Giáo trình Điện tử cơ bản-lý thuyết và thực hành: Phần 1 - Trường Đại học Thái Bình

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:128

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Điện tử cơ bản-lý thuyết và thực hành: Phần 1 được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Linh kiện thụ động; Chất bán dẫn điện – Diode bán dẫn; Transistor mối nối lưỡng cực – BJT. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện tử cơ bản-lý thuyết và thực hành: Phần 1 - Trường Đại học Thái Bình

LỜI MỞ ĐẦU Trong thế kỷ 21, thời gian mà loài người đang tiến dần tới nền công nghiệp 4.0, công nghệ số hóa, thế giới phẳng đang ngày càng hiện hữu trong cuộc sống. Các sản phẩm số hóa, công nghệ điện tử trên thị trường ngày càng đa dạng, thu hút ngày càng nhiều sự chú ý, quan tâm, lựa chọn của khách hàng. Thị trường Việt Nam về cơ bản vẫn tràn ngập thiết bị điện tử, với công nghệ, kỹ thuật sản xuất ngày càng tinh xảo, tiện ích, bắt mắt. Các mạch điện tử ngày càng nhỏ gọn, thông minh, chiều lòng được những khách hàng khó tính. Vì vậy, việc trang bị kiến thức cơ bản về các linh kiện điện tử là rất cần thiết cho sinh viên các ngành kỹ thuật như điện, điện tử, ô tô, cơ khí… Giáo trình điện tử cơ bản, lý thuyết và thực hành được biên soạn nhằm mục đích phục vụ nhu cầu học tập của sinh viên đại học ngành điện công nghiệp và cũng có thể coi là tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành kỹ thuật khác có liên quan. Giáo trình được biên soạn theo hai phần lý thuyết và thực hành. Sau khi được trang bị kiến thức về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính… của các linh kiện ở phần lý thuyết, sinh viên sẽ được củng cố và rèn luyện kỹ năng trong phần thực hành ở mỗi chương. Nội dung giáo trình được chia làm 6 chương, trong đó: Chương 1: Linh kiện thụ động, cung cấp cho sinh viên kiến thức về cấu tạo, phân loại và chức năng của điện trở, tụ điện, cuộn cảm. Chương 2: Chất bán dẫn điện – Diode bán dẫn, giúp sinh viên tìm hiểu về đặc tính chất bán dẫn, nguyên lý hoạt động, phân loại và ứng dụng các loại diode. Chương 3, Chương 4: Transistor mối nối lưỡng cực – BJT, Transistor hiệu ứng trường – FET, cung cấp cho sinh viên cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách phân cực định chế độ làm việc, các cách mắc mạch cơ bản. Chương 5: Linh kiện có vùng điện trở âm, giúp sinh viên tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SCR UJT, Diac, Triac. Chương 6: Mạch khuếch đại thuật toán, cung cấp cho sinh viên nguyên lý hoạt động và các mạch ứng dụng của mạch khuếch đại thuật toán. Nhóm tác giả mong muốn khi xuất bản giáo trình, sinh viên có khả năng nhận dạng, đo kiểm, hiểu được nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử, từ đó có thể phân tích nguyên lý, sửa chữa, thiết kế các mạch điện tử cơ bản. Hy vọng giáo trình này sẽ mang lại cho sinh viên và bạn đọc nhiều điều bổ ích trong học tập và nghiên cứu. 1
Trong quá trình biên soạn không tránh khỏi thiếu sót, hạn chế, rất mong sự đóng góp ý kiến quý báu của bạn đọc. Xin trân trọng cảm ơn! 2
MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................................................... 1 MỤC LỤC ......................................................................................................................................................... 3 Chương 1 ........................................................................................................................................................... 8 LINH KIỆN THỤ ĐỘNG ................................................................................................................................ 8 MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................................8 1.1 NGUỒN GỐC CỦA DÒNG ĐIỆN .............................................................................................8 1.1.1 Dòng điện trong kim loại .....................................................................................................8 1.1.2 Dòng điện trong chất lỏng, chất điện phân ......................................................................10 1.1.2.1 Hiện tượng điện phân, bản chất dòng điện trong chất điện phân ....................................10 1.1.2.2 Định luật Faraday ...............................................................................................................12 1.1.2.3 Điện tích của ion .................................................................................................................12 1.1.2.4 Ứng dụng của hiện tượng điện phân .................................................................................13 1.1.3 Dòng điện trong chân không .............................................................................................14 1.2 ĐIỆN TRỞ ..................................................................................................................................17 1.2.1. Khái niệm ............................................................................................................................17 1.2.2. Phân loại ..............................................................................................................................17 1.2.3. Cách đọc trị số ....................................................................................................................22 1.2.4. Các kiểu ghép điện trở .......................................................................................................24 1.2.5. Các thông số liên quan .......................................................................................................24 1.2.6. Ứng dụng của điện trở .......................................................................................................24 1.3 TỤ ĐIỆN .....................................................................................................................................25 