Для поиска необходимой информации - введите запрос в блоке "Поиск DIY".

Отрезок проводника — источник искажений типа «ступенька»

Отрезок проводника — источник искажений типа «ступенька»

1. Введение.

Осенью 2003 г. в МТУСИ, во время проведения выставки «Российский Hi-End 2003», состоялся научно-технический семинар, на котором автор выступил с докладом «критерий естественного звуковоспроизведения». В докладе много места было уделено искажениям типа «ступенька», порождающим их причинам, среди которых было упомянуто, что даже отрезок проводника в сигнальной цепи может быть причиной этих искажений. После этого возникло много вопросов, что и побудило рассмотреть физические явления в проводниках в отдельной статье.

2. Постановка задачи.

Основой для рассмотрения материала на данную тему является классическая зонная теория из физики твёрдого тела, которая на протяжении многих десятилетий даёт удовлетворительное объяснение наличия или отсутствия электропроводности различных материалов.

По мнению автора, слабым местом части зонной теории, касаемой проводников, является отсутствие описания явлений, происходящих в «пересечённой» энергетической зоне. Понятие «пересечённая» зона становится ясным из рисунка 1, и вводится намеренно, т.к. в дальнейшем поможет понять многие свойства проводников.

^Нажмите для увеличения^

рис.1

Целью настоящей статьи является:
1. Представить новую диаграмму для валентной и проводящей энергетических зон и на её основе рассмотреть явления в проводнике при:
1.1. отсутствии внешнего поля (ЭДС);
1.2. подключении очень малой ЭДС к концам проводника (диапазон микротоков).
2. Построить ВАХ проводника.
3. Рассмотреть явления при нагревании проводника.
4. Привести экспериментальное подтверждение наличия ступеньки.
5. Объяснить ранее непонятные изменения характера звука.

3. Энергетическая диаграмма валентно-проводящей зоны.

В основе предлагаемой диаграммы лежат два постулата:
1. любой электрон не может быть и валентным и свободным одновременно;
2. температура проводника характеризует усреднённую энергию всех атомов, а вместе с ними всех электронных уровней и по всей совокупности частиц вероятностное значение их энергий подчиняется распределению Гаусса.

Первый постулат не соответствует классической диаграмме, т.к. электрон, находящийся в пересечённой зоне, является валентным и свободным одновременно. Отличие предлагаемой диаграммы (рис. 2) от классической состоит в том, что энергетические состояния валентных и свободных электронов располагаются не в зонах, а на линиях, представляющих собой проекции «колокола» Гаусса.

^Нажмите для увеличения^

рис.2

Наиболее «горячие» атомы сосредоточены в середине диаграммы (по оси N), наиболее «холодные» по краям. Границы зон (пунктир) имеют здесь чисто условные значения. Однако, эта модель наглядно показывает значение пересечённой зоны. Именно в пределах этой зоны возможен туннельный переход электронов с валентной линии на линию проводимости и обратно, что по свoему обосновывает постоянное наличие в металлах свободных электронов.

4. ВАХ проводника.

В момент подключения внешнего источника крайне малой ЭДС все свободные электроны примут участие в электропроводности, а их количество определит величину последней. С увеличением ЭДС произойдут следующие явления. Электроны, совершившие туннельный переход с валентной линии на линию свободных состояний получат дополнительную кинетическую энергию от источника ЭДС, что означает их перемещение к вершине колокола. Для того, чтобы оставить неизменной их вероятностную плотность распределения сам колокол должен «вытянуться» вверх. Покидая пересечённую зону, эти электроны не в состоянии совершить обратный туннельный переход на валентную линию, что означает увеличение концентрации свободных электронов, а, значит, электропроводности материала, что отражено на ВАХ (рис. 3 сплошная линия).

^Нажмите для увеличения^

рис.3

Физическая аналогия этого явления заключается в следующем. Быстро движущийся предмет (электрон) с меньшей вероятностью попадёт в потенциальную яму (валентный уровень), чем движущийся медленно.

При снижении величины ЭДС (тока) кинетическая энергия электронов проводимости снизится, что повлечёт их «сползание» по линии свободных состояний вниз. Попадая в пересечённую зону, эти электроны совершат туннельный переход на валентную линию. Концентрация свободных электронов снизится, что уменьшит электропроводность проводника. При смене знака ЭДС все явления аналогичны. Таким образом, на ВАХ возникнет ступенька в диапазоне микротоков. При включении проводника в сигнальную цепь эта ступенька выразится в определённой степени как искажение сигнала.

Степень искажений будет находиться в зависимости от:
1 массы (длины) проводника;
2 отношения сопротивления проводника к выходному и входному сопротивлениям источника и потребителя (чем больше эти отношения, тем больше проявление ступеньки);
3 частоты (при увеличении которой ступенька заметнее, т.к. период ступеньки всё более приближается к периоду сигнала);
4 температуры проводника (чем выше температура, тем меньше проявление ступеньки).
Последнее утверждение требует отдельного обоснования.

5. Процессы в проводнике при изменении температуры.

