物理爱好者

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与非门

由基本门可以组成复合门。最重要的复合门是由与门、非门组成的与非门，由或门、非门组成的或非门，图10－16是由二极管和三极管组成的与非门电路（甲）及其图形符号（乙），下边列出了它的真值表。 与非门真值表 A B Y 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 　　与非门能组合成与门、或门、非门。如图10－17甲，与非门的所有输入端并接为一个输入端，或者只用它的一个输人端（其余的悬空或接高电势），就成了非门。两个与非门串联就成了与门（图10－17乙）。照10－17丙方式连接三个与非门就成了或门。

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绝缘体（电介质）在高电压下为什么会击穿？

王宗田

金属导体中有大量自由电子，当有外加电场时，这些自由电子除了原有的热运动外，受电场作用使其沿电场的反方向运动，形成电流。在电介质中，自由电子很少，在室温情况下，优良纯质的电介质1厘米3仅有1～100个自由电子。因此，在相同情况下，一块良好的电介质与金属比较，其电阻率可以相差1020～1025倍。但是，值得注意的是，在电介质中除了有自由电子运动所产生的电流外，还有由离子迁移所形成的电流。因为电介质的物质结构，并非都结合得那么“牢固”。例如氯化钠是由氯离子和钠离子结合而成的“离子式结构”的电介质。在这种离子式结构的电介质中，总有一些（虽是极少量的）离子的结合力较弱；而实用的绝缘材料，不论是离子式的或其他形式的结构，总不免含有杂质，杂质离子的结合就更弱了。这样，当电介质受到电场作用时，这些结合较弱的离子就会沿电场方向移动而形成电流。在一般的绝缘材料中，由离子迁移造成的电流常比电子电流大，占主要地位。由于这个原因，一般电介质的电阻率变化范围是很大的。 　　加在电介质上的电场高到一定程度（例如几十万伏／厘米）时，电介质中有少量的自由电子以巨大的速度运动，它们具有很大的动能，撞击到原子或分子时，就会使它们离子化（离子式结构的电介质则因直接受电场力作用或电子撞击而使离子间结合力减弱），因而造成新的更多的自由电子，这些电子又使其他原子离子化。这样像“雪崩”似的，自由电子在极短时间内剧增，最终将电介质的结构完全破坏，造成大量导电的通路──击穿。此时电介质就失去了绝缘性能。

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晶体管

“晶体管”，英文是transistor；“逻辑”，英文是logic；输入级和输出级都采用晶体管的逻辑电路，叫做晶体管－晶体管逻辑电路，书刊和实用中都简称为TTL电路，它属于半导体集成电路的一种，其中用得最普遍的是TTL与非门。TTL与非门是将若干个晶体管和电阻元件组成的电路系统集中制造在一块很小的硅片上，封装成一个独立的元件，其外形多数如图10－18甲所示的双列直插式，也有做成图10－18乙所示的扁平式。

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中学静电实验应注意的问题







　　中学静电实验中使用的静电仪器，一般是在高电压（104伏数量级）、微电量（10－8库数量级）的状况下工作。中学静电实验中最常使用的高压静电源──感应起电机，以24厘米（起电圆盘直径）J－DJI型为例，在温度不超过40℃、相对湿度小于80％的条件下，静电感应电压可达4～6万伏，而电量只有6～10微库。用玻璃棒、橡胶棒分别与丝绸和毛皮摩擦也可以产生上千伏的电压，其电量的库仑数只在10－9～10－7数量级。静电实验只能在一定的条件下才能成功，其成败的关键在于“绝缘”、“环境”、“实验方法”三个方面。疏忽了其中一条，实验也要失败。

　　绝缘  
　　静电实验的首要问题是绝缘材料的选择。绝缘材料不仅要有较高的绝缘电阻，还要考虑它的化学稳定性、吸湿性、与灰尘油污的粘附力、机械强度等。目前最理想的绝缘材料是有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲脂）。它的主要性能是加热收缩率1．2～1．8％；吸水率0．3～0．4％；硬度200～240牛／厘米2；耐电压每毫米厚耐电压2万伏以上；表面比电阻大于1014欧。静电仪器各绝缘部分应尽量用有机玻璃。实验中在实验台上铺一块清洁的有机玻璃，也可大大提高实验成功率。硬橡胶、玻璃等表面对水的亲和力较强，就很难在任何环境保持良好的绝缘性能。此外，仪器表面的灰尘，纤维物以及汗渍等都可能造成表面电荷直接从此通过而漏电。因此，仪器各带电导体的表面要光洁圆滑，避免有尖锐棱角或尖端，以及防止长期搁置和保养不好造成金属表面锈蚀和镀层脱落。


