Presentasjon om emnet ledere og dielektrikk. Presentasjon om emnet "Ledere i et elektrisk felt." Det er frie elektroner
Ledere i et elektrisk felt Gratis ladninger - ladede partikler av samme tegn, i stand til å bevege seg under påvirkning elektrisk felt Bundne ladninger er motsatte ladninger som er en del av atomer (eller molekyler) som ikke kan bevege seg under påvirkning av et elektrisk felt uavhengig av hverandre. stoffer ledere dielektriske halvledere
Ethvert medium svekker den elektriske feltstyrken
De elektriske egenskapene til et medium bestemmes av mobiliteten til ladede partikler i det
Leder: metaller, løsninger av salter, syrer, fuktig luft, plasma, menneskekroppen
Dette er en kropp som inneholder en tilstrekkelig mengde gratis elektriske ladninger, i stand til å bevege seg under påvirkning av et elektrisk felt.
Hvis du introduserer en uladet leder i et elektrisk felt, begynner ladningsbærerne å bevege seg. De er fordelt slik at det elektriske feltet de skaper er motsatt av det ytre feltet, det vil si at feltet inne i lederen vil bli svekket. Ladningene vil bli omfordelt inntil betingelsene for likevekt av ladninger på lederen er oppfylt, det vil si:
en nøytral leder innført i et elektrisk felt bryter strekklinjene. De ender ved negative induserte ladninger og begynner med positive
Fenomenet romlig separasjon av ladninger kalles elektrostatisk induksjon. Selvfeltet til de induserte ladningene kompenserer for det ytre feltet inne i lederen med høy grad av nøyaktighet.
Hvis lederen har et indre hulrom, vil feltet være fraværende inne i hulrommet. Denne omstendigheten brukes når du organiserer beskyttelse av utstyr fra elektriske felt.
Elektrifiseringen av en leder i et eksternt elektrostatisk felt ved separasjon av positive og negative ladninger som allerede er tilstede i den i like mengder kalles fenomenet elektrostatisk induksjon, og de omfordelte ladningene i seg selv kalles indusert. Dette fenomenet kan brukes til å elektrifisere uladede ledere.
En uladet leder kan elektrifiseres ved kontakt med en annen ladet leder.
Fordelingen av ladninger på overflaten av ledere avhenger av deres form. Maksimal ladningstetthet observeres på punktene, og inne i fordypningene reduseres den til et minimum.
Egenskapen til elektriske ladninger til å konsentrere seg i overflatelaget til en leder har funnet anvendelse for å oppnå betydelige potensialforskjeller ved elektrostatisk metode. I fig. et diagram av en elektrostatisk generator som brukes til å akselerere elementærpartikler er vist.
En sfærisk leder 1 med stor diameter er plassert på en isolerende søyle 2. Et lukket dielektrisk bånd 3 beveger seg inne i søylen og driver tromler 4. Fra en høyspenningsgenerator overføres en eklektisk ladning gjennom et system av spisse ledere 5 til bånd, på baksiden av båndet er det jordingsplate 6. Ladninger fra båndet fjernes ved hjelp av et system med punkter 7 og strømmer inn på den ledende kulen. Den maksimale ladningen som kan samle seg på en kule bestemmes av lekkasje fra overflaten til den kuleformede lederen. I praksis, med generatorer av lignende design, med en kulediameter på 10–15 m, er det mulig å oppnå en potensialforskjell i størrelsesorden 3–5 millioner volt. For å øke ladningen til sfæren, er hele strukturen noen ganger plassert i en boks fylt med komprimert gass, noe som reduserer ioniseringsintensiteten.
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
Lysbilde 2
Ledere og dielektrika i et elektrisk felt Ladede partikler som kan bevege seg fritt i et elektrisk felt kalles frie ladninger, og stoffer som inneholder dem kalles ledere. Ledere er metaller, flytende løsninger og smeltede elektrolytter. Frie ladninger i et metall er elektronene i de ytre skallene til atomer som har mistet kontakten med dem. Disse elektronene, kalt frie elektroner, kan bevege seg fritt gjennom metalllegemet i alle retninger. Under elektrostatiske forhold, dvs. når elektriske ladninger er ubevegelige, er den elektriske feltstyrken inne i lederen alltid null. Faktisk, hvis vi antar at det fortsatt er et felt inne i lederen, vil de frie ladningene i den bli påvirket av elektriske krefter proporsjonale med feltstyrken, og disse ladningene vil begynne å bevege seg, noe som betyr at feltet vil slutte å være elektrostatisk. Dermed er det ikke noe elektrostatisk felt inne i lederen.