1.3.1 Cấu tạo ................................................................................................................................25 1.3.2 Phân loại ..............................................................................................................................26 1.3.3 Đặc tính của tụ điện với dòng điện một chiều ..................................................................28 1.3.4 Đặc tính nạp xả điện của tụ điện .......................................................................................30 1.3.5 Đặc tính của tụ điện với dòng điện xoay chiều ................................................................32 1.3.6 Các kiểu ghép tụ điện .........................................................................................................33 1.3.7 Ứng dụng của tụ điện .........................................................................................................34 1.4 CUỘN CẢM ...............................................................................................................................34 1.4.1 Cấu tạo và phân loại...........................................................................................................34 1.4.2 Các đại lượng đặc trưng của cuộn cảm ............................................................................35 1.4.2.1 Hệ số tự cảm ........................................................................................................................35 3
1.4.2.2 Năng lượng nạp vào cuộn cảm ...........................................................................................35 1.4.3 Từ trường và dòng điện – Hiện tượng cảm ứng điện từ. ................................................35 1.4.4 Hiện tượng tự cảm – hỗ cảm. ............................................................................................36 1.4.5 Đặc tính nạp - xả của cuộn dây ........................................................................................37 1.4.6 Đặc tính của cuộn dây với dòng xoay chiều .....................................................................39 1.4.7 Ứng dụng của cuộn dây .....................................................................................................39 1.4.8 Các cách ghép cuộn dây .....................................................................................................40 TỔNG KẾT.............................................................................................................................................40 PHẦN THỰC HÀNH CHƯƠNG 1 .............................................................................................................. 42 SỬ DỤNG VOM VÀ LINH KIỆN THỤ ĐỘNG ......................................................................................... 42 CÂU HỎI CHƯƠNG 1 .................................................................................................................................. 56 BÀI TẬP CHƯƠNG 1 ................................................................................................................................... 58 Chương 2 ......................................................................................................................................................... 60 CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN- DIODE BÁN DẪN .............................................................................................. 60 MỞ ĐẦU .................................................................................................................................................60 2.1 CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN ..................................................................................................................60 2.1.1.Đặc tính của chất bán dẫn ........................................................................................................60 2.1.2 Chất bán dẫn thuần...................................................................................................................61 2.1.3 Chất bán dẫn tạp .......................................................................................................................62 2.2. DIODE BÁN DẪN...........................................................................................................................64 2.2.1. Diode chỉnh lưu.........................................................................................................................64 2.2.2. Diode Zener...............................................................................................................................75 2.2.3. Diode phát quang (LED: Light Emitting Diode) ..................................................................76 2.2.4. Quang diode (photodiode - diode cảm quang) .......................................................................77 PHẦN THỰC HÀNH CHƯƠNG 2 .............................................................................................................. 78 CÂU HỎI CHƯƠNG 2 .................................................................................................................................. 87 BÀI TẬP CHƯƠNG 2 ................................................................................................................................... 88 Chương 3 ......................................................................................................................................................... 92 TRANSISTOR MỐI NỐI LƯỠNG CỰC BJT ............................................................................................ 92 MỞ ĐẦU .................................................................................................................................................92 3.1. KHÁI NIỆM, CẤU TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CỦA BJT ..................................................................92 3.1.1 Cấu tạo .......................................................................................................................................92 3.1.2. Nguyên lý hoạt động ................................................................................................................93 3.1.3. Ký hiệu và hình dáng thực tế ..................................................................................................96 4