　　环境


　　中学静电实验，均在教室和实验室中进行。由于静电实验本身的特点，所以环境──特别是环境的温度也就成为进行静电实验的重要条件。水分子（以及空气中由于宇宙射线、紫外线等产生的若干离子）附着在绝缘物表面上，会使绝缘性能大大降低，形成带电体在空气中自然漏电，而这种现象对某些亲水性物质尤为明显。如玻璃从相对湿度50％的环境移到相对湿度80％的环境中，其表面比是电阻下降为原来的1／7500。

　　另外，在通常情况下，湿度与温度有联系：气温越高，蒸发越多，空气中的饱和水汽密度越大，这也是我们常常发现静电实验在冬季较夏季效果为好的原因之一。许多人还有这样的经验，在预备室中准备实验时效果很好，但仪器在教室放置相当时间后效果就不好了，这是因为坐满学生的教室如果没有良好的通风，室内相对湿度较高。

　　实验装置应与起电机、感应圈等高压电源尽量远离，因为这些高压电源在放电过程中，使空气电离加剧，造成过量电子或离子飞向带电体，导致仪器严重漏电，影响实验正常进行。此外，冬季室内有火炉或刚刚进行过有火焰的其他实验时，要及时通风排气，因为燃烧会使空气电离和产生大量尘埃。


　　实验方法


　　选择好的实验方法对静电实验也极为重要，例如，摩擦起电，首先要保持起电物的干燥、清洁和光滑；第二，在摩擦过程中，要压紧并尽量使各部分受力均匀（增大接触面积），最后抽出棒时，要迅速并稍微相对转动一下；第三，为把起电棒上的电荷尽量多地传递到其他物体，如验电器上，必须让起电棒从后向前缓缓推移并同时转动。再如，带电体的连接，不要采用普通的塑料线、纱包或丝包线，尽量用有绝缘手柄的连接杆或放电叉，也可用漆包线，裸铜线或金属链条等悬空连接，要注意防止尖端和附着的尘埃、纤维等造成的放电。做静电实验时，要注意身体不要与仪器靠得太近或对着仪器呼吸。

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最简单的TTL与非门电路

最简单的TTL与非门电路如图10－19甲所示，A、B、C为输入端，Y为输出端。VT1为多发射极晶体管，它有多个发射结（图中只画出3个）和一个集电结，相当于多个二极管与一个二极管“背靠背”连接，其等效电路如图10－19乙所示。显然，R1与VT1组成与门，R2与VT2组成非门，整个电路组成与非门。一块集成电路中往往不只有一个与非门，例如TO63型就有两个4输入端与非门，图10－20表示出了它的外引线排列。

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人类对电的认识简史



王宗田



　　人类对电的认识是在长期实践活动中，不断发展、逐步深化的，经历了一条漫长而曲折的道路。人们对电现象的初步认识，可追溯到公元前6世纪。希腊哲学家泰勒斯那时已发现并记载了摩擦过的琥珀能吸引轻小物体。我国东汉时期，王充在《论衡》一书中所提到的“顿牟掇芥”等问题，也是说摩擦琥珀能吸引轻小物体。

　　第一位认真研究电现象的是英国的医生、物理学家吉尔伯特。1600年，他发现金刚石、水晶、硫磺、火漆和玻璃等物质，用呢绒、毛皮和丝绸摩擦后，也能吸引轻小物体，有“琥珀之力”，他认为这可能是蕴藏在一切物质中的一种看不见的液体在起作用，并把这种液体称之为“琥珀性物质”。后来根据希腊文“琥珀”一词的词根，拟定了一个新名词──“电”。但吉尔伯特的工作仅停留在定性阶段。到了1733年法国物理学家杜菲发现，把两根跟毛皮摩擦后的琥珀棒或两根跟丝绸摩擦过的玻璃棒悬挂起来，当两根同种棒彼此靠近时，它们相互排斥，但琥珀棒与玻璃棒则会互相吸引；如果使其接触，二者都失去电性。于是杜菲认识到电有两种：“琥珀电”和“玻璃电”；同种电相斥，异种电相吸。美国学者富兰克林干脆把这两种电叫“正电”和“负电”，他认为，电是一种流质；摩擦琥珀时，电从琥珀流出使它带负电；摩擦玻璃时，电流入玻璃，使它带正电；两者接触时，电从正流向负，直到中性平衡为止。

　　富兰克林还揭露了雷电的秘密。他冒着生命危险，把“天电”吸引到莱顿瓶中，令人信服地证明了“天电”与“地电”完全相同。接着他发明了避雷针，这是人类用已有的电学知识征服自然所迈出的第一步。用电的科学取代了对上帝的部分迷信，也推动了人们对电的研究和探索。

　　1785年，法国物理学家库仑用他发明的扭秤，通过实验研究，确立了电荷之间的作用规律──库仑定律。从此，人们对电现象的研究从定性走上了定量的道路。但要深入探讨电的本质，则须有大的电源。