Lysbilde 3
Stoffer som ikke har gratis ladninger kalles dielektrikum eller isolatorer. Eksempler på dielektrikum inkluderer forskjellige gasser, noen væsker (vann, bensin, alkohol, etc.), samt mange faste stoffer (glass, porselen, pleksiglass, gummi, etc.). Det finnes to typer dielektriske stoffer - polare og ikke-polare. I et polart dielektrisk molekyl er positive ladninger hovedsakelig lokalisert i den ene delen (“+”-polen), og negative ladninger er lokalisert i den andre (“-”-polen). I et ikke-polart dielektrikum er positive og negative ladninger likt fordelt over hele molekylet. Elektrisk dipolmoment er en vektorfysisk størrelse som karakteriserer de elektriske egenskapene til et system av ladede partikler (ladningsfordeling) i betydningen feltet det skaper og virkningen av ytre felt på det. Det enkleste ladningssystemet som har et visst (uavhengig av valget av opprinnelse) dipolmoment som ikke er null, er en dipol (topunktspartikler med motsatte ladninger av samme størrelse)
Lysbilde 4
Den absolutte verdien av det elektriske dipolmomentet til en dipol er lik produktet av størrelsen på den positive ladningen og avstanden mellom ladningene og er rettet fra den negative ladningen til den positive, eller: hvor q er størrelsen på ladningene , l er en vektor med begynnelsen i den negative ladningen og slutten i den positive. For et system med N partikler er det elektriske dipolmomentet: Systemenhetene for måling av det elektriske dipolmomentet har ikke noe spesielt navn. I SI er det rett og slett Kl·m. Det elektriske dipolmomentet til molekyler måles vanligvis i debyer: 1 D = 3,33564·10−30 C m.
Lysbilde 5
Dielektrisk polarisering. Når et dielektrikum introduseres i et eksternt elektrisk felt, skjer en viss omfordeling av ladningene som utgjør atomene eller molekylene i det. Som et resultat av slik omfordeling oppstår overskytende ukompenserte bundne ladninger på overflaten av den dielektriske prøven. Alle ladede partikler som danner makroskopisk bundne ladninger er fortsatt en del av atomene deres. Bundne ladninger skaper et elektrisk felt, som inne i dielektrikumet er rettet motsatt av vektoren til den ytre feltstyrken. Denne prosessen kalles dielektrisk polarisering. Som et resultat viser det totale elektriske feltet inne i dielektrikum seg å være mindre enn det ytre feltet i absolutt verdi. En fysisk mengde som er lik forholdet mellom modulen til den eksterne elektriske feltstyrken i vakuum E0 og modulen til den totale feltstyrken i et homogent dielektrikum E kalles den dielektriske konstanten til stoffet:
Lysbilde 6
Det er flere mekanismer for polarisering av dielektrikum. De viktigste er orientering og deformasjonspolarisering. Orienterings- eller dipolpolarisering oppstår i tilfellet med polare dielektriske stoffer som består av molekyler der distribusjonssentrene for positive og negative ladninger ikke sammenfaller. Slike molekyler er mikroskopiske elektriske dipoler - en nøytral kombinasjon av to ladninger, like i størrelse og motsatt i fortegn, plassert i en viss avstand fra hverandre. For eksempel har et vannmolekyl, samt molekyler av en rekke andre dielektriske stoffer (H2S, NO2, etc.) et dipolmoment. I fravær av et eksternt elektrisk felt er aksene til molekylære dipoler tilfeldig orientert på grunn av termisk bevegelse, slik at på overflaten av dielektrikumet og i et hvilket som helst volumelement er den elektriske ladningen i gjennomsnitt null. Når et dielektrikum introduseres i et eksternt felt, oppstår en delvis orientering av molekylære dipoler. Som et resultat vises ukompenserte makroskopiske bundne ladninger på overflaten av dielektrikumet, og skaper et felt rettet mot det ytre feltet
Lysbilde 7
Polarisasjonen av polare dielektriske stoffer avhenger sterkt av temperaturen, siden den termiske bevegelsen til molekyler spiller rollen som en desorienterende faktor. Figuren viser at i et eksternt felt virker motsatt rettede krefter på de motsatte polene til et polart dielektrisk molekyl, som prøver å rotere molekylet langs feltstyrkevektoren.
