Apresentação sobre o tema condutores e dielétricos. Apresentação sobre o tema “condutores em um campo elétrico”. Existem elétrons livres
Condutores em um campo elétrico Cargas livres - partículas carregadas do mesmo sinal, capazes de se mover sob a influência campo elétrico Cargas ligadas são cargas opostas que fazem parte de átomos (ou moléculas) que não podem se mover sob a influência de um campo elétrico independentemente uns dos outros. substâncias condutores dielétricos semicondutores
Qualquer meio enfraquece a intensidade do campo elétrico
As características elétricas de um meio são determinadas pela mobilidade das partículas carregadas nele
Condutor: metais, soluções de sais, ácidos, ar úmido, plasma, corpo humano
Este é um corpo que contém uma quantidade suficiente de livre cargas eletricas, capaz de se mover sob a influência de um campo elétrico.
Se você introduzir um condutor descarregado em um campo elétrico, os portadores de carga começarão a se mover. Eles são distribuídos de forma que o campo elétrico que criam seja oposto ao campo externo, ou seja, o campo dentro do condutor será enfraquecido. As cargas serão redistribuídas até que sejam atendidas as condições de equilíbrio das cargas no condutor, ou seja:
um condutor neutro introduzido em um campo elétrico rompe as linhas de tensão. Eles terminam em cargas induzidas negativas e começam em cargas positivas
O fenômeno da separação espacial de cargas é chamado de indução eletrostática. O campo próprio das cargas induzidas compensa o campo externo dentro do condutor com alto grau de precisão.
Se o condutor tiver uma cavidade interna, o campo estará ausente dentro da cavidade. Esta circunstância é utilizada na organização da proteção de equipamentos contra campos elétricos.
A eletrificação de um condutor em um campo eletrostático externo pela separação de cargas positivas e negativas já presentes nele em quantidades iguais é chamada de fenômeno de indução eletrostática, e as próprias cargas redistribuídas são chamadas de induzidas. Este fenômeno pode ser usado para eletrificar condutores descarregados.
Um condutor descarregado pode ser eletrificado pelo contato com outro condutor carregado.
A distribuição das cargas na superfície dos condutores depende da sua forma. A densidade máxima de carga é observada nos pontos e dentro dos recessos é reduzida ao mínimo.
A propriedade das cargas elétricas de se concentrarem na camada superficial de um condutor encontrou aplicação na obtenção de diferenças de potencial significativas pelo método eletrostático. Na Fig. é mostrado um diagrama de um gerador eletrostático usado para acelerar partículas elementares.
Um condutor esférico 1 de grande diâmetro está localizado em uma coluna isolante 2. Uma fita dielétrica fechada 3 se move dentro da coluna, acionando tambores 4. De um gerador de alta tensão, uma carga eclética é transmitida através de um sistema de condutores pontiagudos 5 para o fita, na parte traseira da fita há uma placa de aterramento 6. As cargas da fita são removidas por um sistema de pontos 7 e fluem para a esfera condutora. A carga máxima que pode acumular-se numa esfera é determinada pela fuga da superfície do condutor esférico. Na prática, com geradores de projeto semelhante, com diâmetro de esfera de 10 a 15 m, é possível obter uma diferença de potencial da ordem de 3 a 5 milhões de volts. Para aumentar a carga da esfera, toda a estrutura às vezes é colocada em uma caixa cheia de gás comprimido, o que reduz a intensidade da ionização.
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
Diapositivo 2
Condutores e dielétricos em um campo elétrico Partículas carregadas que podem se mover livremente em um campo elétrico são chamadas de cargas livres, e as substâncias que as contêm são chamadas de condutores. Os condutores são metais, soluções líquidas e eletrólitos fundidos. Cargas livres em um metal são os elétrons das camadas externas dos átomos que perderam contato com eles. Esses elétrons, chamados elétrons livres, podem se mover livremente através do corpo metálico em qualquer direção. Sob condições eletrostáticas, isto é, quando as cargas elétricas estão imóveis, a intensidade do campo elétrico dentro do condutor é sempre zero. Na verdade, se assumirmos que ainda existe um campo dentro do condutor, então as cargas livres localizadas nele serão influenciadas por forças elétricas proporcionais à intensidade do campo, e essas cargas começarão a se mover, o que significa que o campo deixará de ser eletrostático. Assim, não há campo eletrostático dentro do condutor.