3.1.4 Đặc tính kỹ thuật của BJT NPN...............................................................................................96 3.1.5 Các thông số kỹ thuật của BJT ................................................................................................99 3.2. PHÂN CỰC BJT ..........................................................................................................................100 3.2.1 Phân cực dùng 2 nguồn điện riêng .........................................................................................101 3.2.2 Phân cực dùng một nguồn duy nhất ......................................................................................104 3.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới thông số của BJT .................................................................. 1046 3.2.4 Các biện pháp ổn định nhiệt................................................................................................ 1047 3.3. MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG BJT ........................................................................................ 1008 3.3.1 Khái niệm và các thông số của mạch khuếch đại .............................................................. 1018 3.3.2 Phân tích mạch khuếch đại đơn giản.................................................................................. 1049 3.3.3 Ba cách lắp căn bản và mạch tương đương .........................................................................112 3.3.4 So sánh thông số của BJT theo ba cách lắp mạch .......................................................... 10117 TỔNG KẾT...........................................................................................................................................117 PHẦN THỰC HÀNH CHƯƠNG 3 ............................................................................................................ 118 CÂU HỎI CHƯƠNG 3 ................................................................................................................................ 124 BÀI TẬP CHƯƠNG 3 ................................................................................................................................. 126 TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG ...................................................................................................... 129 MỞ ĐẦU ...............................................................................................................................................129 4.1 KHÁI NIỆM ..................................................................................................................................129 4.2 JFET ...............................................................................................................................................129 4.2.1. Cấu tạo - Ký hiệu....................................................................................................................129 4.2.2. Nguyên lý làm việc..................................................................................................................130 4.2.3. Đặc tuyến.................................................................................................................................131 4.2.4. Các tham số đặc trưng ...........................................................................................................133 4.2.5. Phân cực ..................................................................................................................................134 4.3 MOSFET .......................................................................................................................................135 4.3.1. MOSFET kênh liên tục ..........................................................................................................135 4.3.2. MOSFET kênh gián đoạn ......................................................................................................138 4.4. NHẬN XÉT CHUNG VỀ JFET VÀ MOSFET ..........................................................................140 TỔNG KẾT...........................................................................................................................................140 PHẦN THỰC HÀNH CHƯƠNG 4 ............................................................................................................ 141 CÂU HỎI CHƯƠNG 4 ................................................................................................................................ 147 BÀI TẬP CHƯƠNG 4 ................................................................................................................................. 148 Chương 5 ....................................................................................................................................................... 150 5
