Prezentare pe tema conductorilor și dielectricilor. Prezentare pe tema „Conductoare într-un câmp electric”. Există electroni liberi
Conductori într-un câmp electric Sarcini libere - particule încărcate de același semn, capabile să se miște sub influență câmp electric Sarcinile legate sunt sarcini opuse care fac parte din atomi (sau molecule) care nu se pot mișca sub influența unui câmp electric independent unele de altele. substante conductori dielectrici semiconductori
Orice mediu slăbește puterea câmpului electric
Caracteristicile electrice ale unui mediu sunt determinate de mobilitatea particulelor încărcate din acesta
Conductor: metale, soluții de săruri, acizi, aer umed, plasmă, corp uman
Acesta este un corp care conține o cantitate suficientă de liber sarcini electrice, capabil să se deplaseze sub influența unui câmp electric.
Dacă introduceți un conductor neîncărcat într-un câmp electric, purtătorii de sarcină încep să se miște. Ele sunt distribuite astfel încât câmpul electric pe care îl creează să fie opus câmpului extern, adică câmpul din interiorul conductorului va fi slăbit. Sarcinile vor fi redistribuite până când sunt îndeplinite condițiile pentru echilibrul sarcinilor pe conductor, adică:
un conductor neutru introdus într-un câmp electric rupe liniile de tensiune. Ele se termină la sarcini induse negative și încep la pozitive
Fenomenul de separare spațială a sarcinilor se numește inducție electrostatică. Câmpul propriu al sarcinilor induse compensează câmpul extern din interiorul conductorului cu un grad ridicat de precizie.
Dacă conductorul are o cavitate internă, atunci câmpul va fi absent în interiorul cavității. Această împrejurare este utilizată la organizarea protecției echipamentelor împotriva câmpurilor electrice.
Electrificarea unui conductor într-un câmp electrostatic extern prin separarea sarcinilor pozitive și negative deja prezente în acesta în cantități egale se numește fenomen de inducție electrostatică, iar sarcinile redistribuite în sine se numesc induse. Acest fenomen poate fi folosit pentru a electriza conductoarele neîncărcate.
Un conductor neîncărcat poate fi electrificat prin contact cu un alt conductor încărcat.
Distribuția sarcinilor pe suprafața conductorilor depinde de forma acestora. La puncte se observă densitatea maximă de încărcare, iar în interiorul adânciturii se reduce la minimum.
Proprietatea sarcinilor electrice de a se concentra în stratul de suprafață al unui conductor și-a găsit aplicație pentru obținerea unor diferențe de potențial semnificative prin metoda electrostatică. În fig. este prezentată o diagramă a unui generator electrostatic utilizat pentru a accelera particulele elementare.
Un conductor sferic 1 de diametru mare este amplasat pe o coloană izolatoare 2. O bandă dielectrică închisă 3 se deplasează în interiorul coloanei, antrenând tamburi 4. De la un generator de înaltă tensiune, o sarcină eclectică este transmisă printr-un sistem de conductoare ascuțite 5 către bandă, pe partea din spate a benzii se află placa de împământare 6. Încărcările de pe bandă sunt îndepărtate printr-un sistem de puncte 7 și curg pe sfera conducătoare. Sarcina maximă care se poate acumula pe o sferă este determinată de scurgerea de pe suprafața conductorului sferic. În practică, cu generatoare de design similar, cu un diametru al sferei de 10–15 m, este posibil să se obțină o diferență de potențial de ordinul a 3–5 milioane de volți. Pentru a crește sarcina sferei, întreaga structură este uneori plasată într-o cutie umplută cu gaz comprimat, ceea ce reduce intensitatea ionizării.
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
Slide 2
Conductori și dielectrici într-un câmp electric Particulele încărcate care se pot mișca liber într-un câmp electric se numesc sarcini libere, iar substanțele care le conțin se numesc conductoare. Conductorii sunt metale, soluții lichide și electroliți topiți. Sarcinile libere dintr-un metal sunt electronii învelișurilor exterioare ale atomilor care și-au pierdut contactul cu ei. Acești electroni, numiți electroni liberi, se pot mișca liber prin corpul metalic în orice direcție. În condiții electrostatice, adică atunci când sarcinile electrice sunt staționare, intensitatea câmpului electric din interiorul conductorului este întotdeauna zero. Într-adevăr, dacă presupunem că există încă un câmp în interiorul conductorului, atunci sarcinile libere aflate în acesta vor fi acționate de forțe electrice proporționale cu puterea câmpului, iar aceste sarcini vor începe să se miște, ceea ce înseamnă că câmpul va înceta să mai funcționeze. fie electrostatic. Astfel, în interiorul conductorului nu există câmp electrostatic.
