Оптоэлектроника Полупроводниковый лазер Волоконно-оптический световод Электронно-дырочный переход Изучение законов внешнего фотоэффекта

Лабораторные работы по электронике

Квантовая физика возникла и в основном сформировалась в первой трети ХХ столетия. Возникновение и развитие квантовой физики связано с именами М. Планка, А. Эйнштейна, Л.де Бройля, Н. Бора, В. Гейзенберга, Э. Шредингера, В. Паули. Значительный вклад внесли советские физики Л.Д. Ландау, В.А. Фок, А.Ф. Иоффе и др.

В квантовой физике существуют несколько основных принципов.

1. Дискретность состояний. Физическая система (например, электрон в кулоновском поле атомного ядра) может находиться лишь в отдельных дискретных состояниях. Переход между этими состояниями может быть самопроизвольным (спонтанным) или вызванным внешними воздействиями (индуцированные переходы). В частности, состояние системы может изменяться и непрерывно (свободный электрон).

2. Корпускулярно-волновой дуализм. Один и тот же физический объект в некоторых физических явлениях может вести себя как волна, а в других - как поток частиц.

3. Принцип неопределенности. Существуют пары физических величин (импульс и координата, время и энергия), которые одновременно в одном и том же состоянии системы не могут иметь точных значений, и чем меньше интервал возможных значений одной из них, тем больше такой интервал для другой.

Существует и ряд других характерных черт квантовой физики, коренным образом отличающих ее от классической физики - физики привычных для человека пространственных масштабов, промежутков времени, значений масс, импульсов и т.д. Законы квантовой физики кажутся нам на первый взгляд парадоксальными и непонятными именно потому, что в повседневной практике мы не сталкиваемся с их проявлениями. В этом - трудность изучения квантовой физики. Помочь студентам преодолеть эту трудность - цель предлагаемого цикла лабораторных работ.

Квантовая физика возникла не на пустом месте. К ее созданию привело развитие наших знаний об окружающем нас материальном мире. Можно выделить два основных направления развития квантовой физики.

1. Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом. Попытка с точки зрения классической физики вычислить и объяснить распределение по частотам энергии электромагнитного излучения, находящегося в тепловом равновесии с веществом полости, внутри которой заперто излучение, привела к противоречию не только с экспериментальными данными, но и со здравым смыслом (так называемая ультрафиолетовая катастрофа). Предложенная М.Планком гипотеза о том, что излучение испускается и поглощается отдельными порциями - квантами - привела к разумной формуле, блестяще подтвержденной экспериментом. Изучению теплового излучения и его законов посвящены в нашем цикле работы № 601 и 602.

Кроме того, к концу Х1Х в. стали известны такие явления, как фотоэффект, эффект Комптона (упругое рассеяние электромагнитного излучения на свободных электронах), которые можно объяснить, лишь предположив, что излучение представляет собой поток частиц - фотонов. В нашем практикуме законы фотоэффекта изучаются в работе № 603.

2. Атомная физика, в частности - исследование спектра испускания водорода. В предлагаемом цикле лабораторная работа № 604 посвящена этой теме.

Одним из наиболее важных разделов квантовой физики является квантовая механика. Для будущих инженеров важно познакомиться с современной физикой твердого тела, основанной на квантовой физике. Этой области физики посвящена работа № 606. В работе № 611 исследуются волновые свойства микрочастиц, в работах № 610 и 612 - некоторые вопросы атомной физики.

Следует отметить, что квантовая физика является основой многих важных разделов современной физики и техники: физики твердого тела, твердотельной электроники, лазерной физики и др. Без глубокого изучения этого раздела невозможно понять новые перспективные направления в радиотехнике и наноэлектронике. Поэтому глубокое знание квантовой физики необходимо современному инженеру.

Авторы надеются, что практикум по квантовой физике поможет студентам глубоко овладеть этой трудной, но важной и интересной областью современной науки.


ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА ИЗ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

601.1. Цель работы

Опытное определение постоянной Планка.

601.2. Разделы теории

Тепловое излучение. Законы Кирхгофа, Стефана - Больцмана; закон смещения Вина. Формула Планка. Излучательная и поглощательная способность, спектральная плотность, интегральная светимость. [1. Гл.1,§1 - 7]; [2. Гл. 26, §197 - 200]

601.3. Приборы и принадлежности

Лабораторная установка, вольтметр, амперметр, омметр, набор светофильтров.

601.4. Теоретическое введение

Принцип измерения постоянной Планка в данной работе основан на использовании законов теплового излучения.