LINH KIỆN CÓ VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM .................................................................................................. 150 MỞ ĐẦU ...............................................................................................................................................150 5.1. UJT (UNI JUNCTION TRANSISTOR) ........................................................................................150 5.1.1. Cấu tạo - Ký hiệu...................................................................................................................150 5.1.2. Nguyên lý hoạt động – Đặc tuyến..........................................................................................150 5.1.3. Ứng dụng .................................................................................................................................152 5.2. SCR (SILICON CONTROLLED RECTIFIER) ............................................................................154 5.2.1. Cấu tạo – Ký hiệu ...................................................................................................................154 5.2.2. Nguyên lý hoạt động – Đặc tuyến..........................................................................................155 5.2.3 Ứng dụng ..................................................................................................................................156 5.3 TRIAC .............................................................................................................................................157 5.3.1 Cấu tạo- Ký hiệu......................................................................................................................157 5.3.2 Nguyên lý hoạt động – Đặc tuyến...........................................................................................158 5.3.3 Ứng dụng .................................................................................................................................160 5.4. DIAC...............................................................................................................................................160 5.4.1 Cấu tạo- Ký hiệu......................................................................................................................160 5.4.2 Nguyên lý hoạt động và đặc tuyến .........................................................................................162 TỔNG KẾT...........................................................................................................................................162 PHẦN THỰC HÀNH CHƯƠNG 5 ............................................................................................................ 163 CÂU HỎI CHƯƠNG 5 ................................................................................................................................ 170 BÀI TẬP CHƯƠNG 5 ................................................................................................................................. 172 Chương 6 ....................................................................................................................................................... 173 MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN .................................................................................................... 173 MỞ ĐẦU ..............................................................................................................................................173 6.1. KHÁI NIỆM VÀ CẤU TẠO ........................................................................................................173 6.2. CÁC VI MẠCH THÔNG DỤNG ................................................................................................174 6.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG .......................................................................................................175 6.4. CÁC MẠCH CƠ BẢN ..................................................................................................................176 6.4.1. Mạch khuếch đại đảo ............................................................................................................177 6.4.2. Mạch khuếch đại không đảo.................................................................................................177 6.4.3. Mạch cộng ...............................................................................................................................178 6.4.4. Mạch trừ..................................................................................................................................179 6.4.5. Mạch tích phân .......................................................................................................................179 6.4.6. Mạch vi phân .........................................................................................................................180 6
6.5. TRẠNG THÁI THỰC TẾ CỦA OP – AMP ...............................................................................181 TỔNG KẾT...........................................................................................................................................182 PHẦN THỰC HÀNH CHƯƠNG 6 ............................................................................................................ 183 CÂU HỎI CHƯƠNG 6 ................................................................................................................................ 192 BÀI TẬP CHƯƠNG 6 ................................................................................................................................. 193 PHẦN PHỤ LỤC.......................................................................................................................................... 196 KỸ THUẬT XI HÀN VÀ THIẾT KẾ MẠCH IN ..................................................................................... 196 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................................... 202 7