Diapositivo 3
As substâncias que não possuem cargas gratuitas são chamadas de dielétricos ou isolantes. Exemplos de dielétricos incluem vários gases, alguns líquidos (água, gasolina, álcool, etc.), bem como muitos sólidos (vidro, porcelana, plexiglass, borracha, etc.). Existem dois tipos de dielétricos - polares e não polares. Em uma molécula dielétrica polar, as cargas positivas estão localizadas predominantemente em uma parte (o pólo “+”) e as cargas negativas estão localizadas na outra (o pólo “-”). Em um dielétrico apolar, as cargas positivas e negativas são distribuídas igualmente por toda a molécula. O momento de dipolo elétrico é uma grandeza física vetorial que caracteriza as propriedades elétricas de um sistema de partículas carregadas (distribuição de carga) no sentido do campo que ele cria e da ação de campos externos sobre ele. O sistema mais simples de cargas que possui um certo (independente da escolha da origem) momento dipolar diferente de zero é um dipolo (duas partículas pontuais com cargas opostas do mesmo tamanho)
Diapositivo 4
O valor absoluto do momento dipolar elétrico de um dipolo é igual ao produto da magnitude da carga positiva e a distância entre as cargas e é direcionado da carga negativa para a positiva, ou: onde q é a magnitude das cargas , l é um vetor com início na carga negativa e final na positiva. Para um sistema de N partículas, o momento de dipolo elétrico é: As unidades do sistema para medir o momento de dipolo elétrico não possuem um nome especial. No SI é simplesmente Kl·m. O momento de dipolo elétrico das moléculas é geralmente medido em debyes: 1 D = 3,33564·10−30 C m.
Diapositivo 5
Polarização dielétrica. Quando um dielétrico é introduzido em um campo elétrico externo, nele ocorre uma certa redistribuição das cargas que constituem os átomos ou moléculas. Como resultado dessa redistribuição, excesso de cargas ligadas não compensadas aparecem na superfície da amostra dielétrica. Todas as partículas carregadas que formam cargas ligadas macroscópicas ainda fazem parte de seus átomos. Cargas ligadas criam um campo elétrico, que dentro do dielétrico é direcionado em direção oposta ao vetor de intensidade do campo externo. Este processo é chamado de polarização dielétrica. Como resultado, o campo elétrico total dentro do dielétrico é menor que o campo externo em valor absoluto. Uma quantidade física igual à razão entre o módulo da intensidade do campo elétrico externo no vácuo E0 e o módulo da intensidade do campo total em um dielétrico homogêneo E é chamada de constante dielétrica da substância:
Diapositivo 6
Existem vários mecanismos para a polarização de dielétricos. Os principais são orientação e polarização de deformação. A polarização orientacional ou dipolo ocorre no caso de dielétricos polares constituídos por moléculas nas quais os centros de distribuição de cargas positivas e negativas não coincidem. Essas moléculas são dipolos elétricos microscópicos - uma combinação neutra de duas cargas, iguais em magnitude e de sinal oposto, localizadas a alguma distância uma da outra. Por exemplo, uma molécula de água, bem como moléculas de vários outros dielétricos (H2S, NO2, etc.) têm um momento dipolar. Na ausência de um campo elétrico externo, os eixos dos dipolos moleculares são orientados aleatoriamente devido ao movimento térmico, de modo que na superfície do dielétrico e em qualquer elemento de volume a carga elétrica é em média zero. Quando um dielétrico é introduzido em um campo externo, ocorre uma orientação parcial dos dipolos moleculares. Como resultado, cargas ligadas macroscópicas não compensadas aparecem na superfície do dielétrico, criando um campo direcionado para o campo externo
Diapositivo 7
A polarização dos dielétricos polares depende fortemente da temperatura, uma vez que o movimento térmico das moléculas desempenha o papel de fator de desorientação. A figura mostra que em um campo externo, forças de direções opostas atuam nos pólos opostos de uma molécula dielétrica polar, que tentam girar a molécula ao longo do vetor de intensidade do campo.
Diapositivo 8
O mecanismo de deformação (ou elástico) se manifesta durante a polarização de dielétricos apolares, cujas moléculas não possuem momento dipolar na ausência de um campo externo. Durante a polarização eletrônica sob a influência de um campo elétrico, as camadas eletrônicas dos dielétricos não polares são deformadas - cargas positivas são deslocadas na direção do vetor e cargas negativas na direção oposta. Como resultado, cada molécula se transforma em um dipolo elétrico, cujo eixo é direcionado ao longo de um campo externo. Cargas ligadas não compensadas aparecem na superfície do dielétrico, criando seu próprio campo direcionado para o campo externo. É assim que ocorre a polarização de um dielétrico apolar. Um exemplo de molécula apolar é a molécula de metano CH4. Nesta molécula, o íon de carbono ionizado quádruplo C4– está localizado no centro de uma pirâmide regular, em cujos vértices existem íons de hidrogênio H+. Quando um campo externo é aplicado, o íon carbono é deslocado do centro da pirâmide e a molécula desenvolve um momento dipolar proporcional ao campo externo.
