюдается в веществах, обладающих частично заполненными внутренними электронными оболочками с нескомпенсированными спинами: в никеле, в кобальте, в хроме, в группе редкоземельных элементов.

12.51. Каковы основные правила обращения с электронными приборами?

В широком смысле электронными приборами принято называть усилительные устройства, основанные на электронных эффектах, происходящих в вакууме, разреженных газах, твердых телах, жидкостях и границах их разделов при воздействии на них электрических, магнитных, световых, тепловых, акустических и других полей. По своей сути электронные приборы являются эффективно управляемыми (с помощью некоторого управляющего сигнала) преобразователями энергии, отбираемой от источника питания и передаваемой управляющему сигналу.

Электронные вакуумные лампы продолжительное время были практически единственными электронными приборами, позволяющими усиливать электрические сигналы, преобразовывать их из одного вида в другой. В 60-е годы положение изменилось — появились и быстро заняли ведущую роль в электронике разнообразные полупроводниковые приборы, приведшие в 70-е годы к полупроводниковой микроэлектронике. Микроэлектронные функциональные элементы и узлы, выпускаемые в широком ассортименте, сделали нецелесообразным изготовление аппаратуры из отдельных электронных приборов и практически вытеснили их из всех сфер применения, за небольшим исключением: аппаратуру, работающую при больших мощностях, высоких и сверхвысоких напряжениях, больших температурах (выше 300 °С), в условиях повышенной радиации, пока можно выполнять только на электронных лампах.

На первом этапе своего развития хемотроника как техническая отрасль была призвана разрабатывать общие теоретические и технологические принципы построения электрохимических преобразователей. При этом создавались в основном аналоги электронных приборов с той разницей, что носителями заряда были не электроны в вакууме, газе или твердом теле, а ионы в растворе. Так были созданы электрохимические выпрямители, интеграторы, усилители. Подвижность ионов в растворе намного меньше, чем подвижность электронов в газе или твердом теле, поэтому электрохимические приборы являются низкочастотными по своей физической природе, однако они имеют и ряд преимуществ перед электронными приборами.

Для измерения действующего значения переменных тока и напряжения промышленной частоты чаще всего пользуются электромагнитными, электродинамическими и ферродинамическими приборами, а на повышенных частотах — термоэлектрическими, электростатическими, выпрямительными и электронными (аналоговыми и цифровыми). Среднее выпрямленное и амплитудное значения измеряют выпрямительными и электронными приборами.

Для измерений несинусоидальных токов и напряжений следует пользоваться приборами, рабочий частотный диапазон которых охватывает все те гармонические составляющие исследуемого сигнала, пренебрежение которыми недопустимо по условиям требуемой точности измерений. В частности, для измерений действующих значений несинусоидальных токов и напряжений лучше всего пользоваться термоэлектрическими, электродинамическими, электростатическими и электронными приборами, для измерений средних выпрямленных значений — электронными, градуированными в средних выпрямленных значениях; а для измерений амплитудных значений напряжений — электронными пиковыми вольтметрами.

Электронными приборами называются приборы, в которых проводимость осуществляется, посредством электронов или ионов движущихся в вакууме, газе или полупроводнике.

Задачи, выполняемые электронными приборами в схемах электронных устройств, чрезвычайно многообразны, однако все они сводятся к преобразованию или усилению электрических сигналов по мощности. В связ^ с этим электронные Приборы относятся, как правило, к активной либо преобразующей группе элементной базы электроники. Необходимо отметить, что решить задачи усиления и преобразования сигнала можно не только с помощью электронных приборов. Например, усилить сигнал по мощности можно с помощью магнитного, электромашинного, гидравлического либо пневматического усилителей. Такие усилители и составляющие их элементы к электронике не имеют отношения, и их принцип действия изучается в соответствующих дисциплинах.

являются генераторы того или иного типа. При промышленных частотах на электрических станциях в настоящее время в качестве генераторов применяют вращающиеся электрические машины. Для промышленных и повышенных частот генерирование переменной э. д. с. осуществляют также с помощью ионных и полупроводниковых преобразователей постоянного тока в переменный, именуемых инверторами. При повышенных и высоких частотах используют преобразователи с электронными приборами, например ламповые генератор^!. Наконец, для генерирования колебаний с частотами, приближающимися к частотам оптического диапазона, а также лежащими в оптическом диапазоне, используются квантовые генераторы, именуемые мазерами и лазерами.

Для измерения действующего значения переменных тока и напряжения промышленной частоты чаще всего пользуются электромагнитными, электродинамическими и ферродинамическими приборами, а на повышенных частотах — термоэлектрическими, электростатическими, выпрямительными и электронными (аналоговыми и цифровыми). Среднее выпрямленное и амплитудное значения измеряют выпрямительными и электронными приборами.

Для измерений несинусоидальных токов и напряжений следует пользоваться приборами, рабочий частотный диапазон которых охватывает все те гармонические составляющие исследуемого сигнала, пренебрежение которыми недопустимо по условиям требуемой точности измерений. В частности, для измерений действующих значений несинусоидальных токов и напряжений лучше всего пользоваться термоэлектрическими, электродинамическими, электростатическими и электронными приборами, для измерений средних выпрямленных значений — электронными, градуированными в средних выпрямленных значениях; а для измерений амплитудных значений напряжений — электронными пиковыми вольтметрами.