Prezentacija na temu vodiči i dielektrici. Prezentacija na temu "Provodiči u električnom polju." Postoje slobodni elektroni
Vodiči u električnom polju Slobodni naboji - nabijene čestice istog predznaka, sposobne se kretati pod utjecajem električno polje Vezani naboji su suprotni naboji koji su dio atoma (ili molekula) koji se pod utjecajem električnog polja ne mogu kretati neovisno jedan o drugom. tvari dielektrici poluvodiči dielectrics
Svaki medij slabi jakost električnog polja
Električna svojstva medija određena su pokretljivošću nabijenih čestica u njemu
Provodnik: metali, otopine soli, kiseline, vlažan zrak, plazma, ljudsko tijelo
Ovo je tijelo koje sadrži dovoljnu količinu slobodnih električni naboji, koji se može kretati pod utjecajem električnog polja.
Uvedete li nenabijeni vodič u električno polje, nositelji naboja počinju se kretati. Oni su raspoređeni tako da je električno polje koje stvaraju suprotno od vanjskog polja, odnosno da će polje unutar vodiča biti oslabljeno. Naboji će se redistribuirati sve dok se ne ispune uvjeti za ravnotežu naboja na vodiču, to jest:
neutralni vodič uveden u električno polje prekida naponske vodove. Završavaju kod negativnih induciranih naboja i počinju kod pozitivnih
Pojava prostornog razdvajanja naboja naziva se elektrostatička indukcija. Vlastito polje induciranih naboja kompenzira vanjsko polje unutar vodiča s visokim stupnjem točnosti.
Ako vodič ima unutarnju šupljinu, polje će biti odsutno unutar šupljine. Ova se okolnost koristi pri organiziranju zaštite opreme od električnih polja.
Elektrifikacija vodiča u vanjskom elektrostatskom polju odvajanjem pozitivnih i negativnih naboja koji su već prisutni u njemu u jednakim količinama naziva se pojava elektrostatske indukcije, a sami redistribuirani naboji nazivaju se inducirani. Ovaj fenomen se može koristiti za elektriziranje nenabijenih vodiča.
Nenabijeni vodič može se naelektrizirati dodirom s drugim nabijenim vodičem.
Raspodjela naboja na površini vodiča ovisi o njihovom obliku. Maksimalna gustoća naboja opažena je na točkama, a unutar udubljenja svedena je na minimum.
Svojstvo električnih naboja da se koncentriraju u površinskom sloju vodiča našlo je primjenu za dobivanje značajnih razlika potencijala elektrostatskom metodom. Na sl. prikazana je shema elektrostatskog generatora koji služi za ubrzavanje elementarnih čestica.
Kuglasti vodič 1 velikog promjera nalazi se na izolacijskom stupu 2. Zatvorena dielektrična traka 3 kreće se unutar stupa, pokrećući bubnjeve 4. Od generatora visokog napona, eklektički naboj se prenosi kroz sustav šiljastih vodiča 5 do trake, na stražnjoj strani trake nalazi se ploča za uzemljenje 6. Naboji s trake uklanjaju se sustavom točaka 7 i teku na vodljivu kuglu. Maksimalni naboj koji se može akumulirati na kugli određen je curenjem s površine sferičnog vodiča. U praksi, s generatorima slične konstrukcije, s promjerom kugle od 10-15 m, moguće je dobiti razliku potencijala reda veličine 3-5 milijuna volti. Da bi se povećao naboj kugle, cijela struktura se ponekad stavlja u kutiju ispunjenu stlačenim plinom, čime se smanjuje intenzitet ionizacije.