Chương 1 LINH KIỆN THỤ ĐỘNG MỞ ĐẦU Linh kiện điện tử thụ động là những linh kiện điện tử có thể hoạt động mà không cần cung cấp nguồn điện bao gồm điện trở, tụ điện và cuộn cảm. Có những thiết bị điện tử hoàn toàn thụ động, cấu tạo từ các linh kiện điện tử thụ động, không cần được cung cấp nguồn điện như máy thu radio tinh thể loại cổ, hay bộ lọc thụ động. Chương này sẽ giúp chúng ta tìm hiểu về cấu tạo và hoạt động của các linh kiện thụ động này. 1.1 NGUỒN GỐC CỦA DÒNG ĐIỆN Dòng điện xuất hiện khi có sự chuyển dời có hướng của các hạt electron tự do trong kim loại hoặc sự chuyển dời có hướng của các ion (dương và âm) trong dung dịch điện phân…Như vậy có thể định nghĩa dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện. Người ta quy ước chiều của dòng điện là chiều chuyển động của các điện tích dương, vì thế trong dây dẫn kim loại, chiều của dòng điện ngược với chiều dịch chuyển của các electron. Từ định nghĩa của dòng điện nêu trên ta thấy rằng muốn có dòng điện cần phải có các hạt mang điện có thể tự do chuyển động và điện trường gây ra lực làm cho các hạt mang điện này chuyển động có hướng. Như vậy điều kiện cần thiết để tạo ra dòng điện trong các vật dẫn là phải có điện tích tự do và phải xuất hiện một điện trường, hay nói cách khác là giữa hai đầu vật dẫn phải có một hiệu điện thế. 1.1.1 Dòng điện trong kim loại a) Bản chất dòng điện trong kim loại Kim loại ở thể rắn có cấu trúc tinh thể, nghĩa là các ion kim loại được sắp xếp một cách đều đặn theo một trật tự nhất định trong không gian, tạo thành mạng tinh thể. Electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử kim loại dễ mất liên kết với hạt nhân của nguyên tử và trở thành electron tự do trong kim loại. Do bị mất electron nên các nguyên tử trong mạng tinh thể trở thành những ion dương. Như vậy, trong tinh thể kim loại, ở các nút mạng là các ion dương, xung quanh ion dương là các electron tự do. Giữa các ion dương kim loại và các electron tự do có lực hút tĩnh điện. Điện tích âm của tất cả các electron tự do có trị số tuyệt đối đúng bằng điện tích dương của các ion cho nên vật thể bằng kim loại trung hòa về điện. Ở nhiệt độ bình thường, các ion trong mạng tinh thể chỉ dao động quanh các vị trí cân bằng của chúng, nói chung trật tự sắp xếp của các ion không thay đổi, các electron tự do thì chuyển động tự do 8
trong khoảng không gian giữa các ion bên trong vật thể kim loại. Chính vì vậy, kim loại là vật thể dẫn điện tốt. Bằng nhiều thí nghiệm người ta đã xác nhận rằng tính dẫn điện của kim loại được gây nên bởi chuyển động của các electron tự do. Khi không có điện trường (chưa đặt vào hai đầu vật dẫn kim loại một hiệu điện thế) các electron tự do chỉ chuyển động hỗn loạn. Chuyển động của electron tự do giống như chuyển động nhiệt của các phần tử trong một khối khí, do đó, tính trung bình, lượng electron chuyển động theo một chiều nào đó luôn bằng lượng electron chuyển động theo chiều ngược lại. Vì vậy, khi không có điện trường, trong kim loại không có dòng điện. Hình 1.1: Chuyển động của electron khi chưa có điện trường và khi có điện trường Khi có điện trường trong kim loại (đặt vào hai đầu vật dẫn kim loại một hiệu điện thế) các electron tự do chịu tác dụng của lực điện trường và chúng chuyển động theo một chiều xác định, ngược với chiều điện trường, ngoài chuyển động nhiệt hỗn loạn. Đó là chuyển động có hướng của electron. Kết quả là xuất hiện sự chuyển dời có hướng của các hạt mang điện, nghĩa là xuất hiện dòng điện. Dòng điện trong kim loại là dòng electron tự do chuyển dời có hướng. Vận tốc của chuyển động có hướng này rất nhỏ, bé hơn 0,2 mm/s; không nên lẫn lộn vận tốc này với vận tốc lan truyền của điện trường (300 000 km/s); vận tốc này rất lớn nên khi đóng mạch điện thì ngọn đèn điện dù có rất xa cũng hầu như lập tức phát sáng. b) Nguyên nhân gây ra điện trở của dây dẫn kim loại và hiện tượng toả nhiệt của dây dẫn kim loại Chuyển động có hướng các electron tự do luôn luôn bị “ngăn cản” do va chạm với các ion kim loại nằm ở nút mạng tinh thể. Như vậy nguyên nhân gây ra điện trở là sự va chạm của các electron tự do với các ion dương của mạng tinh thể kim loại. 9
Hơn nữa, giữa hai va chạm kế tiếp, các electron chuyển động có gia tốc dưới tác dụng của lực điện trường và thu được một năng lượng xác định (ngoài năng lượng của chuyển động nhiệt hỗn loạn). Năng lượng của chuyển động có hướng được truyền một phần (hay toàn phần) cho các ion kim loại khi va chạm và biến thành năng lượng dao động của các ion quanh vị trí cân bằng của chúng, tức là biến thành nhiệt. Vì vậy khi có dòng điện chạy qua dây dẫn kim loại nóng lên. Các kim loại khác nhau có cấu trúc mạng tinh thể khác nhau và mật độ electron tự do (số electron tự do trong một đơn vị thể tích) khác nhau. Do đó tác dụng “ngăn cản” chuyển động có hướng của các electron tự do trong mỗi kim loại cũng khác nhau. Đó là lí do khiến cho điện trở suất của các kim loại khác nhau thì khác nhau. Điện trở của dây dẫn kim loại còn phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, các ion kim loại nằm ở các nút mạng tinh thể dao động mạnh hơn, vận tốc trung bình của chuyển động nhiệt của các electron cũng tăng vì các electron tự do càng có khả năng va chạm nhiều hơn với các ion kim loại. Kết quả là điện trở của dây dẫn kim loại tăng lên khi nhiệt độ tăng lên. 1.1.2 Dòng điện trong chất lỏng, chất điện phân 1.1.2.1 Hiện tượng điện phân, bản chất dòng điện trong chất điện phân a) Hiện tượng điện phân Cũng như chất rắn, chất lỏng nói chung có thể là chất cách điện hoặc dẫn điện. Xét các thí nghiệm: nhúng hai điện cực bằng than chì vào một bình thủy tinh đựng nước cất rồi mắc qua một miliampe kế vào một nguồn điện, ta thấy kim của miliampe kế chỉ số không. Vậy nước cất không dẫn điện, là chất điện môi. Bây giờ nếu ta hòa vào nước cất đó một ít muối ăn natri clorua (NaCl), hoặc bất kì một loại muối, axit hay bazơ nào khác, thì miliampe kế chỉ một giá trị nào đấy. Vậy dung dịch của các muối, axit, bazơ dẫn điện. Hơn nữa khi làm thí nghiệm với dung dịch đồng sunfat (CuSO4) ta thấy sau một thời gian có một lớp đồng mỏng bám vào cực âm, đó gọi là hiện tượng điện phân. Các dung dịch muối, axit, bazơ gọi là những chất điện phân. b) Bản chất dòng điện trong chất điện phân Theo thuyết điện li, khi các muối, axit, bazơ được hoà vào nước, chúng dễ dàng tạo ra thành các ion trái dấu, thí dụ phân tử NaCl tách ra thành ion Na+ và Cl- riêng rẽ. Quá trình này gọi là sự phân li của phân tử chất hoà tan trong dung dịch. Sau khi được tạo thành, một số ion trái dấu có thể va chạm với nhau trong quá trình chuyển động nhiệt hỗn loạn và lại kết hợp với nhau thành phần tử trung hoà. Quá trình này gọi là sự tái hợp. Với mỗi nhiệt độ nhất định, trong một dung dịch xác định, số phân tử bị phân li có giá trị xác 10