Diapositivo 9
No caso dos dielétricos cristalinos sólidos, observa-se um tipo de polarização de deformação - a chamada polarização iônica, na qual íons de diferentes sinais que compõem a rede cristalina, quando aplicado um campo externo, são deslocados em direções opostas, como como resultado, cargas ligadas (não compensadas) aparecem nas faces do cristal. Um exemplo de tal mecanismo é a polarização de um cristal de NaCl, no qual os íons Na+ e Cl– formam duas sub-redes aninhadas uma dentro da outra. Na ausência de um campo externo, cada célula unitária de um cristal de NaCl é eletricamente neutra e não possui momento dipolar. Num campo elétrico externo, ambas as sub-redes são deslocadas em direções opostas, ou seja, o cristal é polarizado.
Diapositivo 10
A figura mostra que um campo externo atua sobre uma molécula de dielétrico apolar, movendo cargas opostas em seu interior em diferentes direções, fazendo com que essa molécula se torne semelhante a uma molécula de dielétrico polar, orientada ao longo das linhas de campo. A deformação de moléculas apolares sob a influência de um campo elétrico externo não depende de seu movimento térmico, portanto a polarização de um dielétrico apolar não depende da temperatura.
Diapositivo 11
Fundamentos da teoria de bandas dos sólidos A teoria das bandas é uma das principais seções da teoria quântica dos sólidos, que descreve o movimento dos elétrons nos cristais, e é a base da teoria moderna dos metais, semicondutores e dielétricos. O espectro de energia dos elétrons em um sólido difere significativamente do espectro de energia dos elétrons livres (que é contínuo) ou do espectro de elétrons pertencentes a átomos isolados individuais (discretos com um conjunto específico de níveis disponíveis) - consiste em bandas de energia individuais permitidas separados por faixas de energia proibidas. De acordo com os postulados da mecânica quântica de Bohr, em um átomo isolado a energia de um elétron pode assumir valores estritamente discretos (o elétron tem uma certa energia e está localizado em um dos orbitais).
Diapositivo 12
No caso de um sistema de vários átomos unidos por uma ligação química, os níveis de energia eletrônica são divididos em quantidade proporcional ao número de átomos. A medida da divisão é determinada pela interação conchas eletrônicasátomos. Com um aumento adicional do sistema para o nível macroscópico, o número de níveis torna-se muito grande, e a diferença nas energias dos elétrons localizados em orbitais vizinhos é correspondentemente muito pequena - os níveis de energia são divididos em dois conjuntos discretos quase contínuos - energia zonas.
Diapositivo 13
A mais alta das bandas de energia permitidas em semicondutores e dielétricos, na qual a uma temperatura de 0 K todos os estados de energia são ocupados por elétrons, é chamada de banda de valência, a próxima é a banda de condução. Com base no princípio da disposição relativa dessas zonas, todos os sólidos são divididos em três grandes grupos: condutores - materiais nos quais a banda de condução e a banda de valência se sobrepõem (não há gap de energia), formando uma zona chamada banda de condução (portanto , o elétron pode se mover livremente entre eles, tendo recebido qualquer energia permissivelmente baixa); dielétricos - materiais em que as zonas não se sobrepõem e a distância entre elas é superior a 3 eV (para transferir um elétron da banda de valência para a banda de condução é necessária uma energia significativa, portanto os dielétricos praticamente não conduzem corrente); semicondutores - materiais nos quais as bandas não se sobrepõem e a distância entre elas (band gap) fica na faixa de 0,1–3 eV (para transferir um elétron da banda de valência para a banda de condução, é necessária menos energia do que para um dielétrico, portanto, semicondutores puros são fracamente condutores).
Diapositivo 14
O band gap (o gap de energia entre as bandas de valência e de condução) é uma quantidade chave na teoria das bandas e determina as propriedades ópticas e elétricas de um material. A transição de um elétron da banda de valência para a banda de condução é chamada de processo de geração de portadores de carga (negativo - elétron e positivo - buraco), e a transição reversa é chamada de processo de recombinação.
