Использование аналогии при изучении транзистора.

В настоящее время транзистор как полупроводниковый прибор нашел широкое применение во всех сферах человеческой деятельности. Популярность прибора повышает интерес учащихся к нему и его техническому приложению. Модель транзистора, как и всякая аналогия, является приближением прибора и имеет свои границы применимости (например, с ее помощью невозможно показать собственную и примесную проводимость; перемещение дырок и электронов и т. д.). Однако в главном модель и оригинал схожи: это тождественность включения их схем и аналогичность работы основных частей и, кроме того, равенство нулю тока коллектора при отсутствии тока в базе.

рис.1

 

После ознакомления учащихся с основными элементами транзистора p-n-p-типа (эмиттером, базой и коллектором) и механизмами правого и левого p-n-переходов, учащимся предлагается   пронаблюдать данные процессы на модели. Для этого собирается установка, показанная на рис. 1. (предложенная В.С. Данюшенковым и С.Е. Каменецким) Она состоит из аналога транзистора 1, двух центробежных водяных насосов с электродвигателями 2 и стеклянных переходников 3, соединенных между собой резиновыми трубками.

В качестве аналога берут модель водоструйного насоса, имеющаяся в арсенале кабинета физики.

Источником переменного «напряжения» для модели (см. рис- 1) служит вход 4, который подключают к водопроводному крану. Меняя с помощью крана скорость течения жидкости в установке, регулируют давление (напор) в ней. В этой установке давление жидкости служит аналогом напряжения в электрической цепи транзистора. Насосы выполняют роль источников постоянного тока, трубки с водой — соединительных проводов, а стеклянная трубка 5 - постоянного резистора R, включенного в цепь, показанную на рис. 3.

Рис. 3.

Работу основных элементов модели необходимо показать учащимся.

Сначала объясняют роль токов в пра­вом и левом p-n-переходах и их влияние на работу транзистора. Для этого открывают кран и создают постоянный напор воды в системе «эмиттер — база». Жидкость через «эмиттерный» вход поступает в полость аналога транзистора и сливается в отверстие «базы». Источник постоянного напряжения (насос) левого перехода включают в таком направлении, чтобы поток воды из «базового» отверстия всасывался в «эмиттерную» цепь и создавал прямой ток, который зависит только от источника напряжения. Показывают соответствующую демонстрацию, изменяя напор воды в системе с помощью крана и насоса (меняют число оборотов двигателя). При этом часть воды поступает в «коллектор». Это иллюстрирует диффундирование нерекомбинированных в базе дырок в коллектор.

Затем показывают значение базы в транзисторе. Включают правый и левый насосы аналога так, чтобы потоки жидкости в них циркулировали по часовой стрелке. Тогда по «базе» будут протекать два встречных потока жидкости. На языке аналогии это означает, что значения силы тока в цепях базы I_б, эмиттера I_э и коллектора I_к связаны соотношением: I_б=I_э-I_к. О соотношении значений силы тока в транзисторе учащиеся судят путем наблюдения за показаниями расходомеров жидкости, включенных в «эмиттерную» и «коллекторную» цепи модели. Расходомер представляет собой устройство для измерения скорости течения воды  и аналогичен амперметру. Поскольку скорость движения жидкости в «эмиттере» приближенно равна скорости движения жидкости в «коллекторе», можно сделать вывод об отсутствии ее движения в «базе», т. е. о том, что I_б=0. Действительно, так как концентрация инжектируемых дырок с эмиттера много больше их концентрации на границе с базой (ширина базы очень мала), то дырки интенсивно диффундируют к коллектору. В то же время обратный ток коллекторного перехода много меньше тока, создаваемого дырками эмиттера. Поэтому силу тока в цепи коллектора можно считать равной силе тока в цепи эмиттера (I_к I_э). Это равенство лежит в основе усиливающего действия транзистора.