http://www.physbook.ru/images/0/02/Img_T-68-004.jpg
http://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/elmag/uchpos/text/2_2.html
http://www.ido.rudn.ru/nfpk/fizika/electro/course_files/el13.JPG
Slajd 2
Vodiči i dielektrici u električnom polju Nabijene čestice koje se mogu slobodno kretati u električnom polju nazivamo slobodnim nabojem, a tvari koje ih sadrže vodičima. Vodiči su metali, tekuće otopine i rastaljeni elektroliti. Slobodni naboji u metalu su elektroni vanjskih ljuski atoma koji su izgubili kontakt s njima. Ovi elektroni, koji se nazivaju slobodni elektroni, mogu se slobodno kretati kroz metalno tijelo u bilo kojem smjeru. U elektrostatičkim uvjetima, tj. kada su električni naboji nepomični, jakost električnog polja unutar vodiča uvijek je nula. Doista, ako pretpostavimo da još uvijek postoji polje unutar vodiča, tada će na slobodne naboje koji se nalaze u njemu djelovati električne sile proporcionalne jakosti polja, te će se ti naboji početi kretati, što znači da će polje prestati biti elektrostatičan. Dakle, unutar vodiča nema elektrostatičkog polja.
Slajd 3
Tvari koje nemaju slobodnih naboja nazivaju se dielektrici ili izolatori. Primjeri dielektrika uključuju razne plinove, neke tekućine (voda, benzin, alkohol itd.), kao i mnoge čvrste tvari (staklo, porculan, pleksiglas, guma itd.). Postoje dvije vrste dielektrika - polarni i nepolarni. U molekuli polarnog dielektrika pozitivni naboji su pretežno smješteni u jednom dijelu („+” pol), a negativni naboji su smješteni u drugom („-” pol). U nepolarnom dielektriku pozitivni i negativni naboji jednako su raspoređeni po molekuli. Električni dipolni moment je vektorska fizikalna veličina koja karakterizira električna svojstva sustava nabijenih čestica (raspodjela naboja) u smislu polja koje stvara i djelovanja vanjskih polja na njega. Najjednostavniji sustav naboja koji ima određeni (neovisno o izboru ishodišta) dipolni moment različit od nule je dipol (dvije točkaste čestice suprotnih naboja iste veličine)
Slajd 4
Apsolutna vrijednost električnog dipolnog momenta dipola jednaka je umnošku veličine pozitivnog naboja i udaljenosti između naboja i usmjerena je od negativnog naboja prema pozitivnom, ili: gdje je q veličina naboja , l je vektor s početkom u negativnom naboju, a krajem u pozitivnom. Za sustav od N čestica električni dipolni moment je: Jedinice sustava za mjerenje električnog dipolnog momenta nemaju poseban naziv. U SI je jednostavno Kl·m. Električni dipolni moment molekula obično se mjeri u debyjima: 1 D = 3,33564·10−30 C m.
Slajd 5
Dielektrična polarizacija. Kada se dielektrik uvede u vanjsko električno polje, u njemu dolazi do određene preraspodjele naboja koji čine atome ili molekule. Kao rezultat takve preraspodjele, na površini dielektričnog uzorka pojavljuju se višak nekompenziranih vezanih naboja. Sve nabijene čestice koje tvore makroskopske vezane naboje i dalje su dio svojih atoma. Vezani naboji stvaraju električno polje, koje je unutar dielektrika usmjereno suprotno od vektora vanjske jakosti polja. Taj se proces naziva dielektrična polarizacija. Kao rezultat toga, ukupno električno polje unutar dielektrika ispada da je manje od vanjskog polja u apsolutnoj vrijednosti. Fizička veličina jednaka omjeru modula jakosti vanjskog električnog polja u vakuumu E0 i modula ukupne jakosti polja u homogenom dielektriku E naziva se dielektrična konstanta tvari:
Slajd 6
Postoji nekoliko mehanizama za polarizaciju dielektrika. Glavne su orijentacijska i deformacijska polarizacija. Orijentacijska ili dipolna polarizacija javlja se u slučaju polarnih dielektrika koji se sastoje od molekula u kojima se središta raspodjele pozitivnih i negativnih naboja ne podudaraju. Takve molekule su mikroskopski električni dipoli - neutralna kombinacija dva naboja, jednake veličine i suprotnog znaka, koji se nalaze na određenoj udaljenosti jedan od drugog. Na primjer, molekula vode, kao i molekule niza drugih dielektrika (H2S, NO2, itd.) imaju dipolni moment. U nedostatku vanjskog električnog polja, osi molekularnih dipola su nasumično usmjerene zbog toplinskog gibanja, tako da je na površini dielektrika iu bilo kojem elementu volumena električni naboj u prosjeku jednak nuli. Kada se dielektrik uvede u vanjsko polje, dolazi do djelomične orijentacije molekularnih dipola. Kao rezultat, na površini dielektrika pojavljuju se nekompenzirani makroskopski vezani naboji, stvarajući polje usmjereno prema vanjskom polju
Slajd 7
Polarizacija polarnih dielektrika jako ovisi o temperaturi, budući da toplinsko kretanje molekula igra ulogu dezorijentirajućeg faktora. Slika pokazuje da u vanjskom polju na suprotnim polovima molekule polarnog dielektrika djeluju suprotno usmjerene sile koje nastoje rotirati molekulu duž vektora jakosti polja.