Slide 3
Substanțele care nu au încărcături libere se numesc dielectrice sau izolatori. Exemplele de dielectrice includ diverse gaze, unele lichide (apă, benzină, alcool etc.), precum și multe solide (sticlă, porțelan, plexiglas, cauciuc etc.). Există două tipuri de dielectrici - polari și nepolari. Într-o moleculă dielectrică polară, sarcinile pozitive sunt localizate predominant într-o parte a acesteia (polul „+”), iar sarcinile negative se găsesc în cealaltă (polul „-”). Într-un dielectric nepolar, sarcinile pozitive și negative sunt distribuite egal în întreaga moleculă. Momentul dipol electric este o mărime fizică vectorială care caracterizează proprietățile electrice ale unui sistem de particule încărcate (distribuția sarcinii) în sensul câmpului pe care îl creează și al acțiunii câmpurilor externe asupra acestuia. Cel mai simplu sistem de sarcini care are un anumit moment dipol (independent de alegerea originii) diferit de zero este un dipol (particule cu două puncte cu sarcini opuse de aceeași dimensiune)
Slide 4
Valoarea absolută a momentului dipolului electric al unui dipol este egală cu produsul dintre mărimea sarcinii pozitive și distanța dintre sarcini și este direcționată de la sarcina negativă la cea pozitivă, sau: unde q este mărimea sarcinilor , l este un vector cu începutul în sarcină negativă și sfârșitul în pozitiv. Pentru un sistem de N particule, momentul dipolului electric este: Unitățile de sistem pentru momentul dipolului electric nu au un nume special. În SI este pur și simplu Kl·m. Momentul dipol electric al moleculelor se măsoară de obicei în debye: 1 D = 3,33564·10−30 C m.
Slide 5
Polarizare dielectrică. Când un dielectric este introdus într-un câmp electric extern, în el are loc o anumită redistribuire a sarcinilor care alcătuiesc atomii sau moleculele. Ca urmare a unei astfel de redistribuiri, pe suprafața probei dielectrice apar sarcini legate necompensate în exces. Toate particulele încărcate care formează sarcini legate macroscopice sunt încă parte din atomii lor. Sarcinile legate creează un câmp electric, care în interiorul dielectricului este direcționat opus vectorului intensității câmpului extern. Acest proces se numește polarizare dielectrică. Ca urmare, câmpul electric total din interiorul dielectricului se dovedește a fi mai mic decât câmpul extern în valoare absolută. O mărime fizică egală cu raportul dintre modulul intensității câmpului electric extern în vid E0 și modulul intensității câmpului total într-un dielectric E omogen se numește constanta dielectrică a substanței:
Slide 6
Există mai multe mecanisme de polarizare a dielectricilor. Principalele sunt polarizarea de orientare și deformare. Polarizarea orientativă sau dipolară apare în cazul dielectricilor polari formați din molecule în care centrele de distribuție a sarcinilor pozitive și negative nu coincid. Astfel de molecule sunt dipoli electrici microscopici - o combinație neutră de două sarcini, egale ca mărime și cu semn opus, situate la o anumită distanță una de cealaltă. De exemplu, o moleculă de apă, precum și moleculele unui număr de alți dielectrici (H2S, NO2 etc.) au un moment dipol. În absența unui câmp electric extern, axele dipolilor moleculari sunt orientate aleatoriu datorită mișcării termice, astfel încât pe suprafața dielectricului și în orice element de volum sarcina electrică este în medie nulă. Când un dielectric este introdus într-un câmp extern, are loc o orientare parțială a dipolilor moleculari. Ca urmare, pe suprafața dielectricului apar sarcini legate macroscopice necompensate, creând un câmp îndreptat către câmpul extern.