Lysbilde 8
Deformasjonsmekanismen (eller den elastiske) manifesterer seg under polariseringen av ikke-polare dielektriske stoffer, hvis molekyler ikke har et dipolmoment i fravær av et eksternt felt. Under elektronisk polarisering under påvirkning av et elektrisk felt deformeres de elektroniske skallene til ikke-polare dielektriske stoffer - positive ladninger forskyves i retning av vektoren og negative ladninger i motsatt retning. Som et resultat blir hvert molekyl til en elektrisk dipol, hvis akse er rettet langs det ytre feltet. Ukompenserte bundne ladninger vises på overflaten av dielektrikumet, og skaper sitt eget felt rettet mot det ytre feltet. Dette er hvordan polariseringen av et ikke-polart dielektrikum oppstår. Et eksempel på et ikke-polart molekyl er metanmolekylet CH4. I dette molekylet er det firedoble ioniserte karbonionet C4– lokalisert i sentrum av en vanlig pyramide, på toppene som det er hydrogenioner H+. Når et eksternt felt påføres, fortrenges karbonionet fra sentrum av pyramiden, og molekylet utvikler et dipolmoment proporsjonalt med det ytre feltet.
Lysbilde 9
Når det gjelder faste krystallinske dielektriske stoffer, observeres en type deformasjonspolarisering - den såkalte ioniske polarisasjonen, der ioner med forskjellige fortegn som utgjør krystallgitteret, når et eksternt felt påføres, forskyves i motsatte retninger, som et resultat av hvilke bundne (ukompenserte) ladninger vises på krystallflatene. Et eksempel på en slik mekanisme er polariseringen av en NaCl-krystall, der Na+- og Cl–-ionene danner to undergitter som er nestet inne i hverandre. I fravær av et eksternt felt er hver enhetscelle i en NaCl-krystall elektrisk nøytral og har ikke et dipolmoment. I et eksternt elektrisk felt er begge undergittrene forskjøvet i motsatte retninger, det vil si at krystallen er polarisert.
Lysbilde 10
Figuren viser at et eksternt felt virker på et molekyl av et ikke-polart dielektrikum, og beveger seg motsatte ladninger inne i det i forskjellige retninger, som et resultat av at dette molekylet blir likt et molekyl av et polart dielektrikum, orientert langs feltlinjene. Deformasjonen av ikke-polare molekyler under påvirkning av et eksternt elektrisk felt avhenger ikke av deres termiske bevegelse, derfor avhenger ikke polarisasjonen av et ikke-polart dielektrikum av temperaturen.
Lysbilde 11
Grunnleggende om båndteorien om faste stoffer Båndteori er en av hoveddelene av kvanteteorien om faste stoffer, som beskriver bevegelsen av elektroner i krystaller, og er grunnlaget for den moderne teorien om metaller, halvledere og dielektrikum. Energispekteret til elektroner i et fast stoff skiller seg betydelig fra energispekteret til frie elektroner (som er kontinuerlig) eller spekteret av elektroner som tilhører individuelle isolerte atomer (diskret med et spesifikt sett med tilgjengelige nivåer) - det består av individuelle tillatte energibånd atskilt av forbudte energibånd. I følge Bohrs kvantemekaniske postulater kan energien til et elektron i et isolert atom ta strengt diskrete verdier (elektronet har en viss energi og er lokalisert i en av orbitalene).