Slajd 8
Deformacijski (ili elastični) mehanizam očituje se tijekom polarizacije nepolarnih dielektrika, čije molekule nemaju dipolni moment u odsutnosti vanjskog polja. Tijekom elektronske polarizacije pod utjecajem električnog polja dolazi do deformacije elektroničkih ljuski nepolarnih dielektrika - pozitivni naboji se pomiču u smjeru vektora, a negativni naboji u suprotnom smjeru. Kao rezultat toga, svaka se molekula pretvara u električni dipol, čija je os usmjerena duž vanjskog polja. Na površini dielektrika pojavljuju se nekompenzirani vezani naboji koji stvaraju vlastito polje usmjereno prema vanjskom polju. Tako dolazi do polarizacije nepolarnog dielektrika. Primjer nepolarne molekule je molekula metana CH4. U ovoj molekuli četverostruko ionizirani ion ugljika C4– nalazi se u središtu pravilne piramide na čijim se vrhovima nalaze vodikovi ioni H+. Kada se primijeni vanjsko polje, ion ugljika se pomiče iz središta piramide, a molekula razvija dipolni moment proporcionalan vanjskom polju.
Slajd 9
U slučaju čvrstih kristalnih dielektrika uočava se vrsta deformacijske polarizacije - takozvana ionska polarizacija, u kojoj se ioni različitih predznaka koji čine kristalnu rešetku, kada se primjenjuje vanjsko polje, pomiču u suprotnim smjerovima, kao uslijed čega se na plohama kristala pojavljuju vezani (nekompenzirani) naboji. Primjer takvog mehanizma je polarizacija kristala NaCl, u kojoj ioni Na+ i Cl– tvore dvije podrešetke ugniježđene jedna unutar druge. U nedostatku vanjskog polja, svaka jedinična ćelija kristala NaCl je električki neutralna i nema dipolni moment. U vanjskom električnom polju obje su podrešetke pomaknute u suprotnim smjerovima, tj. kristal je polariziran.
Slajd 10
Slika pokazuje da vanjsko polje djeluje na molekulu nepolarnog dielektrika, pomičući suprotne naboje unutar nje u različitim smjerovima, zbog čega ova molekula postaje slična molekuli polarnog dielektrika, orijentirana duž linija polja. Deformacija nepolarnih molekula pod utjecajem vanjskog električnog polja ne ovisi o njihovom toplinskom gibanju, stoga polarizacija nepolarnog dielektrika ne ovisi o temperaturi.
Slajd 11
Osnove teorije vrpci krutih tijela Teorija vrpci jedan je od glavnih odjeljaka kvantne teorije krutina, koji opisuje kretanje elektrona u kristalima, a temelj je moderne teorije metala, poluvodiča i dielektrika. Energetski spektar elektrona u čvrstom tijelu značajno se razlikuje od energetskog spektra slobodnih elektrona (koji je kontinuiran) ili spektra elektrona koji pripadaju pojedinačnim izoliranim atomima (diskretan s određenim skupom dostupnih razina) - sastoji se od pojedinačnih dopuštenih energetskih vrpci. odvojene zabranjenim energetskim pojasevima. Prema Bohrovim kvantno mehaničkim postulatima, u izoliranom atomu energija elektrona može poprimiti strogo diskretne vrijednosti (elektron ima određenu energiju i nalazi se u jednoj od orbitala).