định, và khi đó, có bao nhiêu phân tử bị phân li thêm thì có bấy nhiêu phân tử được tạo thành do tái hợp. Hình 1.2: Điện phân dung dịch NaCl Khi không có điện trường, các ion chuyển động nhiệt hỗn loạn, không có dòng điện tích tụ ưu tiên theo hướng nào và không có dòng điện chạy qua dung dịch điện phân. Khi đặt một hiệu điện thế vào hai điện cực, trong bình điện phân có một điện trường, các ion chịu tác dụng của lực điện nên có thêm chuyển động theo phương của điện trường (ngoài chuyển động nhiệt hỗn loạn): các ion dương (Na+) chuyển động theo chiều điện trường về cực âm (cathode), còn những ion âm (Cl-) chuyển động ngược chiều điện trường về cực dương (anode). Chuyển động có hướng của các ion tạo nên dòng điện trong bình điện phân. Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển rời có hướng của các ion dương theo chiều điện trường và các ion âm ngược chiều điện trường. c) Phản ứng phụ trong hiện tượng điện phân Khi các ion chuyển dời về các điện cực, chúng truyền điện tích cho các điện cực: các ion âm đến anode và nhường electron, các ion dương đến cathode và thu electron; chúng trở thành các nguyên tử hay phân tử trung hoà. Những nguyên tử hay phân tử trung hoà được tạo ra ở các điện cực có thể bám vào cực, hoặc bay lên khỏi dung dịch điện phân, hoặc tác dụng với điện cực và dung môi, gây nên các phản ứng hoá học khác. Các phản ứng hoá học này gọi là phản ứng phụ hay phản ứng thứ cấp. Các phản ứng này thường là phức tạp, phụ thuộc vào bản chất của điện cực, vào dung môi và nhiều điều kiện khác nữa. 11
Xét trường hợp cụ thể về phản ứng phụ xảy ra khi chất điện phân là dung dịch đồng sunfat (CuSO4), với anode bằng đồng còn cathode có thể bằng một kim loại nào đó người ta thấy có hiện tượng sau đây. Khi có dòng điện chạy qua bình điện phân các ion dịch Cu++ chuyển đến cathode, thu hai electron, trở thành nguyên tử Cu bám vào cathode. Còn các ion SO4-- thì chuyển về anode, tác dụng với một nguyên tử Cu ở cực đồng, tạo thành một phân tử CuSO4 và nhường hai electron cho anode. Muối đồng sunfat vừa được tạo thành bị tan ngay vào dung dịch. Kết quả là anode làm bằng đồng bị hao dần đi, còn ở cathodee lại có đồng bám vào. Như vậy dòng điện đã có tác dụng “chuyên chở” đồng từ anode sang cathode. Vì đồng ở anode đã tan dần vào dung dịch, nên hiện tượng này gọi là cực dương tan. Ta lưu ý rằng hiện tượng cực dương tan xảy ra trong tất cả các trường hợp điện phân dung dịch muối kim loại mà anode làm bằng chính kim loại ấy. Khảo sát sự liên hệ giữa cường độ dòng điện I qua bình điện phân với hiệu điện thế U đặt vào hai điện cực, người ta thấy rằng, khi có cực dương tan thì cường độ I phụ thuộc bậc nhất vào U. Như vậy dòng điện trong chất điện phân tuân theo định luật Ohm khi có hiện tượng cực dương tan 1.1.2.2 Định luật Faraday Ta thấy rằng khi có dòng điện trường đặt vào dung dịch điện phân thì các ion chuyển dời về các điện cực, và sau khi đã thu thêm hoặc nhường electron cho các điện cực chúng biến thành các nguyên tử hay phân tử trung hòa. Càng nhiều ion đến điện cực thì lượng chất bám vào cực càng nhiều. Năm 1834 nhà bác học Faraday người Anh đã nghiên cứu định lượng vấn đề này và phát biểu thành định luật Faraday sau đây: Khối lượng chất được giải phóng ra ở điện cực tỉ lệ với đương lượng hoá học A/n của chất đó với điện lượng q đi qua dung dịch điện phân 𝐴 𝑚= 𝑘 𝑞 𝑛 Trong đó A: Khối lượng mol N: Hóa trị của chất K: hệ số tỉ lệ, có cùng một giá trị đối với tất cả các chất. 𝐴 Kí hiệu = 𝐹, với F cũng là một hằng số đối với mọi chất và gọi là số Faraday. 𝑛 Thí nghiệm chứng tỏ rằng F = 9,65.104C/mol. 1.1.2.3 Điện tích của ion 12
Theo định luật Faraday muốn giải phóng A/n kg một chất nào đó cần có điện lượng q=F di chuyển qua bình điện phân. Nên muốn giải phóng A kg chất đó thì cần điện lượng nF=n. 9,65.104C. Điện lượng này chính là do các ion của chất đang xét có trong A kg chất đó, chuyển qua bình điện phân. Ta biết trong A kg của một nguyên tố có số nguyên tử bằng số Avogadro N = 6,023.1026 nguyên tử/kmol. Do đó có thể tích được điện tích của mỗi ion hoá trị một (n = 1) là: q0 = 1/n = 1,6.10-19 Đó cũng chính là độ lớn của điện tích nguyên tố. Từ đó ta cũng dễ dàng thấy rằng điện tích của ion hoá trị hai (n = 2) là 2e, của ion hoá trị 3 (n = 3) là 3e... Vậy các ion trong dung dịch điện phân mang điện tích bằng một số nguyên lần điện tích nguyên tố. Dựa trên hiện tượng điện phân năm 1874 người ta đã xác định được giá trị của điện tích nguyên tố. 1.1.2.4 Ứng dụng của hiện tượng điện phân a) Luyện kim Người ta dựa vào hiện tượng cực dương tan để tinh chế kim loại. Chẳng hạn đồng nấu từ quặng ra (còn chứa nhiều tạp chất), đúc thành các tấm và dùng chúng làm cực dương trong bình điện phân đựng dung dịch đồng sunfat. Khi điện phân, cực dương tan dần, đồng nguyên chất bám vào cực âm, còn tạp chất lắng xuống đáy. Một số kim loại còn được chế trực tiếp bằng phương pháp điện phân. Chẳng hạn nhôm được dùng trong kĩ thuật và đời sống được chế tạo bằng cách điện phân dung dịch nhôm oxit trong criôlit (Na3AlF6) nóng chảy với điện cực bằng than. Phương pháp điều chế này có giá thành hạ. Trong công nghiệp một số kim loại khác như magie, các kim loại kiềm và nhiều hoá chất như clo, hidro... cũng được điều chế bằng phương pháp điện phân. b) Mạ điện Mạ điện là dùng phương pháp điện phân để phủ một lớp kim loại (thường là kim loại không gỉ) lên những đồ vật bằng kim loại khác. Khi đó vật cần được mạ dùng làm cực âm, kim loại dùng để mạ làm cực dương, còn chất điện phân là dung dịch có muối của kim loại dùng để mạ. Hiện nay việc mạ vàng, mạ bạc và nhất là mạ kền bằng phương pháp này rất phổ biến. c) Đúc điện Nguyên tắc của đúc điện cũng giống mạ điện. Trước tiên người ta làm khuôn của vật định đúc bằng sáp ong hay bằng một chất dễ nặn nào khác, rồi quét lên khuôn một lớp 13