Lysbilde 12
Når det gjelder et system med flere atomer forent av en kjemisk binding, deles de elektroniske energinivåene i en mengde proporsjonal med antall atomer. Splittingsmålet bestemmes av interaksjonen elektroniske skall atomer. Med en ytterligere økning i systemet til det makroskopiske nivået blir antallet nivåer veldig stort, og forskjellen i energiene til elektroner lokalisert i naboorbitaler er tilsvarende svært liten - energinivåene deles i to nesten kontinuerlige diskrete sett - energi soner.
Lysbilde 13
Det høyeste av de tillatte energibåndene i halvledere og dielektrika, der ved en temperatur på 0 K alle energitilstander er okkupert av elektroner, kalles valensbåndet, det neste er ledningsbåndet. Basert på prinsippet om den relative ordningen av disse sonene, er alle faste stoffer delt inn i tre store grupper: ledere - materialer der ledningsbåndet og valensbåndet overlapper hverandre (det er ingen energigap), og danner en sone kalt ledningsbåndet (dermed , elektronet kan bevege seg fritt mellom dem, etter å ha mottatt enhver tillatt lav energi); dielektriske materialer - materialer der sonene ikke overlapper hverandre og avstanden mellom dem er mer enn 3 eV (for å overføre et elektron fra valensbåndet til ledningsbåndet, kreves det betydelig energi, så dielektriske stoffer leder praktisk talt ikke strøm); halvledere - materialer der båndene ikke overlapper hverandre og avstanden mellom dem (båndgap) ligger i området 0,1–3 eV (for å overføre et elektron fra valensbåndet til ledningsbåndet kreves det mindre energi enn for et dielektrikum, derfor er rene halvledere svakt ledende).
Lysbilde 14
Båndgapet (energigapet mellom valens- og ledningsbåndene) er en nøkkelstørrelse i båndteori og bestemmer de optiske og elektriske egenskapene til et materiale. Overgangen til et elektron fra valensbåndet til ledningsbåndet kalles prosessen med generering av ladningsbærere (negativt - elektron og positivt - hull), og den omvendte overgangen kalles prosessen med rekombinasjon.
Lysbilde 15
Halvledere er stoffer hvis båndgap er i størrelsesorden flere elektronvolt (eV). For eksempel kan diamant klassifiseres som en halvleder med bred gap, og indiumarsenid kan klassifiseres som en halvleder med smale gap. Halvledere inkluderer mange kjemiske elementer(germanium, silisium, selen, tellur, arsen og andre), et stort antall legeringer og kjemiske forbindelser (galliumarsenid, etc.). Den vanligste halvlederen i naturen er silisium, og utgjør nesten 30 % av jordskorpen. En halvleder er et materiale som når det gjelder sin ledningsevne inntar en mellomposisjon mellom ledere og dielektrikum og skiller seg fra ledere i konduktivitetens sterke avhengighet av konsentrasjonen av urenheter, temperatur og eksponering for ulike typer stråling. Hovedegenskapen til en halvleder er en økning i elektrisk ledningsevne med økende temperatur.
Lysbilde 16
Halvledere er preget av både egenskapene til ledere og dielektriske. I halvlederkrystaller trenger elektroner ca. 1-2 10-19 J (ca. 1 eV) energi for å frigjøres fra et atom, mot 7-10 10-19 J (ca. 5 eV) for dielektrikum, som karakteriserer hovedforskjellen mellom halvledere og dielektriske stoffer. Denne energien vises i dem når temperaturen øker (for eksempel ved romtemperatur er energinivået for termisk bevegelse av atomer 0,4·10−19 J), og individuelle elektroner mottar energi som skal separeres fra kjernen. De forlater kjernene sine og danner frie elektroner og hull. Med økende temperatur øker antallet frie elektroner og hull, derfor reduseres den elektriske resistiviteten i en halvleder som ikke inneholder urenheter. Konvensjonelt regnes elementer med en elektronbindingsenergi på mindre enn 2-3 eV som halvledere. Elektmanifesterer seg i native (det vil si uten urenheter) halvledere. Det kalles den indre elektriske ledningsevnen til halvledere.