Slajd 12
U slučaju sustava od nekoliko atoma spojenih kemijskom vezom, razine elektroničke energije dijele se u količini proporcionalnoj broju atoma. Mjera cijepanja određena je interakcijom elektronske ljuske atomi. Daljnjim povećanjem sustava na makroskopsku razinu, broj razina postaje vrlo velik, a razlika u energijama elektrona koji se nalaze na susjednim orbitalama je sukladno tome vrlo mala - energetske razine se dijele na dva gotovo kontinuirana diskretna skupa - energija zonama.
Slajd 13
Najviša od dopuštenih energetskih vrpci u poluvodičima i dielektricima, u kojoj su na temperaturi od 0 K sva energetska stanja zauzeta elektronima, naziva se valentna vrpca, a slijedeća je vodljiva vrpca. Na temelju principa relativnog rasporeda ovih zona sva krutina se dijele u tri velike skupine: vodiči - materijali u kojima se vodljivi pojas i valentni pojas preklapaju (nema energetskog jaza), tvoreći jednu zonu koja se naziva vodljivi pojas (dakle , elektron se može slobodno kretati između njih, primivši bilo kakvu dopušteno nisku energiju); dielektrici - materijali u kojima se zone ne preklapaju, a udaljenost između njih je veća od 3 eV (za prijenos elektrona iz valentnog pojasa u vodljivi pojas potrebna je znatna energija, pa dielektrici praktički ne provode struju); poluvodiči - materijali u kojima se vrpce ne preklapaju, a razmak između njih (razmak između vrpci) je u rasponu od 0,1–3 eV (za prijenos elektrona iz valentnog pojasa u vodljivi pojas potrebno je manje energije nego za dielektrik, stoga su čisti poluvodiči slabo vodljivi).
Slajd 14
Zazor pojasa (energetski jaz između valentnog i vodljivog pojasa) ključna je veličina u teoriji pojasa i određuje optička i električna svojstva materijala. Prijelaz elektrona iz valentnog pojasa u vodljivi pojas naziva se proces generiranja nositelja naboja (negativan - elektron, a pozitivan - šupljina), a obrnuti prijelaz naziva se proces rekombinacije.
Slajd 15
Poluvodiči su tvari čiji je zabranjeni pojas reda veličine nekoliko elektron volti (eV). Na primjer, dijamant se može klasificirati kao poluvodič sa širokim procjepom, a indijev arsenid može se klasificirati kao poluvodič s uskim procjepom. Poluvodiči uključuju mnoge kemijski elementi(germanij, silicij, selen, telur, arsen i drugi), veliki broj legura i kemijskih spojeva (galijev arsenid, itd.). Najčešći poluvodič u prirodi je silicij, koji čini gotovo 30% Zemljine kore. Poluvodič je materijal koji po svojoj vodljivosti zauzima srednji položaj između vodiča i dielektrika i razlikuje se od vodiča po jakoj ovisnosti vodljivosti o koncentraciji nečistoća, temperaturi i izloženosti različitim vrstama zračenja. Glavno svojstvo poluvodiča je povećanje električne vodljivosti s porastom temperature.
Slajd 16
Poluvodiče karakteriziraju i svojstva vodiča i dielektrika. U poluvodičkim kristalima, elektronima je potrebno oko 1-2 10-19 J (približno 1 eV) energije da se oslobode iz atoma u odnosu na 7-10 10-19 J (približno 5 eV) za dielektrike, što karakterizira glavnu razliku između poluvodiča i dielektrici . Ta se energija u njima javlja porastom temperature (npr. na sobnoj temperaturi razina energije toplinskog gibanja atoma iznosi 0,4·10−19 J), a pojedini elektroni dobivaju energiju da se odvoje od jezgre. Oni napuštaju svoje jezgre, stvarajući slobodne elektrone i šupljine. S porastom temperature povećava se broj slobodnih elektrona i rupa, stoga se u poluvodiču koji ne sadrži nečistoće smanjuje električni otpor. Uobičajeno, poluvodičima se smatraju elementi s energijom vezivanja elektrona manjom od 2-3 eV. Mehanizam vodljivosti elektron-šupljina očituje se u prirodnim (to jest, bez nečistoća) poluvodičima. Naziva se intrinzičnom električnom vodljivošću poluvodiča.