than chì (graphit) mỏng để cho nó thành dẫn điện. Khuôn này được dùng làm cực âm, còn cực dương thì bằng kim loại mà ta muốn đúc và dung dịch điện phân là muối của kim loại đó. Khi đặt một hiệu điện thế vào hai cực đó, kim loại sẽ kết thành một lớp lên khuôn đúc, dày hay mỏng là tuỳ thuộc vào thời gian điện phân. Sau đó người ta tách lớp kim loại ra khỏi khuôn và được vật cần đúc. Đúc điện là phương pháp đúc chính xác, do đó các khuôn đĩa hát, các bản in thường được chế tạo bằng phương pháp khác. 1.1.3 Dòng điện trong chân không 1.1.3.1 Bản chất của dòng điện trong chân không Chân không lí tưởng là một môi trường trong đó không có một phân tử khí nào. Trong thực tế, khi ta làm giảm áp suất chất khí trong ống đến mức (khoảng dưới 0,0001mmHg) mà phân tử khí có thể chuyển động từ thành nọ sang thành kia của ống mà không va chạm với các phân tử khác thì ta nói rằng trong ống là chân không. a) Thí nghiệm Ta tiến hành thí nghiệm bằng một ống thuỷ tinh đã hút chân không có hai điện cực: anode A và cathode K. Ta đặt một hiệu điện thế vào giữa anode và cathode, anode nối với cực dương, còn cathode nối với cực âm của nguồn điện ξ1. Kim điện thế G chỉ số không, chứng tỏ không có dòng điện chạy qua chân không, chân không là môi trường cách điện tốt. Bây giờ đốt nóng cathode bằng một nguồn điện ξ2, kim điện thế G bị lệch, chứng tỏ có dòng điện chạy qua chân không. Nhưng nếu ta nối cathode K với cực dượng của nguồn điện ξ1, còn nối anode A với cực âm thì vẫn không có dòng điện chạy qua chân không. Như vậy dòng điện chạy qua chân không (nếu có) chỉ theo một chiều từ anode sang cathode. Hình 1.3: Thí nghiệm nghiên cứu dòng điện trong chân không 14
b) Bản chất dòng điện trong chân không Ở điều kiện bình thường trong kim loại có các electron tự do, chuyển động nhiều hỗn loạn, nhưng các electron này không thoát ra được ngoài mặt kim loại do có các lực liên kết giữa các electron ở bên trong kim loại. Nếu bằng cách nào đó, ta cung cấp cho các electron đó năng lượng cần thiết thì chúng có thể bứt ra khỏi kim loại. Nếu năng lượng cần thiết được truyền cho electron bằng cách nung kim loại đến nhiệt độ cao (như trong thí nghiệm trên, nhờ nguồn ξ2) thì sẽ xảy ra sự phát xạ nhiệt electron. Trong nhiều kim loại sự phát xạ nhiệt electron xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của kim loại. Khi ta chưa đặt hiệu điện thế vào giữa anode và cathode, anode nối với cực dương, còn cathodee nối với cực âm của nguồn điện, thì do tác dụng lực của lực điện trường, electron sẽ chuyển động từ cathode sang anode và trong mạch xuất hiện dòng điện. Vậy dòng điện trong chân không là dòng chuyển dời có hướng của các electron bứt ra từ cathode bị nung nóng. Nếu ta mắc anode vào cực âm của nguồn điện còn cathode vào cực dương thì lực điện trường lại có tác dụng đẩy electron trở lại cathode, do đó trong mạch không có dòng điện. Vì vậy dòng điện chạy qua chân không chỉ theo một chiều từ anode sang cathode. 1.1.3.2. Cường độ dòng điện trong chân không Làm thí nghiệm để nghiên cứu chi tiết sự phụ thuộc của cường độ dòng điện qua chân không vào hiệu điện thế U đặt giữa anode và cathode người ta thấy rằng: • Khi hiệu điện thế U < 0, tức là anode có điện thế thấp hơn cathode thì không có dòng điện qua ống chân không. • Khi hiệu điện thế dương U > 0 tức là anode nối với cực dương, cathode nối với cực âm, thì trong mạch có dòng điện. Hiệu điện thế càng lớn thì cường độ dòng điện càng lớn. Tuy nhiên, khác với dòng điện qua vật dẫn kim loại, dòng điện trong chân không không tăng tỉ lệ bậc nhất với hiệu điện thế (nghĩa là không tuân theo định luật Ohm). Nếu hiệu điện thế đạt đến một giá trị nào đấy thì hầu như mọi electron phát xạ từ cathode đều đến anode. Nếu hiệu điện thế tiếp tục tăng thì dòng điện cũng không thể tăng lên được nữa, dòng điện qua ống đạt giá trị bão hoà Ibh. Nhiệt độ cathode càng cao thì khả năng phát xạ nhiệt electron càng lớn, do đó cường độ dòng điện bão hoà cũng lớn hơn. 15
Trong thực tế để có dòng điện lớn, người ta phủ lên cathode một lớp oxit của kim loại kiềm thổ như bari, canxi ... Khi bị đốt nóng các oxit này phát xạ nhiều electron hơn các kim loại tinh khiết và do đó U tăng, I tăng lên. 1.1.3.3. Ứng dụng của dòng điện trong chân không a) Diode điện tử Dựa vào tính chất dẫn điện theo một chiều trong chân không người ta chế tạo đèn điện tử hai cực hay diode điện tử được dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều (còn gọi là chỉnh lưu dòng điện xoay chiều). Diode điện tử là một ống thủy tinh hoặc kim loại được hút chân không đến áp suất khoảng 10-7 - 10-6 mmHg, có hai điện cực cathode là một ống kim loại hình trụ, bên trong ống là dây đốt được dùng để làm nóng cathode (dây đốt được đốt bằng nguồn điện riêng); còn anode thường cũng là một hình trụ bằng kim loại, đồng trục với cathode. Nếu trong diode điện tử nói trên ta đặt thêm một điện cực ở gần cathode, thì bằng cách thay đổi điện thế cực này ta có thể làm thay đổi dòng electron đi từ cathode sang anode và do đó làm thay đổi cường độ dòng điện qua đèn. Hiện tượng này dùng để tạo ra điện tử (hay đèn điện tử ba cực) và cực thứ ba đó được gọi là cực lưới. b) Ống phóng điện tử Nếu ta khoét một cái lỗ trên anode của diode điện tử thì một phần electron đi từ cathode sang anode sẽ chui qua lỗ tạo nên một chùm tia electron. Vì electron là hạt mang điện âm nên chùm tia electron bị lệch trong điện trường và từ trường. Khi chùm electron đập vào lớp chất huỳnh quang thì nó kích thích làm lớp này phát sáng. (Chùm tia electron còn có tính chất khác giống như tia cathode) Các tính chất của chùm tia electron như bị lệch đi trong điện trường và từ trường, và khả năng kích thích sự phát quang của các chất, được ứng dụng trong ống phóng điện tử là bộ phận chủ yếu trong máy thu hình, trong dao động kí điện tử....