Затем рассматривается использование транзистора как усилителя мощности. При этом рассматривают два случая: включение транзистора по схеме с общей базой (рис. 3, а) и общим эмиттером (рис. 3, б). Схему с общим коллектором не рассматривают, поскольку она мало чем отличается по действию от схемы с общим эмиттером. Поясняют распределение си­лы тока между эмиттером, базой и коллектором.

Усиление мощности можно осуществлять двумя способами:

 а) при постоянном напряжении увеличивать силу тока,

 б) при постоянной силе тока увеличивать напряжение.

Сначала рассматривают усиление мощности транзистора по току в схеме с общей базой (рис.3,а). Механизм этого процесса обсуждался при изучении правого p-n-перехода и поэтому усилительное действие в данном случае основано на равенстве I_к=I_э. Затем переходят к изучению усиления по току в схеме с общим эмиттером, рис3,б (I_к=I_э+I_б). Сущность процесса состоит в усилении рекомбинации дырок в базе путем подачи напряжения на эмиттерный и базовый входы транзистора. Демонстрацию осуществляют следующим образом. Насос «эмиттерного перехода» переключают так, чтобы он перемещал жидкость против часовой стрелки. Тогда одна часть жидкости от крана поступит по каналу «эмиттера» в полость «транзистора», а другая часть начнет всасываться насосом и перемещаться к «базе». Далее включают насос «коллекторного перехода» (перемещают воду по часовой стрелке) так, чтобы токи в «базе» были направлены в сторону аналога транзистора. Таким образом, возникнет значительный поток воды на выходе из «базы», который будет воздействовать на струю жидкости, вытекающую из «эмиттера», направляя ее в «коллекторный переход».

Усиление мощности по напряжению основано на различии сопротивлений коллекторного и эмиттерного p- n -переходов, включенных в противоположных направлениях. Эмиттерный переход, на который подано прямое напряжение смещения, имеет малое сопротивление, и падение напряжения на нем Us мало. На коллекторный же переход подается обратное напряжение смещения, и сопротивление его значительно больше, поэтому в коллекторную цепь может быть включена высокоомная нагрузка, сопротивление которой R_н значительно больше сопротивления эмиттерного перехода. Поскольку I_к и I_э одинаковы, то падение напряжения на высокоомной коллекторной нагрузке U_н=I_кR I_эR_н окажется много больше падения напряжения на эмиттерном переходе.

Для демонстрации явления можно воспользоваться моделью, собранной так, чтобы насосы вращались в одну сторону. Поочередно беря трубки 5 разного диаметра, демонстрируют роль нагрузки в цепи коллектора для усиления мощности.

 

§ 6 Изучение электрических цепей с использованием аналогии.

 

Цепь постоянного тока.

При введении понятия об электрическом токе полезна аналогия с течением воды в турбине. Аналогия становится особенно образной, если к этому времени введено понятие об электроне, тогда электрический ток представляется как упорядоченное движение электронов в проводнике. Весьма полезна гидродинамическая аналогия и при знакомстве с источникоми тока. На полюсах источника тока создается напряжение. Заряды (электроны, ионы), которые перемещаются в проводниках (металлах, электролитах), имеются в самих проводниках. Они движутся хаотически, но если проводник присоединить к полюсам источника тока, то заряды придут в упорядоченное движение, то есть появится ток.

    Поэтому здесь целесообразна аналогия источника тока с насосом. В гидродинамической системе (рис.1) насос не создает воду, а лишь вызывает ее перемещение.

рис.1

Аналогично насосу и действие источника тока в электрической цепи. Насос создает разность давлений (напор), что может быть аналогом напряжения. Турбина аналогична потребителю, насос - источнику тока, трубки с водой – соединительным проводам, а кран – выключателю.

Приведем схему установки и ее работу, предложенную С. Е. Каненецким и Н.Н. Солодухиным.