Slajd 17
Vjerojatnost prijelaza elektrona iz valentnog pojasa u vodljivi pojas proporcionalna je (-Eg/kT), gdje je Eg zabranjeni pojas. Pri velikoj vrijednosti Eg (2-3 eV), ta se vjerojatnost pokazuje vrlo malom. Dakle, podjela tvari na metale i nemetale ima sasvim određenu osnovu. Nasuprot tome, podjela nemetala na poluvodiče i dielektrike nema takvu osnovu i čisto je uvjetna.
Slajd 18
Vlastita i nečistoća vodljivost Poluvodiči u kojima se slobodni elektroni i “rupe” pojavljuju tijekom ionizacije atoma od kojih je građen cijeli kristal nazivamo poluvodičima s vlastitom vodljivošću. U poluvodičima s vlastitom vodljivošću koncentracija slobodnih elektrona jednaka je koncentraciji "rupa". Vodljivost nečistoća Kristali s nečistoćom vodljivosti često se koriste za izradu poluvodičkih uređaja. Takvi kristali nastaju uvođenjem nečistoća s atomima peterovalentnog ili trovalentnog kemijskog elementa
Slajd 19
Elektronički poluvodiči (n-tip) Pojam "n-tip" dolazi od riječi "negativan", što se odnosi na negativni naboj većinskih nositelja. Nečistoća peterovalentnog poluvodiča (na primjer, arsen) dodaje se četverovalentnom poluvodiču (na primjer, silicij). Tijekom interakcije svaki atom nečistoće ulazi u kovalentnu vezu s atomima silicija. Međutim, za peti elektron atoma arsena nema mjesta u zasićenim valentnim vezama, te se on odvaja i postaje slobodan. U ovom slučaju prijenos naboja provodi elektron, a ne rupa, odnosno ova vrsta poluvodiča provodi električnu struju poput metala. Nečistoće koje se dodaju poluvodičima, zbog čega oni postaju poluvodiči n-tipa, nazivaju se donorske nečistoće.
Slajd 20
Rupčasti poluvodiči (p-tip) Pojam “p-tip” dolazi od riječi “positive” koja označava pozitivan naboj većinskih nositelja. Ovu vrstu poluvodiča, osim baze nečistoća, karakterizira rupičasta priroda vodljivosti. Mala količina atoma trovalentnog elementa (kao što je indij) dodaje se četverovalentnom poluvodiču (kao što je silicij). Svaki atom nečistoće uspostavlja kovalentnu vezu s tri susjedna atoma silicija. Da bi uspostavio vezu s četvrtim atomom silicija, atom indija nema valentni elektron, pa on grabi valentni elektron iz kovalentne veze između susjednih atoma silicija i postaje negativno nabijen ion, što rezultira stvaranjem rupe. Nečistoće koje se u tom slučaju dodaju nazivaju se akceptorske nečistoće.
Slajd 21
Slajd 22
Fizička svojstva poluvodiči su najviše proučavani u usporedbi s metalima i dielektricima. U velikoj mjeri to je olakšano ogromnim brojem učinaka koji se ne mogu primijetiti ni u jednoj ni u drugoj tvari, prvenstveno povezani sa strukturom vrpčne strukture poluvodiča i prisutnošću prilično uskog pojasa. Poluvodički spojevi se dijele na nekoliko vrsta: jednostavni poluvodički materijali – sami kemijski elementi: bor B, ugljik C, germanij Ge, silicij Si, selen Se, sumpor S, antimon Sb, telur Te i jod I. Germanij, silicij i selen. Ostali se najčešće koriste kao dopanti ili kao komponente složenih poluvodičkih materijala. Skupina složenih poluvodičkih materijala uključuje kemijske spojeve koji imaju poluvodička svojstva i uključuju dva, tri ili više kemijskih elemenata. Naravno, glavni poticaj proučavanju poluvodiča je proizvodnja poluvodičkih elemenata i integriranih sklopova.
Slajd 23
Hvala na pozornosti!