Lysbilde 17
Sannsynligheten for elektronovergang fra valensbåndet til ledningsbåndet er proporsjonal med (-Eg/kT), hvor Eg er båndgapet. Ved en stor verdi på Eg (2-3 eV) viser denne sannsynligheten seg å være svært liten. Dermed har inndelingen av stoffer i metaller og ikke-metaller et meget bestemt grunnlag. I motsetning til dette har ikke inndelingen av ikke-metaller i halvledere og dielektriske stoffer et slikt grunnlag og er rent betinget.
Lysbilde 18
Egen- og urenhetsledningsevne Halvledere der frie elektroner og "hull" oppstår under ioniseringen av atomene som hele krystallen er bygget av, kalles halvledere med egenledningsevne. I halvledere med egen ledningsevne er konsentrasjonen av frie elektroner lik konsentrasjonen av "hull". Urenhetsledningsevne Krystaller med urenhetsledningsevne brukes ofte til å lage halvlederenheter. Slike krystaller er laget ved å introdusere urenheter med atomer av et femverdig eller treverdig kjemisk element
Lysbilde 19
Elektroniske halvledere (n-type) Begrepet "n-type" kommer fra ordet "negativ", som refererer til den negative ladningen til majoritetsbærerne. En urenhet av en femverdig halvleder (for eksempel arsen) legges til en fireverdig halvleder (for eksempel silisium). Under interaksjonen går hvert urenhetsatom inn i en kovalent binding med silisiumatomer. Det er imidlertid ikke plass til det femte elektronet i arsenatomet i mettede valensbindinger, og det brytes av og blir fritt. I dette tilfellet utføres ladningsoverføring av et elektron, ikke et hull, det vil si at denne typen halvleder leder elektrisk strøm som metaller. Urenheter som tilsettes halvledere, som får dem til å bli n-type halvledere, kalles donorurenheter.
Lysbilde 20
Hullhalvledere (p-type) Begrepet "p-type" kommer fra ordet "positiv", som betegner den positive ladningen til majoritetsbærerne. Denne typen halvleder, i tillegg til urenhetsbasen, er preget av ledningsevnens hullart. En liten mengde atomer av et treverdig grunnstoff (som indium) tilsettes til en fireverdig halvleder (som silisium). Hvert urenhetsatom etablerer en kovalent binding med tre nærliggende silisiumatomer. For å etablere en binding med det fjerde silisiumatomet, har ikke indiumatomet et valenselektron, så det griper et valenselektron fra den kovalente bindingen mellom nabosilisiumatomer og blir et negativt ladet ion, noe som resulterer i dannelsen av et hull. Urenhetene som tilsettes i dette tilfellet kalles akseptorurenheter.
Lysbilde 21
Lysbilde 22
Fysiske egenskaper halvledere er de mest studerte sammenlignet med metaller og dielektriske stoffer. I stor grad tilrettelegges dette av et stort antall effekter som ikke kan observeres i verken ett eller annet stoff, først og fremst relatert til strukturen til båndstrukturen til halvledere og tilstedeværelsen av et ganske smalt båndgap. Halvlederforbindelser er delt inn i flere typer: enkle halvledermaterialer - de kjemiske elementene i seg selv: bor B, karbon C, germanium Ge, silisium Si, selen Se, svovel S, antimon Sb, tellur Te og jod I. Germanium, silisium og selen. Resten brukes oftest som dopingmidler eller som komponenter av komplekse halvledermaterialer. Gruppen av komplekse halvledermaterialer inkluderer kjemiske forbindelser som har halvlederegenskaper og inkluderer to, tre eller flere kjemiske elementer. Det viktigste insentivet for å studere halvledere er selvfølgelig produksjonen av halvlederenheter og integrerte kretser.
Lysbilde 23
Takk for din oppmerksomhet!