　　18世纪后期，意大利物理学家伏打发明了电池。伏打把银片、锌片和用盐水浸泡过的硬纸板按一定顺序叠起来，组成一根柱体，称为“伏打电堆”。当用导线连接电堆两端的导体时，导线中产生持续的电流。此后，各种化学电源相继出现。在使用伏打电池过程中，还发现了新的现象，如英国人尼科尔松发现，用锌板和铜板制成的伏打电池，在使用过程中锌板上出现氧气，铜板上出现氢气。伟大的物理学家法拉第，通过实验发现了电解定律。在这以前，法拉第还通过实验发现了电磁感应现象，确立了电磁感应定律，为电能的开发和利用开拓出一条崭新的途径。

　　1862年，韦伯首次以带电粒子的移动解释电流现象，使“静电”与“动电”的本质统一起来了。1871年为了解释安培的分子电流假说，韦伯又提出“带正电的粒子围绕负电中心旋转”，这使认识电的物质基础的范围已缩小到原子内部。

　　化学电源出现之后，人们可能获得比较稳定而持续的电流，并且可以控制电压的高低、电流的强弱。这为进一步研究电流本身的规律，以及电流与其他各种物理现象之间的联系。提供了优越的条件。1820年奥斯特发现了电流的磁效应。

　　就在奥斯特发现电流的磁效应不久，不同类型的检流计相继研制出来了，为欧姆发现电流定律做好了物质准备。在1826年，欧姆受傅立叶的热传导理论的启发，在实验的基础上，确立了电流定律。到1848年基尔霍夫从能量的角度出发，分析并澄清了电位差、电动势、电场强度等概念，把欧姆的理论与静电的一些概念协调起来，在此基础上基尔霍夫解决了分支电路问题，建立了基尔霍夫第一、第二定律。

　　在奥斯特发现电流的磁效应的同一年里，安培发现了载流平行导线间存在着相互作用力；还发现了电流使磁针方向偏转的规律──安培定则。电与磁间的联系在不断地深化和发展。在法拉第发现电磁感应现象后不久，楞次独立地宣布了自己的发现，他明确地指出了感应电流方向所遵循的规律，后来把这一规律称为楞次定律。

　　但对电的本质的进一步认识，还是在研究稀薄气体放电现象中得到的。19世纪初，人们在封入稀薄空气的玻璃管两端，加上几百伏以上的电压，观察到放电现象。但由于高真空技术不成熟，研究工作进展不大，直到1855年德国玻璃工人盖斯勒发明了水银空气泵，才创制出真空度较高的盖斯勒发光管。1859年德国学者普留卡用盖斯勒管做实验时，发现在阳极方面的玻璃上出现了荧光，当时他猜想可能有一种神奇的东西从阳极发出来，打在管壁上。这种东西受磁场作用，路径会发生弯曲。后来，他的学生希特洛夫在两个电极中间放个小物体，发现盖斯勒管放电时，在阳极方面的玻璃上呈现出这个物体的阴影。1876年科学界确认了这项发现，称阴极发出的东西为“阴极射线”。

　　英国物理学家约翰·汤姆生经过大量实验后，确认“阴极射线”是带负电的，并测量出射线中粒子的荷质比。实验表明，不论射线管中充以何种气体，电极用哪种金属材料制成，所得射线中粒子的荷质比都相同。由此汤姆生认为阴极射线中带负电的粒子存在于任何元素之中，是一切物质中共有的粒子，并把这种粒子称为“电子”。1909年美国物理学家密立根用油滴实验，测得电子的电荷值为1．6×10－19库仑，证实了汤姆生关于电子性质的预言。

　　电的应用现在遍及各个方面，并在蓬勃发展着，但对电的认识还在不断深化，现在人们又在寻找比电子电荷更小的分数电荷，为电的发展历史谱写新的篇章。

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TTL与非门的重要参数







　　输出高电平电压UOH和输出低电平电压UOL：这是说明电路输出特性的参数。TTL电路的电源电压规定为＋5伏，参数规定只要输出大于2．4伏，就算高电平“1”，低于0．4伏就算低电平“0”。即UOH≥＋2．4伏，UOL≤＋0．4伏，为合格品。

　　导通电压UON和截止电压UOFF：这是说明输入和输出之间关系的参数。当输入电压等于或大于UON时，输出电压由UOH降至UOL，即与非门开启，所以UON叫导通电压或开门电压。当输入电压等于或小于UOFF时，输出电压由UOL上升至UOH，即与非门关闭，所以UOFF叫截止电压或关门电压，产品规范值UON≤2伏，UOFF≥0．8伏。

　　电源电流ICC：TTL与非门有＋5伏的直流电源，这个直流电源供给的电流就是电源电流ICC，它的大小反映与非门消耗电功率的大小。输出低电平电压时（与非门导通）的电源电流ICCL与输出高电平电压时（与非门截止）的电源电流ICCH不相等，ICCL＞ICCH。目前我国各系列TTL门的ICCL值相差很多，低功耗的可小于0．3毫安，高功耗的可达4毫安左右。