Diapositivo 15
Semicondutores são substâncias cujo band gap é da ordem de vários elétron-volts (eV). Por exemplo, o diamante pode ser classificado como um semicondutor de intervalo largo e o arsenieto de índio pode ser classificado como um semicondutor de intervalo estreito. Os semicondutores incluem muitos elementos químicos(germânio, silício, selênio, telúrio, arsênico e outros), um grande número de ligas e compostos químicos (arsenieto de gálio, etc.). O semicondutor mais comum na natureza é o silício, constituindo quase 30% da crosta terrestre. Um semicondutor é um material que, em termos de sua condutividade específica, ocupa uma posição intermediária entre condutores e dielétricos e difere dos condutores pela forte dependência da condutividade específica da concentração de impurezas, temperatura e exposição a diversos tipos de radiação. A principal propriedade de um semicondutor é o aumento da condutividade elétrica com o aumento da temperatura.
Diapositivo 16
Os semicondutores são caracterizados pelas propriedades dos condutores e dielétricos. Em cristais semicondutores, os elétrons precisam de cerca de 1-2·10−19 J (aproximadamente 1 eV) de energia para serem liberados de um átomo versus 7-10·10−19 J (aproximadamente 5 eV) para dielétricos, o que caracteriza a principal diferença entre semicondutores e dielétricos. Essa energia aparece neles à medida que a temperatura aumenta (por exemplo, à temperatura ambiente, o nível de energia do movimento térmico dos átomos é 0,4·10−19 J), e os elétrons individuais recebem energia para serem separados do núcleo. Eles deixam seus núcleos, formando elétrons e lacunas livres. Com o aumento da temperatura, o número de elétrons livres e lacunas aumenta, portanto, em um semicondutor que não contém impurezas, a resistividade elétrica diminui. Convencionalmente, elementos com energia de ligação de elétrons inferior a 2-3 eV são considerados semicondutores. O mecanismo de condutividade elétron-buraco se manifesta em semicondutores nativos (isto é, sem impurezas). É chamada de condutividade elétrica intrínseca dos semicondutores.
Diapositivo 17
A probabilidade de transição de elétrons da banda de valência para a banda de condução é proporcional a (-Eg/kT), onde Eg é o band gap. Com um valor grande de Eg (2-3 eV), essa probabilidade acaba sendo muito pequena. Assim, a divisão das substâncias em metais e não metais tem uma base bem definida. Em contraste, a divisão dos não-metais em semicondutores e dielétricos não tem tal base e é puramente condicional.
Diapositivo 18
Condutividade intrínseca e de impureza Os semicondutores nos quais elétrons livres e “buracos” aparecem durante a ionização dos átomos a partir dos quais todo o cristal é construído são chamados de semicondutores com condutividade intrínseca. Em semicondutores com condutividade intrínseca, a concentração de elétrons livres é igual à concentração de “buracos”. Condutividade de impurezas Cristais com condutividade de impurezas são frequentemente usados para criar dispositivos semicondutores. Tais cristais são feitos pela introdução de impurezas com átomos de um elemento químico pentavalente ou trivalente.
Diapositivo 19
Semicondutores eletrônicos (tipo n) O termo "tipo n" vem da palavra "negativo", que se refere à carga negativa dos portadores majoritários. Uma impureza de um semicondutor pentavalente (por exemplo, arsênico) é adicionada a um semicondutor tetravalente (por exemplo, silício). Durante a interação, cada átomo de impureza entra em uma ligação covalente com átomos de silício. No entanto, não há lugar para o quinto elétron do átomo de arsênio nas ligações de valência saturadas, e ele se rompe e fica livre. Nesse caso, a transferência de carga é realizada por um elétron e não por um buraco, ou seja, esse tipo de semicondutor conduz corrente elétrica como os metais. As impurezas que são adicionadas aos semicondutores, fazendo com que se tornem semicondutores do tipo n, são chamadas de impurezas doadoras.
Diapositivo 20
Semicondutores de furo (tipo p) O termo “tipo p” vem da palavra “positivo”, que denota a carga positiva dos portadores majoritários. Este tipo de semicondutor, além da base de impurezas, é caracterizado pela natureza perfurada da condutividade. Uma pequena quantidade de átomos de um elemento trivalente (como o índio) é adicionada a um semicondutor tetravalente (como o silício). Cada átomo de impureza estabelece uma ligação covalente com três átomos de silício vizinhos. Para estabelecer uma ligação com o quarto átomo de silício, o átomo de índio não possui um elétron de valência, então ele captura um elétron de valência da ligação covalente entre átomos de silício vizinhos e se torna um íon carregado negativamente, resultando na formação de um buraco. As impurezas adicionadas neste caso são chamadas de impurezas aceitadoras.