Slide 7
Polarizarea dielectricilor polari depinde în mare măsură de temperatură, deoarece mișcarea termică a moleculelor joacă rolul unui factor de dezorientare. Figura arată că într-un câmp extern, forțe direcționate opus acționează asupra polilor opuși ai unei molecule dielectrice polare, care încearcă să rotească molecula de-a lungul vectorului intensității câmpului.
Slide 8
Mecanismul de deformare (sau elastic) se manifestă în timpul polarizării dielectricilor nepolari, ale căror molecule nu posedă un moment dipol în absența unui câmp extern. În timpul polarizării electronice sub influența unui câmp electric, învelișurile electronice ale dielectricilor nepolari sunt deformate - sarcinile pozitive sunt deplasate în direcția vectorului și sarcinile negative în direcția opusă. Ca rezultat, fiecare moleculă se transformă într-un dipol electric, a cărui axă este îndreptată de-a lungul câmpului extern. Pe suprafața dielectricului apar sarcini legate necompensate, creând propriul lor câmp îndreptat către câmpul exterior. Așa are loc polarizarea unui dielectric nepolar. Un exemplu de moleculă nepolară este molecula de metan CH4. În această moleculă, ionul de carbon ionizat cvadruplu C4– este situat în centrul unei piramide regulate, la vârfurile căreia se află ioni de hidrogen H+. Când se aplică un câmp extern, ionul de carbon este deplasat din centrul piramidei, iar molecula dezvoltă un moment dipol proporțional cu câmpul extern.
Slide 9
În cazul dielectricilor cristalini solizi se observă un tip de polarizare de deformare - așa-numita polarizare ionică, în care ionii de semne diferite care alcătuiesc rețeaua cristalină, atunci când se aplică un câmp exterior, sunt deplasați în direcții opuse, ca rezultatul căruia pe fețele cristalului apar sarcini legate (necompensate). Un exemplu de astfel de mecanism este polarizarea unui cristal de NaCl, în care ionii Na+ și Cl– formează două subrețele imbricate una în cealaltă. În absența unui câmp extern, fiecare celulă unitară a unui cristal de NaCl este neutră din punct de vedere electric și nu are un moment dipol. Într-un câmp electric extern, ambele subrețele sunt deplasate în direcții opuse, adică cristalul este polarizat.
Slide 10
Figura arată că un câmp extern acționează asupra unei molecule a unui dielectric nepolar, mișcând sarcini opuse în interiorul acesteia în direcții diferite, drept urmare această moleculă devine similară cu o moleculă a unui dielectric polar, orientată de-a lungul liniilor de câmp. Deformarea moleculelor nepolare sub influența unui câmp electric extern nu depinde de mișcarea lor termică, prin urmare polarizarea unui dielectric nepolar nu depinde de temperatură.
Slide 11
Fundamentele teoriei benzilor solide Teoria benzilor este una dintre principalele secțiuni ale teoriei cuantice a solidelor, care descrie mișcarea electronilor în cristale și stă la baza teoriei moderne a metalelor, semiconductorilor și dielectricilor. Spectrul de energie al electronilor dintr-un solid diferă semnificativ de spectrul de energie al electronilor liberi (care este continuu) sau spectrul de electroni aparținând atomilor individuali izolați (discret cu un set specific de niveluri disponibile) - constă din benzi individuale de energie permise separate prin benzi de energie interzise. Conform postulatelor mecanicii cuantice ale lui Bohr, într-un atom izolat energia unui electron poate lua valori strict discrete (electronul are o anumită energie și este situat într-unul dintre orbitali).
Slide 12
În cazul unui sistem de mai mulți atomi uniți printr-o legătură chimică, nivelurile de energie electronică sunt împărțite într-o cantitate proporțională cu numărul de atomi. Măsura divizării este determinată de interacțiune carcase electronice atomi. Odată cu o creștere suplimentară a sistemului până la nivel macroscopic, numărul de niveluri devine foarte mare, iar diferența de energii ale electronilor localizați în orbitalii vecini este în mod corespunzător foarte mică - nivelurile de energie sunt împărțite în două seturi discrete aproape continue - energia zone.
