Каждую секунду Солнце обрушивает на поверхность Земли поток энергии, который в тысячи раз превышает все нужды человеческой цивилизации. Один час солнечного света, достигающего поверхности нашей планеты, теоретически мог бы обеспечить человечество электроэнергией на целый год. Это не преувеличение - это просто физика. Но физика же ставит и ограничения. Поймать фотон - задача не тривиальная. Преобразовать его в электрон, направить этот электрон в нужную сторону, не дать энергии раствориться в тепле - целая наука. И в центре этой науки стоит понятие, с которого мы начали весь наш цикл: запрещённая зона. Именно она определяет, какой свет кристалл умеет ловить ...
Что происходит на границе двух типов полупроводников, почему ток течёт только в одну сторону. Из этого простого принципа вырастают диоды, транзисторы и солнечные батареи. Представьте две страны, вплотную примыкающие друг к другу. В одной избыток мужчин, в другой избыток женщин. Открыли границу, и начнётся движение: одни переходят в одну сторону, другие в другую. Но движение не будет вечным. Очень скоро накопившийся на границе заряд создаст поле, которое остановит дальнейший переток. Установится равновесие, и граница превратится в барьер. Именно это происходит при соединении двух кусков полупроводника. Один легирован фосфором, другой бором ...
Величина тока, текущего через проводник, прямо пропорциональна напряжению на его концах. Значит чем больше напряжение на концах проводника — тем больше при этом ток в данном проводнике. Но при одном и том же напряжении на разных проводниках, изготовленных из различных материалов, величина тока будет различной. То есть если напряжение на разных проводниках увеличивать одинаково, то рост величины тока будет происходить в разных проводниках по-разному, и это зависит от свойств конкретного проводника. Для любого проводника зависимость величины тока от приложенного напряжения индивидуальна и называется эта зависимость электрическим сопротивлением проводника ...
Давайте проведем такой мысленный эксперимент. Представьте, что на расстоянии в 100 километров от города находится некая деревня, и что из города в эту деревню проложена проводная сигнальная линия длиной примерно в 100 километров с лампочкой на конце. Линия экранированная двухпроводная, она проложена на опорах вдоль автомобильной дороги. И если теперь послать сигнал по этой линии из города в деревню, то через какое время он сможет быть там принят? Расчеты и опыт говорят нам, что сигнал в виде засветившейся лампочки появится на другом конце минимум через 100/300000 секунд, то есть минимум через 333,3 мкс (без учета индуктивности провода) в деревне загорится лампочка ...
Как один атом фосфора на миллион атомов кремния способен превратить изолятор в проводник - и почему именно это открытие заложило фундамент микроэлектроники. В токсикологии есть старый принцип, сформулированный ещё Парацельсом: всё есть яд, и всё есть лекарство - дело лишь в дозе. Полупроводниковая технология следует той же логике, только с поправкой: здесь важна не только доза, но и выбор именно того «яда», который нужен. Возьмите кристалл чистейшего кремния. «Чистейший» - не фигура речи. Примерно одна посторонняя молекула на миллиард атомов кремния - такая чистота недостижима даже в большинстве лабораторных реактивов. При подобной степени очистки кремний ведёт себя почти как изолятор ...
Шёл декабрь 1947 года. За окнами лаборатории Bell Labs в Мюррей-Хилле, штат Нью-Джерси, мело снегом. Уолтер Браттейн - невысокий, упрямый экспериментатор с привычкой говорить что думает - склонился над куском германия размером с горошину. Рядом стоял теоретик Джон Бардин, тихий и методичный, человек, умевший в уме видеть то, чего ещё не существовало в природе. Браттейн нечаянно перепутал полярность приложенного напряжения - и схема вдруг начала усиливать сигнал. Не гасить, не пропускать как есть, а именно усиливать - в несколько раз. Пальцы замерли. Оба физика переглянулись. Через неделю, 23 декабря 1947 года, они официально представили своё изобретение руководству компании ...
Если разобрать лампу накаливания до последнего элемента, окажется, что это вовсе не примитивный бытовой предмет, а нелинейный электрический прибор со своей физикой, термодинамикой и инженерной логикой. А то, что пришло ей на смену, - уже полноценное электронное устройство в стандартном корпусе. Сердце лампы накаливания - вольфрамовая нить. Вольфрам выбран не случайно: он обладает самой высокой температурой плавления среди металлов - около 3422 °C, и именно это позволяет нити работать при 2500-3000 °C, не разрушаясь мгновенно. При таком нагреве металл начинает излучать свет в видимом диапазоне, но основная часть энергии ...
В классической физике электрон не может преодолеть барьер, если у него недостаточно энергии. В квантовой механике - может. С некоторой вероятностью электрон просто «просачивается» сквозь тонкую изолирующую плёнку, не имея для этого нужной энергии. Это явление называется квантовым туннелированием, и оно существует не только в теории - его открыли ещё в 1928 году. Пока изолирующий слой под затвором транзистора был достаточно толстым, туннелирование было редкостью. В процессорах с нормой 90 нм (начало 2000-х) толщина окисла затвора составляла около 1,2 нм - примерно 5 атомарных слоёв. Ток утечки через такой слой уже стал заметным. При переходе к 45 нм инженеры уткнулись в стену ...