Diapositivo 21
Diapositivo 22
Propriedades físicas os semicondutores são os mais estudados em comparação com metais e dielétricos. Em grande medida, isso é facilitado por um grande número de efeitos que não podem ser observados em nenhuma substância ou outra, principalmente relacionados à estrutura da banda dos semicondutores e à presença de um band gap bastante estreito. Os compostos semicondutores são divididos em vários tipos: materiais semicondutores simples - os próprios elementos químicos: boro B, carbono C, germânio Ge, silício Si, selênio Se, enxofre S, antimônio Sb, telúrio Te e iodo I. Germânio, silício e selênio. O restante é mais frequentemente usado como dopantes ou como componentes de materiais semicondutores complexos. O grupo de materiais semicondutores complexos inclui compostos químicos que possuem propriedades semicondutoras e incluem dois, três ou mais elementos químicos. É claro que o principal incentivo para o estudo de semicondutores é a produção de dispositivos semicondutores e circuitos integrados.
Diapositivo 23
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1. Na ausência de um campo externo, as partículas são distribuídas dentro da substância de tal forma que o campo elétrico que elas criam é zero. 2. Na presença de um campo externo, ocorre uma redistribuição das partículas carregadas e surge o campo elétrico próprio da substância, que consiste no campo E0 externo e no E/ interno criado pelas partículas carregadas da substância? Quais substâncias são chamadas de condutores? 3. Condutores -
- substâncias com presença de cargas livres que participam do movimento térmico e podem se mover por todo o volume do condutor
- 4. Na ausência de campo externo no condutor, a carga livre “-” é compensada pela carga “+” da rede iônica. Em um campo elétrico, ocorre redistribuição cobranças gratuitas, como resultado do aparecimento de cargas “+” e “-” não compensadas em sua superfície
- Este processo é chamado indução eletrostática, e as cargas que aparecem na superfície do condutor são taxas de indução.
- 8. Não existem cargas elétricas gratuitas em dielétricos (isoladores). Eles consistem em átomos ou moléculas neutras. Partículas carregadas em um átomo neutro estão ligadas umas às outras e não podem se mover sob a influência de um campo elétrico em todo o volume do dielétrico.
- Água, álcool,
- óxido nítrico (4)
- gases inertes, oxigênio, hidrogênio, benzeno, polietileno.
- A) Energia potencial das cargas
- B) Energia cinética das cargas
- B) zero
- A) São substâncias nas quais partículas carregadas não podem se mover sob a influência de um campo elétrico.
- B) São substâncias nas quais partículas carregadas podem se mover sob a influência de um campo elétrico.
- A) Este é um deslocamento de cargas ligadas positivas e negativas do dielétrico em direções opostas
- B) Este é um deslocamento de cargas ligadas positivas e negativas do dielétrico em uma direção
- B) Este é o arranjo das cargas positivas e negativas do dielétrico no meio
- A) dentro do condutor
- B) Em sua superfície
- 8. Dielétricos não polares são dielétricos nos quais os centros de distribuição de cargas positivas e negativas...
- A) O fato de o campo elétrico dentro do condutor ser máximo.
- B) no fato de não haver campo elétrico dentro do condutor
- A) Este é um sistema de cargas com carga positiva
- B) Este é um sistema de cobranças com carga negativa
- B) Este é um sistema neutro de cobranças
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Diapositivo 1
Condutores são substâncias nas quais existem muitas partículas carregadas livres. Por exemplo, nos metais, esses são os elétrons da camada externa, que estão muito fracamente conectados aos núcleos dos átomos e, portanto, na verdade pertencem ao condutor metálico como um todo. Este é o chamado gás de elétrons. É precisamente devido à presença de partículas carregadas que podem se mover livremente por todo o volume de um condutor metálico que não existe campo elétrico no interior dos metais. Também não há campo elétrico em outros condutores. Considere o campo elétrico dentro de um condutor metálico....
Diapositivo 2
Diapositivo 3
Porque E0 = E1, então E = E0-E1= 0 Não há campo elétrico dentro do condutor
Diapositivo 4
Quando as cargas estão em equilíbrio, não há campo elétrico dentro do condutor e as cargas estão localizadas em sua superfície.
Diapositivo 5
Dielétricos
São substâncias que não possuem partículas carregadas livres em seu interior. É necessário distinguir entre dielétricos polares, nos quais o centro da carga positiva e negativa não coincide. Em dielétricos apolares, o centro das cargas positiva e negativa coincide. Num campo elétrico, qualquer dielétrico torna-se polar.
Diapositivo 6
Dipolo
Este é um sistema de duas cargas opostas conectadas, em que o centro da carga positiva e negativa não coincide. Um dipolo colocado em um campo elétrico está sujeito a um torque, fazendo com que ele se oriente ao longo do campo. M=F٠L, onde L é a distância entre os centros das cargas ligadas.
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