ống phóng điện tử là một ống chân không mà mặt trước của nó là màn hình quang được phủ bằng chất huỳnh quang (như kẽm sunfat ZnS chẳng hạn) phát ra ánh sáng khi bị electron đập vào. Trong phần cổ ống (phần hẹp) có nguồn phát electron, gồm dây đốt cathode các cực điều khiển và anode. Ta đặt giữa anode và cathode một hiệu điện thế từ vài trăm nghìn vôn. Trên đường đi đến màn huỳnh quang chùm electron đi qua hai cặp bản cực làm lệch, giống như hai tụ điện: một cặp bản nằm ngang một cặp bản thẳng đứng. Khi đặt một hiệu điện thế giữa hai bản nằm ngang, chùm tia bị lệch theo phương thẳng đứng. Còn khi đặt một hiệu điện thế giữa hai bản thẳng đứng chùm tia bị lệch theo phương nằm ngang. Khi đặt các hiệu điện thế thích hợp vào hai cặp bản đó ta có thể làm cho chùm tia electron có 16
thể đập vào vị trí xác định trên màn huỳnh quang. Các cực được cấu tạo, xếp đặt và có các điện thế sao cho chùm electron, một mặt được tăng tốc, mặt khác được hội tụ chỉ gây một điểm sáng nhỏ trên màn huỳnh quang. Vì khối lượng của các electron rất bé, quán tính của các electron rất nhỏ, cho nên chúng hầu như phản ứng tức thời khi hiệu điện thế giữa các cặp bản thay đổi. Vì vậy dùng ống phóng điện tử trong các dao động kí điện tử có thể nghiên cứu những quá trình biến thiên nhanh. Trong các máy thu hình chùm tia electron được làm lệch nhờ từ trường. 1.2 ĐIỆN TRỞ 1.2.1. Khái niệm Điện trở là linh kiện thụ động có tính cản trở dòng điện và tạo sự sụt áp để thực hiện các chức năng khác tùy theo vị trí của điện trở trong mạch điện. Ký hiệu: R R Hình 1.4: Ký hiệu điện trở Giá trị điện trở được tính theo đơn vị Ohm (Ω) và bội số: KΩ, MΩ, GΩ 1 KΩ = 103 Ω 1 MΩ = 103 KΩ = 106 Ω 1 GΩ = 103 MΩ = 106 KΩ = 109 Ω Điện trở của dây dẫn: Trị số điện trở của dây dẫn lớn hay nhỏ tùy thuộc và vật liệu chế tạo dây, chiều dài và tiết diện dây dẫn theo công thức: l R= S Trong đó 𝜌: Điện trở suất (Ωm, Ωmm2/m) 𝑙: Chiều dài dây dẫn (m) S: Tiết diện dây (m2) R: Điện trở (Ω) Yêu cầu dây dẫn điện có giá trị điện trở ít thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm và thời gian và càng nhỏ thì càng tốt 1.2.2. Phân loại 1.2.2.1. Phân loại theo cấu tạo a) Điện trở than Điện trở than được chế tạo bằng cách trộn bột than với chất liên kết (như bột đất sét) theo tỉ lệ thích hợp để có những giá trị cần thiết. Sau đó, người ta ép lại thành thỏi và 17
cho vào ống bảo vệ bằng Bakelite. Hai đầu được ép sát kim loại và hàn vào đó 2 đầu dây ra. Công suất điện trở than là 1/8W đến vài W. Điện trở than dễ chế tạo, độ tin cậy khá cao nên rẻ tiền và rất thông dụng. b) Điện trở màng kim loại Chế tạo bằng cách kết lắng màng Ni-Cr trên lõi sứ hoặc thủy tinh. Điện trở loại này có độ ổn định cao, độ chính xác và tuổi thọ cao, ít phụ thuộc nhiệt độ nên thường dùng trong các mạch dao động. Tuy nhiên, giá thành cao hơn điện trở than vài lần. c) Điện trở oxit kim loại Chế tạo theo cách kết lắng màng oxit thiếc trên thanh SiO2. Điện trở loại này chịu được nhiệt độ cao và độ ẩm cao, thường có công suất 1/2W. d) Điện trở dây quấn Điện trở dây quấn làm bằng dây hợp kim NiCr quấn trên một lõi cách điện bằng đất nung, sứ hoặc nhựa tổng hợp. Bên ngoài được phủ một lớp nhựa cứng và một lớp sơn cách điện. Để giảm thiểu hệ số tự cảm L của dây quấn, người ta quấn một nửa số vòng theo chiều thuận và một nửa số vòng theo chiều nghịch. Điện trở dây quấn thường có giá trị nhỏ và chịu được công suất tiêu tán lớn. Nó thường được dùng trong các mạch cung cấp điện của thiết bị điện tử. e) Điện trở xi măng Vật liệu chủ yếu để chế tạo điện trở loại này là xi măng. Chúng được sử dụng chủ yếu ở các mạch cấp nguồn điện do công suất cho phép cao và không bốc cháy trong trường hợp quá tải. a b 18
c d e Hình 1.5: a. Điện trở than b. Điện trở màng kim loại c. Điện trở oxit kim loại d. Điện trở dây quấn e. Điện trở xi măng 1.2.2.2. Phân loại theo công dụng a) Biến trở VR- Variable Resistor Hình 1.6: Ký hiệu và hình dáng thực tế của biến trở Cấu tạo gồm một điện trở hình than hay dây quấn có dạng hình cung có góc xoay là 270 . Có một trục xoay ở giữa nối với một con trượt làm bằng than (cho biến trở dây 0 19
quấn) hay bằng kim loại cho biến trở than. Con trượt sẽ ép lên mặt điện trở để tạo kiểu nối tiếp xúc, làm thay đổi trị số điện trở khi xoay trục. Biến trở dây quấn là loại biến trở tuyến tính có trị số điện trở tỷ lệ với góc xoay. Biến trở dây quấn có các trị số: 10Ω; 22Ω; 47Ω; 100Ω; 220Ω; 470Ω; 1kΩ; 2.2kΩ; 4.7kΩ; 10kΩ; 22kΩ; 47kΩ. Biến trở than có 2 loại tuyến tính và không tuyến tính. Các trị số của biến trở than: 100Ω; 220Ω; 470Ω; 1kΩ; 2.2kΩ; 4.7kΩ; 10kΩ; 22kΩ; 47kΩ; 100kΩ; 220kΩ; 470kΩ; 1MΩ; 2.2MΩ. b) Nhiệt trở - Thermistor Nhiệt trở là loại điện trở có giá trị thay đổi theo nhiệt độ, phụ thuộc vào sự thay đổi này mà nhiệt trở được chia làm 2 loại: Nhiệt trở âm - NTC (Negative Temperature Coefficient): Là loại nhiệt trở có trị số điện trở giảm xuống khi nhiệt độ tăng lên và ngược lại. Nhiệt trở dương - PTC (Positive Temperature Coefficient): Là loại nhiệt trở có trị số điện trở tăng lên khi nhiệt độ tăng và ngược lại. Hình 1.7: Ký hiệu và hình dáng thực tế của nhiệt trở Nhiệt trở được dùng để ổn định nhiệt độ cho các tầng khuếch đại công suất hay làm linh kiện cảm biến trong các hệ thống tự động điều khiển theo nhiệt độ. Giá trị điện trở của nhiệt trở ghi trong sơ đồ là trị số đo được ở 250C. c) Quang trở - LDR (Light Dependent Resistor) Hình 1.8: Ký hiệu và hình dáng thực tế của quang trở Quang trở thường được chế tạo từ chất sulfur-cadmium. Quang trở có trị số điện trở lớn hay nhỏ tùy thuộc vào cường độ chiếu sáng vào nó. Độ chiếu sáng càng mạnh thì quang trở có trị số điện trở càng nhỏ và ngược lại. Khi bị che tối, giá trị điện trở của 20