Обратимся вновь к рис. 2 и заметим, что при увеличении интенсивности колебания атомов (температуры), возрастёт и средняя энергия валентных электронов, что «вытянет» вверх валентный колокол. Одновременное сокращение длины туннеля и расширение пересечённой зоны увеличит интенсивность туннельных переходов с валентной линии на линию свободных состояний. Эти электроны тут же будут вовлечены в электропроводность, в том числе, в диапазоне микротоков. Обратные туннельные переходы произойдут с меньшей вероятностью, т.к. более возбуждённый атом с большей вероятностью «сбросит» с себя валентный электрон, чем «примет» его обратно. Логично так же предположить, что вершина валентного колокола пересечёт колокол проводимости, и часть валентных электронов (наиболее «горячих» атомов) станут свободными без туннельных переходов. Таким образом, электропроводность в диапазоне микротоков с повышением температуры возрастёт, в то время, как общая электропроводность (при нормальных токах) снизится из-за уменьшения длины свободного пробега. На рис. 3 видно, что увеличение крутизны ВАХ начального участка и уменьшение крутизны остального участка приведут к частичному «выпрямлению» ступеньки. Этим, в частности, объясняется более предпочтительное звучание хорошо прогретого усилителя, т.е. всей конструкции со всеми проводниками, как монтажными, так и в составе моточных изделий.

6. Экспериментальное подтверждение.

Уже давно физикам известно такое явление, как рост индуктивности катушек в диапазоне микротоков с их увеличением, т.е.

^Нажмите для увеличения^
. Однако, индуктивность определяется только конструктивным исполнением катушки и не должна иметь никаких функциональных и любых других зависимостей. Какого-либо удовлетворительного объяснения этого явления автор не нашёл, но рассматривая электропроводность проводников при протекании микротоков пришёл к выводу, что эти два явления взаимно объясняют друг друга.

Действительно, катушку можно представить как длинный проводник. Прямого метода измерения индуктивности не существует, а все косвенные методы, независимо от принципа измерения сводятся к измерению силы тока, протекающего через катушку, хотя шкала приборов может быть отградуирована в единицах индуктивности. Если вспомнить, что энергия магнитного поля в катушке определяется как

^Нажмите для увеличения^
, то рассуждаем следующим образом. Предположим, в диапазоне микротоков физиками обнаружено, что индуктивность испытуемой катушки меньше, чем определяемая конструктивным исполнением, что соответствует меньшей запасаемой энергии
^Нажмите для увеличения^
. Но меньшей энергии может соответствовать и меньшая сила тока I. Именно эту величину и измерили физики, косвенно измеряя индуктивность. Последняя, как и её механический аналог — масса, является инвариантной величиной.

7. Заключение.

Итак, в диапазоне микротоков проводник не подчиняется закону Ома, т.к. здесь меняется его электропроводность. Можно возразить, что ступенька, возникающая в сигнальных проводах, крайне мала и вряд ли стоит уделять ей столько внимания. Однако, автором ранее проводились расчёты по различимости разного рода искажений. Вот их результаты. Слух с разрешающей способностью 1 дБ (весьма посредственный, далеко не аудиофильский слух) различает искажения, вызванные клиппированием, при

^Нажмите для увеличения^
. Но тот же слух различает искажения вызванные ступенькой при соответствующем
^Нажмите для увеличения^
. Трудно представить, насколько ничтожную ступеньку различит настоящий аудиофил, имея разрешающую способность слуха на порядок выше. Кроме того, коварность ступеньки заключается в увеличении соответствующего
^Нажмите для увеличения^
при снижении амплитуды сигнала, что само по себе противоестественно с точки зрения восприятия звука. И ещё: уровень гармоник высших порядков не поддаётся снижению петлёй ООС из-за инерционности последней.

Поэтому, при проектировании и построении Hi-End тракта проводам и кабелям следует уделять большое внимание.

И, наконец, хочется предположить, что в перспективе найдутся вещества (химические элементы и соединения), которые будучи внедрёнными в кристалл основного проводника, выполнят роль катализаторов (аналогично донорам в полупроводниках), поднимая валентную линию ближе к линии проводимости.

Гришин В. А.

75, 1

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Смотрите также:

  • Соединения резисторов, конденсаторов и индуктивностейСоединения резисторов, конденсаторов и индуктивностей
    Последовательное и параллельное соединения в электротехнике это два основных способа соединения элементов электрической цепи. При последовательном соединении все элементы связаны друг с другом так, что включающий их участок цепи не имеет ни одного узла. При параллельном соединении все входящие в цепь элементы объединены двумя узлами и не имеют связей с …
  • Кучин С.Н.Кучин С.Н.
    Электронный орган В книге описан электронный орган, удостоенный первой премии на 24-й Выставке радиолюбительского творчества. Приведены принципиальная схема и конструкторские чертежи, изложена методика настройки. Книга рассчитана на подготовленных радиолюбителей.     Источник 5, 1
  • Евсеев А.Н.Евсеев А.Н.
    Конструкции юных радиолюбителей Описаны различные устройства (электронные игры, учебно-наглядные пособия и др.), выполненные из деталей, имеющихся в перечне Посылторга. Все приведенные устройства были собраны и проверены в работе юными техниками г.Тулы и Тульской области. Для начинающих радиолюбителей; может быть полезна руководителям радиокружков.     Источник 3, 1
  • Простой ламповый усилитель без выходного трансформатораПростой ламповый усилитель без выходного трансформатора
    Выходная мощность усилителя 2 вт при коэффициенте нелинейных искажений около 1,5%. Чувствительность усилителя 230 мВ, полоса пропускания усилителя от 8—19 гц до 100 кгц. С помощью раздельных плавных регуляторов тембра частотная характеристика усилителя может регулироваться в пределу ±15 дб как на низких, так и на высших частотах. Усилитель выполнен на …
  • Пчельников Ю.Н.Пчельников Ю.Н.
    Электроника сверхвысоких частот В популярной форме рассматриваются принципы работы, особенности конструкций и основные области применения электронных приборов сверхвысоких частот. Кратко описаны физические явления, сопровождающие взаимодействие электронов со статическими и переменными электрическими и магнитными полями, а также устройство объемных резонаторов и замедляющих систем, являющихся неотъемлемыми частями СВЧ приборов. Для подготовленных радиолюбителей. …