Распространение электромагнитеного поля вдоль проводящих каналов, сформированных в диэлектриках и полупроводниках

В электронных устройствах и приборах наряду с проводниками из металла широко используется передача электромагнитного поля вдоль искусственно создаваемых специальных проводящих каналов. Как правило, проводящий канал образуется искусственно в диэлектрике или полупроводнике путем повышения концентрации электронов или ионов. Чем больше концентрация электронов или ионов в образованном канале, тем больше его проводимость. Это позволяет создавать активные полупроводниковые элементы, в которых возможно управление интенсивностью электромагнитного излучения на выходе элемента. На этом принципе построены полевые транзисторы, тиристоры, фототранзисторы и ряд других полупроводниковых приборов.

Устройства этого типа принято использовать для усиления, т.е. управления мощностью электрического сигнала на их выходе. Наибольшее распространение получили усилители сигналов на полевых транзисторах. Именно полевые транзисторы используются при построении микропроцессоров и устройств памяти электронно-вычислительных машин (ЭВМ). В этом случае электромагнитное поле, создаваемое источником питания, распространяется в полупроводнике, окружающем проводящий канал. Электромагнитное поле распространяется со скоростью близкой к скорости света.

Благодаря тому, что напряжения и токи очень малы, только незначительная часть энергии поля тратится на нагрев самого проводящего канала. Это обстоятельство позволило создать совершенные полупроводниковые приборы (МДП-транзисторы и конденсаторы) с очень малыми размерами (сотни нанометров) и очень малым потреблением энергии (доли микроватта) и размещать на одном квадратном сантиметре полупроводникового кристалла до миллиона транзисторов.

Необходимо отметить, что проводящие каналы возникают в диэлектриках в естественных условиях. Примером образования такого проводящего канала в диэлектрике является разряд молнии. В этом случае проводящий канал в воздухе (диэлектрике) образуется между отрицательно заряженной поверхностью Земли и положительно заряженными облаками. Часто образование проводящего канала происходит между облаками, носящими заряды противоположного знака. Иногда предвестником образования проводящего канала между поверхностью Земли и облаками является образование тлеющего разряда (огни Эльма). Наиболее часто проводящий канал образуется в результате ионизации молекул воздуха короткими импульсами, возникающими при быстром перемещении облаков. В некоторых случаях проводящие каналы образуются потоками корпускулярных частиц, достигающих поверхности Земли при вспышках на Солнце. Возможно образование проводящих каналов высокоэнергетическими потоками космических лучей.

Во всех этих случаях при разряде молнии электромагнитное поле распространяется в диэлектрике (воздухе) вдоль предварительно образовавшегося проводящего канала. Большие напряженности электромагнитного поля, распространяющегося вдоль проводящего канала, при разряде молнии приводят к возникновению ряда опасных явлений: в том числе интенсивным световым, акустическим и механическим воздействиям на окружающую среду.

Характерная особенность разряда молнии – самоуничтожение проводящего канала интенсивным магнитным полем. Аналогичное явление самоуничтожения проводящего канала отмечается при пробое МДП – конденсаторов, используемых в устройствах динамической памяти ЭВМ.

Создание и управление проводимостью искусственно организованных проводящих каналов широко используются в полупроводниковых полевых МДП-транзисторах. В этом случае проводящий канал между истоком и стоком транзистора образуется путем подачи управляющего напряжения на затвор транзистора и накопления отрицательных или положительных зарядов на обкладке МДП-конденсатора, образующего затвор транзистора.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО ТЕМЕ 1.

1.С какой скоростью распространяется электромагнитное поле в вакууме и свободном воздушном пространстве?

2.С какой скоростью распространяется электромагнитное поле в кабеле, заполненным газом с относительной диэлектрической постоянной, равной 9?

3.Как направлен вектор Пойтинга –Умова в при передаче электроэнергии по сверхпроводящему кабелю. Почему в этом случае нет потерь на нагрев проводов и излучение энергии в пространство?

4.Почему потери энергии уменьшаются при увеличении диаметра провода?

5.Какие дополнительные составляющие вектора Умова - Пойтига появляютсяпри передаче электроэнергии вдоль открытых воздушных проводов из меди или алюминия?

6.Как проявляется взаимосвязанность электрической и магнитной составляющей электромагнитного поля?

7.Как воздействуют электрическая и магнитная составляющие эктромагнитного поля высоковольтных линий электропередачи на человека, животных, растения?

8.Какими параметрами характеризуется электромагнитное поле?

9.Как связана энергия кванта электромагнитного излучения с его частотой?

10.Чем отличается спектр излучения оптического квантового генератора от спектра излучения нагретого тела?

1.8. ТЕСТ ПО ТЕМЕ 1.

1. Определить длину волны колебаний электромагнитного поля изменяющегося с частотой 10 МГц, распространяющихся в среде, с относительной диэлектрической проницаемостью, равной 20 и относительной магнитной проницаемостью, равной 5.

Ответы, один из которых правильный: 3м; 5м; 10м; 1м.

 

2. Определить скорость распространения электромагнитного поля в экранированном кабеле, если диэлектрическая проницаемость материала, заполняющего кабель, равна 9.

Ответы, один из которых правильный: 10⁸ м /с; 4 10⁸ м /с; 9 10⁸ м /с; 0,5 10⁸ м /с.

 

3. Определить центральную частоту излучения светодиода, излучающего зеленый свет.

Ответы, один из которых правильный: 10¹⁵Гц; 0,6*10¹⁵Гц; 2*10¹⁵Гц; 0,8*10¹⁵Гц.

 

4. Определить, как изменится скорость распространяется электромагнитного поля при вхождении луча оптического квантового генератора в среду с диэлектрической проницаемостью, равной 9.

Ответы, один из которых правильный: 1, 2, 3, 4, 5.

5. Определить частоту излучения оптического квантового генератора, если длина волны его в вакууме, равна 0,1 мкм.

Ответы, один из которых правильный: 10¹⁵Гц, 0,42*10¹⁵Гц, 2*10¹⁵Гц, 5*10¹⁵Гц