Pogledaj sve slajdove
1. U nedostatku vanjskog polja, čestice su raspoređene unutar tvari na takav način da je električno polje koje stvaraju jednako nuli. 2. U prisutnosti vanjskog polja dolazi do preraspodjele nabijenih čestica i nastaje vlastito električno polje tvari koje se sastoji od vanjskog E0 polja i unutarnjeg E/ koje stvaraju nabijene čestice tvari? Koje se tvari nazivaju vodičima? 3. Voditelji -
- tvari s prisutnošću slobodnih naboja koji sudjeluju u toplinskom kretanju i mogu se kretati po cijelom volumenu vodiča
- 4. U nedostatku vanjskog polja u vodiču, slobodni naboj "-" kompenzira se nabojem "+" ionske rešetke. U električnom polju se javlja preraspodjela besplatne naknade, zbog čega se na njegovoj površini pojavljuju nekompenzirani naboji “+” i “-”.
- Ovaj proces se zove elektrostatska indukcija, a naboji koji se pojavljuju na površini vodiča su indukcijski naboji.
- 8. U dielektricima (izolatorima) nema slobodnih električnih naboja. Sastoje se od neutralnih atoma ili molekula. Nabijene čestice u neutralnom atomu međusobno su vezane i ne mogu se kretati pod utjecajem električnog polja po cijelom volumenu dielektrika.
- Voda, alkohol,
- dušikov oksid (4)
- inertni plinovi, kisik, vodik, benzen, polietilen.
- A) Potencijalna energija naboja
- B) Kinetička energija naboja
- B) nula
- A) To su tvari u kojima se nabijene čestice ne mogu kretati pod utjecajem električnog polja.
- B) To su tvari u kojima se nabijene čestice mogu kretati pod utjecajem električnog polja.
- A) To je pomak pozitivnog i negativnog vezanog naboja dielektrika u suprotnim smjerovima
- B) To je pomak pozitivnih i negativnih vezanih naboja dielektrika u jednom smjeru
- B) Ovo je raspored pozitivnih i negativnih naboja dielektrika u sredini
- A) unutar vodiča
- B) Na svojoj površini
- 8. Nepolarni dielektrici su dielektrici kod kojih su središta raspodjele pozitivnih i negativnih naboja...
- A) Činjenica da je električno polje unutar vodiča maksimalno.
- B) na činjenici da unutar vodiča nema električnog polja
- A) Ovo je pozitivno nabijen sustav naboja
- B) Ovo je negativno nabijen sustav naboja
- B) Ovo je neutralni sustav naknada
Slajd 1
Vodiči su tvari u kojima postoji mnogo slobodnih nabijenih čestica. Na primjer, u metalima su to elektroni vanjske ljuske, koji su vrlo slabo povezani s jezgrama atoma i stoga zapravo pripadaju metalnom vodiču kao cjelini. To je takozvani elektronski plin. Upravo zbog prisutnosti nabijenih čestica koje se mogu slobodno kretati cijelim volumenom metalnog vodiča, unutar metala ne postoji električno polje. Ni u drugim vodičima nema električnog polja. Razmotrimo električno polje unutar metalnog vodiča......
Slajd 2
Slajd 3
Jer E0 = E1, tada je E = E0-E1= 0 Unutar vodiča nema električnog polja
Slajd 4
Kada su naboji u ravnoteži, unutar vodiča nema električnog polja, a naboji se nalaze na njegovoj površini.
Slajd 5
Dielektrici
To su tvari koje u sebi nemaju slobodnih nabijenih čestica. Potrebno je razlikovati polarne dielektrike u kojima se središte pozitivnog i negativnog naboja ne podudara. U nepolarnim dielektricima središte pozitivnog i negativnog naboja se podudara. U električnom polju svaki dielektrik postaje polaran.
Slajd 6
Dipol
Ovo je sustav dva povezana suprotna naboja, u kojem se središte pozitivnog i negativnog naboja ne podudara. Dipol postavljen u električno polje podvrgnut je zakretnom momentu, zbog čega se orijentira duž polja. M=F٠L, gdje je L udaljenost između središta vezanih naboja.