Установка для демонстрации гидродинамической аналогии электрической цепи состоит из центробежного насоса с электродвигателем 1, водяной турбины 2, манометра 3, расходомера 4, соединительных резиновых трубок 5 и кранов 6 и 7 (рис.2).

 

 

рис.2.

В начале установку собирают без расходомера и манометра. Число оборотов двигателя регулируют реостатом, в результате центробежный насос создает разный напор воды.

Водяная турбина состоит из плексигласа (рис.3).

рис.3.

Вода в нее поступает через сопло 1 вверху турбины, приводит в движение ротор 2 и выходит через отверстие 3. Ось ротора установлена в подшипниках и вращается с малым трением. При увеличении числа оборотов двигателя увеличивается напор воды и ротор турбины вращается быстрее. К турбине присоединяют манометр через специальные трубки 4, имеется кран 5. Сбоку турбины укреплен металлический стержень 6, с помощью которого ее устанавливают на лабораторном штативе. Для герметичности турбины между корпусом и крышкой поставлена резиновая прокладка.

В расходомере (изготовленном из плексигласа) имеется канал, по которому протекает вода, приведенная в движение насосом. В канале перпендикулярно дв

ижущемуся потоку расположена площадка, соединенная со стрелкой расходомера. Укрепляют расходомер на специальном штативе с помощью вертикального стержня. С другими приборами он соединен резиновыми трубками. Вверху расходомера имеется отверстие, закрепленное винтом, необходимым для выпуска воздуха при заполнении системы водой.

Демонстрации с установкой сводятся к следующему. Когда установка состоит из насоса и трубки (рис.4) демонстрируют циркуляцию воды, аналогичную движению зарядов в электрической цепи.

рис.4.

Поочередно закрывая краны, показывают, что краны можно установить в любом месте. Аналогично этому в электрической цепи можно установить где угодно выключатель.

 

 

Когда установка собрана с расходомером (рис.5) изменяют число оборотов двигателя (меняют напор воды) и стрелка расходомера сильно отклоняется. Сжимая в любом месте резиновую трубку, показывают изменение потока воды при одном и том же напоре.

рис.5.

Когда установка собрана целиком (см. рис. 2), обращают внимание на показания манометра, который аналогичен вольтметру в электри­ческой цепи. Одновременно демонстрируют величины, аналогичные электродвижущей силе и напряжению. Действительно, если открыть кран 6, а кран 7 закрыть, то циркуляции воды не будет, и манометр покажет максимальную разность давлений при таком числе оборо­тов. Это показание манометра аналогично электродвижущей силе. Если же кран 7 открыть, то вследствие движения воды турбина при­ходит в движение и показания манометра уменьшаются. (Показания манометра аналогичны напряжению, а показания расходомера — току.)

Изменяя сопротивление трубок (набор трубок различного поперечного сечения и длины) движению воды, показывают за­висимость между напором и сопротивлением движению воды, кото­рая аналогична закону Ома для полной цепи.

Познакомив учащихся с отдельными элементами электрической цепи, надо собрать простейшую электрическую цепь (потребитель — лампа накаливания, источник тока - батарея элементов, соедини­тельные провода и выключатель),

 

 а рядом с ней расположить соот­ветствующую установку для демонстрации гидродинамической ана­логии (рис.2). Видно, что при работе насо­са создается разность давлений (напор), под действием которого во­да перемещается по трубкам и приводит в движение турбину. Вода в системе циркулирует. Аналогично происходит направленное пере­мещение зарядов в электрической цепи. Разрыв цепи (в любом мес­те) нарушает это движение. Последнее дает возможность исключить часто встречающуюся ошибку: учащиеся полагают, что ключ в цепи ставят не в любом месте, а обязательно между положительным полю­сом источника тока и потребителем. Одновременно с этим объясняют, что в системе происходят определенные превращения энергии и что основным потребителем энергии является турбина.

 

Затем рассматривают явления в цепях переменного тока с емкостью и индуктивностью, а также сдвиг фаз между током и напряжением.