Инженер Белл Laboratories Уолтер Браттейн держал в пальцах два золотых контакта на расстоянии волоска друг от друга. Был декабрь 1947 года. Когда он прикоснулся ими к кристаллу германия и подал напряжение - в наушниках зазвучал усиленный звук. Транзистор заработал. Никто в тот момент не думал о нулях и единицах. Думали об усилителях, телефонных линиях, замене громоздких вакуумных ламп. Идея использовать транзистор как простой переключатель - либо открыт, либо закрыт - пришла чуть позже. И именно она изменила всё. У этого выбора есть конкретная физическая причина, и называется она помехоустойчивость. Представьте два способа передать число от одного человека другому через шумную улицу ...
Энергетические преобразования лежат в основе работы всех электрических машин, будь то генераторы, электродвигатели или трансформаторы. Эти устройства играют ключевую роль в современном электротехническом оборудовании, обеспечивая преобразование энергии из одной формы в другую. В отличие от природных процессов, где изменения энергии происходят в строго определенных условиях, электрические машины дают инженерам возможность контролировать и подстраивать параметры энергии, что делает их незаменимыми в широком спектре технологических процессов. Электротехника оперирует напряжениями, вызывающими электрический ток ...
Шёл декабрь 1947 года. За окнами лаборатории Bell Labs в Мюррей-Хилле, штат Нью-Джерси, мело снегом. Уолтер Браттейн - невысокий, упрямый экспериментатор с привычкой говорить что думает - склонился над куском германия размером с горошину. Рядом стоял теоретик Джон Бардин, тихий и методичный, человек, умевший в уме видеть то, чего ещё не существовало в природе. Браттейн нечаянно перепутал полярность приложенного напряжения - и схема вдруг начала усиливать сигнал. Не гасить, не пропускать как есть, а именно усиливать - в несколько раз. Пальцы замерли. Оба физика переглянулись. Через неделю, 23 декабря 1947 года, они официально представили своё изобретение ...
Почему электрический ток уходит в землю? А ведь данный вопрос можно обратить отнюдь не ко всем электрическим цепям, поэтому давайте несколько усложним его. В каких случаях и почему ток уходит в землю? Начнем с простого примера. Наверняка каждому из нас приходилось наблюдать такое природное явление как молния. Молния — есть ни что иное, как кратковременный ток уходящий их грозовой тучи в землю. Почему это происходит? Из школьного курса физики известно: заряды противоположных знаков стремятся притянуться друг к другу, за направление тока в проводнике принимается направление ...
Когда первые проектировщики метрополитенов в конце XIX века столкнулись с вопросом электроснабжения подвижного состава, перед ними стоял сложный технический выбор. Наземные трамваи того времени использовали воздушную контактную сеть, но для подземных тоннелей этот вариант оказался неприемлемым. Ограниченное пространство, проблемы с вентиляцией и требования безопасности диктовали необходимость иного решения. Так появилась концепция третьего (контактного) рельса, ставшая отличительной чертой большинства метрополитенов мира. Физические параметры подземных сооружений создавали ...
Колоссальную роль и значимость воды в природе невозможно переоценить. Благодаря воде возникла и поддерживается жизнь на Земле, ведь вода содержится во всех без исключения живых организмах, а также в растениях и постоянно требуется им. Именно вода в атмосфере формирует климат и погоду на нашей планете (снег, дождь, пар — проявление трех, постоянно сменяющих друг друга, агрегатных состояний воды). Чуть более 70% поверхности Земли постоянно скрыто под водой. Соленая вода, а ее на поверхности нашей планеты более 97%, принадлежит мировому океану ...
Существуют разные устройства, работающие от электрической сети переменного тока, и каждое из этих устройств индивидуально. Лампа накаливания, например, сразу преобразует энергию проходящего через нее электрического тока — в свет и тепло, при этом мы НЕ можем сказать, что какая-нибудь часть электрической энергии из лампы периодически возвращается обратно в сеть. Сколько энергии в нить накаливания пришло — на столько лампа греет и светит. Если же начать пропускать через лампу большую мощность — она просто перегорит, но не сумеет вернуть излишки энергии в сеть ...
Любое автоматическое устройство работает на основе трех основных принципов: восприятия, обработки и реагирования. Восприятие - это способность устройства получать информацию об окружающей среде или своем состоянии с помощью датчиков. Обработка - это способность устройства анализировать полученную информацию и принимать решения на основе заданных правил или алгоритмов. Реагирование - это способность устройства выполнять действия в соответствии с принятыми решениями с помощью исполнительных механизмов. В этой статье мы рассмотрим более подробно каждый из этих принципов и их применение в различных областях ...
Электричество окружает нас повсюду — от нервных импульсов в нашем организме до молний в грозовых тучах. Следует отметить, что это одно из самых фундаментальных явлений природы, изучение которого продолжается уже более трех столетий. Давайте рассмотрим десять поразительных фактов об электричестве, которые продемонстрируют всю удивительность этого явления. Из курса физики известно, что понимание электричества открывает двери к постижению многих природных и технических процессов. Что может быть более впечатляющим, чем природная демонстрация электрической мощи?
Для преобразования электрического напряжения одной величины в электрическое напряжение другой величины, то есть для преобразования электрической мощности, применяют электрические трансформаторы. Трансформатор может преобразовывать лишь переменный ток в переменный ток, поэтому для получения постоянного тока, переменный ток с трансформатора при необходимости выпрямляют. Для этой цели служат выпрямители. Так или иначе, любой трансформатор работает благодаря явлению электромагнитной индукции, которое проявляет себя во всей красе именно при переменном или импульсном токе. В простейшем виде однофазный трансформатор состоит ...