Se alle lysbildene
1. I fravær av et ytre felt, fordeles partikler inne i stoffet på en slik måte at det elektriske feltet de skaper er lik null. 2. I nærvær av et eksternt felt skjer en omfordeling av ladede partikler, og et stoffs eget elektriske felt oppstår, som består av det ytre E0-feltet og det indre E/ skapt av de ladede partiklene til stoffet? Hvilke stoffer kalles ledere? 3. Dirigenter -
- stoffer med tilstedeværelse av gratis ladninger som deltar i termisk bevegelse og kan bevege seg gjennom hele volumet av lederen
- 4. I fravær av et eksternt felt i lederen, kompenseres den "-" gratis ladningen av "+" ladningen til ionegitteret. I et elektrisk felt, oppstår omfordeling gratis kostnader, som et resultat av at ukompenserte "+" og "-" ladninger vises på overflaten
- Denne prosessen kalles elektrostatisk induksjon, og ladningene som vises på overflaten av lederen er induksjonskostnader.
- 8. Det er ingen gratis elektriske ladninger i dielektrikum (isolatorer). De består av nøytrale atomer eller molekyler. Ladede partikler i et nøytralt atom er bundet til hverandre og kan ikke bevege seg under påvirkning av et elektrisk felt gjennom hele volumet av dielektrikumet.
- Vann, alkohol,
- nitrogenoksid (4)
- inerte gasser, oksygen, hydrogen, benzen, polyetylen.
- A) Potensiell energi til ladninger
- B) Kinetisk energi til ladninger
- B) null
- A) Dette er stoffer der ladede partikler ikke kan bevege seg under påvirkning av et elektrisk felt.
- B) Dette er stoffer som ladede partikler kan bevege seg i under påvirkning av et elektrisk felt.
- A) Dette er en forskyvning av positive og negative bundne ladninger av dielektrikumet i motsatte retninger
- B) Dette er en forskyvning av positive og negative bundne ladninger av dielektrikumet i én retning
- B) Dette er arrangementet av positive og negative ladninger av dielektrikumet i midten
- A) inne i lederen
- B) På overflaten
- 8. Ikke-polare dielektrika er dielektriske stoffer der distribusjonssentrene for positive og negative ladninger...
- A) Det faktum at det elektriske feltet inne i lederen er maksimalt.
- B) på det faktum at det ikke er noe elektrisk felt inne i lederen
- A) Dette er et positivt ladet system av ladninger
- B) Dette er et negativt ladet system av ladninger
- B) Dette er et nøytralt system av ladninger
- Talemateriale for automatisering av lyden P i lydkombinasjoner -DR-, -TR- i stavelser, ord, setninger og vers
- Følgende ordspill Tren det fjerde ekstra målet
- Motiverende teorier. Motiv og motivasjon. Teorier om motivasjon Teorier om motivasjon i ulike psykologiske retninger
- Hensikten med Phillips School Anxiety Test
Lysbilde 1
Ledere er stoffer der det er mange gratis ladede partikler. For eksempel, i metaller er dette elektronene i det ytre skallet, som er forbundet med atomkjernene veldig svakt og derfor faktisk tilhører metalllederen som helhet. Dette er den såkalte elektrongassen. Det er nettopp på grunn av tilstedeværelsen av ladede partikler som kan bevege seg fritt gjennom hele volumet av en metallleder at det ikke er noe elektrisk felt inne i metaller. Det er heller ikke noe elektrisk felt i andre ledere. Tenk på det elektriske feltet inne i en metallleder......
Lysbilde 2
Lysbilde 3
Fordi E0 = E1, så E = E0-E1= 0 Det er ikke noe elektrisk felt inne i lederen
Lysbilde 4
Når ladninger er i likevekt, er det ikke noe elektrisk felt inne i lederen, og ladningene er plassert på overflaten.
Lysbilde 5
Dielektrikk
Dette er stoffer som ikke har noen gratis ladede partikler inni seg. Det er nødvendig å skille mellom polare dielektriske stoffer, der sentrum av den positive og negative ladningen ikke sammenfaller. I ikke-polare dielektrika faller midten av den positive og negative ladningen sammen. I et elektrisk felt blir ethvert dielektrikum polar.
Lysbilde 6
Dipol
Dette er et system med to sammenkoblede motsatte ladninger, der sentrum av den positive og negative ladningen ikke faller sammen. En dipol plassert i et elektrisk felt er utsatt for et dreiemoment, noe som får den til å orientere seg langs feltet. M=F٠L, der L er avstanden mellom sentrene til bundne ladninger.
Les også...