Тепловое излучение характеризуется мощностью, излучаемой единицей поверхности тела при постоянной температуре . Оказывается, что при данной температуре максимально возможную теоретически мощность с единицы поверхности может излучать тело, которое называется абсолютно черным. Мощность, излучаемая единицей поверхности тела при данной температуре во всем диапазоне частот, называется энергетической светимостью . Мощность, излучаемая с единицы поверхности тела в интервале частот от  до при постоянной температуре, пропорциональна интервалу частот

 , (601.1)

где  - излучательная способность тела (спектральная плотность энергетической светимости), являющаяся функцией частоты излучения  и температуры излучающей поверхности .

Из (601.1) следует связь энергетической светимости с излучательной способностью:

. (601.2)

Согласно закону Стефана – Больцмана, энергетическая светимость абсолютно черного тела  пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры  излучающей поверхности

, (601.3)

где  - постоянная Стефана - Больцмана.

Для реальных тел (в данной работе нить накаливания лампочки) при равных температурах энергетическая светимость   меньше энергетической светимости абсолютно черного тела :

, (601.4)

где  < 1 - коэффициент нечерности излучающего тела.

Полная мощность P, излучаемая со всей поверхности S однородного тела, с учетом (601.3) и (601.4) может быть вычислена по формуле

. (601.6)

В 1900 г М. Планком была получена явная зависимость излучательной способности абсолютно черного тела   от частоты  и температуры :

, (601.6)

где  - постоянная Планка;  - скорость света в вакууме;  - постоянная Больцмана.

Из (601.2) с учетом (601.6) может быть получена формула для энергетической светимости абсолютно черного тела

. (601.7)

Сравнивая выражения (601.3) и (601.7), получим постоянную Стефана - Больцмана в явном виде:

. (601.8)

Постоянная Планка входит в выражения для постоянной Стефана - Больцмана (601.8) и излучательной способности абсолютно черного тела (601.6), что позволяет определить ее численное значение из эксперимента.

 

 

 

 

 

 

 

Класс усиления С. Это режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает в течение времени, меньшем половины периода изменения входного сигнала. В этом режиме транзистор больше половины периода находится в режиме отсечки. Он находит широкое применение в мощных резонансных усилителях радиопередающих устройств. В них для поддержания колебаний транзистор должен обеспечивать подкачку энергии в контур для комп6енсации потерь в его активных элементах. При больших добротностях контура эта энергия может быть существенно меньше энергии собственных колебаний и для ее восстановления достаточно подключение внешнего источника питания на время, меньше половины периода колебаний. Реализовать такой режим можно, если на вход каскада подать напряжение смещения Uсм<0.

Общим для всех рассмотренных режимов является тот факт, что усиление входного сигнала сопровождается потерями мощности в транзисторе усилительного каскада. Величина этих потерь для различных классов усиления различна и они не могут быть сведены к нулю. Это вытекает из того, что сам процесс усиления связан с перераспределением напряжения (мощности) между регулирующим элементом (транзистором) и нагрузкой. Существует только две точки, для которых можно считать, что мощность, выделяющаяся в транзисторе, близка к нулю. Это точка, соответствующая режиму отсечки (цепь нагрузки практически разорвана – выключена), и точка, соответствующая режиму насыщения транзистора (цепь нагрузки непосредственно подключена к источнику питания – включена). В этих точках потери в транзисторе определяются лишь его собственными параметрами и не связаны с процессом усиления входного сигнала.

Класс усиления D. Это режим работы транзисторного каскада, при котором в установившемся режиме транзистор может находиться только в состоянии включено (режим насыщения) или выключено (режим отсечки). Этот режим работы транзистора называется еще ключевым режимом. Таким образом, ток в выходной цепи каскада, работающего в режиме усиления класса D, может принимать только два значения: Iк макс и Iк мин. При этом потери в транзисторе минимальны, поэтому к.п.д. такого усилительного каскада близок к единице.

Для реализации режима класса D не требуется подавать смещение на вход транзистора, а входной сигнал должен принимать либо значение, близкое к нулю, обеспечивающее режим отсечки транзистора, либо значение, обеспечивающее насыщение транзистора. Выходное напряжение усилителя, работающего в режиме класса D, всегда имеет форму прямоугольного импульса и усиление входного сигнала обусловлено изменением того или иного параметра этого импульса, например, амплитуды, длительности, фазы.

Следует отметить, что, строго говоря, к.п.д. каскада, работающего в режиме класса D только теоретически близок к единице. На практике в таких каскадах всегда присутствуют три составляющие потерь, связанные с не идеальностью транзистора: потери в режиме насыщения, потери в режиме отсечки и потери на переключение. Последние обусловлены перемещением рабочей точки по нагрузочной прямой из режима насыщения в режим отсечки и обратно за конечное время, а не мгновенно. При правильном проектировании эти потери могут быть незначительны.


На главную