Slide 13
Cea mai mare dintre benzile de energie permise în semiconductori și dielectrici, în care la o temperatură de 0 K toate stările de energie sunt ocupate de electroni, se numește banda de valență, următoarea este banda de conducție. Pe baza principiului aranjamentului relativ al acestor zone, toate solidele sunt împărțite în trei grupe mari: conductori - materiale în care banda de conducție și banda de valență se suprapun (nu există decalaj energetic), formând o zonă numită bandă de conducție (astfel). , electronul se poate mișca liber între ele, după ce a primit orice energie admisibil scăzută); dielectrice - materiale în care zonele nu se suprapun și distanța dintre ele este mai mare de 3 eV (pentru a transfera un electron din banda de valență în banda de conducție, este necesară o energie semnificativă, astfel încât dielectricii practic nu conduc curentul); semiconductori - materiale în care benzile nu se suprapun, iar distanța dintre ele (band gap) se află în intervalul 0,1–3 eV (pentru a transfera un electron din banda de valență în banda de conducție, este necesară mai puțină energie decât pentru un dielectric, prin urmare semiconductorii puri sunt slab conductivi).
Slide 14
Gap-ul de bandă (decalajul de energie dintre benzile de valență și de conducere) este o mărime cheie în teoria benzilor și determină proprietățile optice și electrice ale unui material. Tranziția unui electron de la banda de valență la banda de conducție se numește procesul de generare a purtătorilor de sarcină (negativ - electron și pozitiv - gaură), iar tranziția inversă se numește proces de recombinare.
Slide 15
Semiconductorii sunt substanțe a căror bandă interzisă este de ordinul mai multor electroni volți (eV). De exemplu, diamantul poate fi clasificat ca semiconductor cu decalaj larg, iar arseniura de indiu poate fi clasificată ca semiconductor cu decalaj îngust. Semiconductoarele includ multe elemente chimice(germaniu, siliciu, seleniu, telur, arsen și altele), un număr mare de aliaje și compuși chimici (arseniură de galiu etc.). Cel mai comun semiconductor din natură este siliciul, alcătuind aproape 30% din scoarța terestră. Un semiconductor este un material care, din punct de vedere al conductivității sale specifice, ocupă o poziție intermediară între conductori și dielectrici și se deosebește de conductori prin dependența puternică a conductivității specifice de concentrația de impurități, temperatură și expunerea la diferite tipuri de radiații. Principala proprietate a unui semiconductor este o creștere a conductibilității electrice odată cu creșterea temperaturii.
Slide 16
Semiconductorii se caracterizează atât prin proprietățile conductorilor, cât și prin dielectrici. În cristalele semiconductoare, electronii au nevoie de aproximativ 1-2 10−19 J (aproximativ 1 eV) de energie pentru a fi eliberați dintr-un atom față de 7-10 10−19 J (aproximativ 5 eV) pentru dielectrici, care caracterizează principala diferență dintre semiconductori. și dielectrice. Această energie apare în ele pe măsură ce temperatura crește (de exemplu, la temperatura camerei, nivelul de energie al mișcării termice a atomilor este de 0,4·10−19 J), iar electronii individuali primesc energie pentru a fi separați de nucleu. Își părăsesc nucleele, formând electroni liberi și găuri. Odată cu creșterea temperaturii, numărul de electroni liberi și găuri crește, prin urmare, într-un semiconductor care nu conține impurități, rezistivitatea electrică scade. În mod convențional, elementele cu o energie de legare a electronilor mai mică de 2-3 eV sunt considerate semiconductori. Mecanismul de conductivitate electron-gaura se manifestă în semiconductori nativi (adică fără impurități). Se numește conductivitatea electrică intrinsecă a semiconductorilor.
Slide 17
Probabilitatea tranziției electronilor de la banda de valență la banda de conducție este proporțională cu (-Eg/kT), unde Eg este banda interzisă. La o valoare mare de Eg (2-3 eV), această probabilitate se dovedește a fi foarte mică. Astfel, împărțirea substanțelor în metale și nemetale are o bază foarte definită. În schimb, împărțirea nemetalelor în semiconductori și dielectrici nu are o astfel de bază și este pur condiționată.
Slide 18
Conductivitatea intrinsecă și a impurităților Semiconductorii în care apar electroni liberi și „găuri” în timpul ionizării atomilor din care este construit întregul cristal se numesc semiconductori cu conductivitate intrinsecă. În semiconductori cu conductivitate intrinsecă, concentrația de electroni liberi este egală cu concentrația de „găuri”. Conductivitate la impurități Cristalele cu conductivitate la impurități sunt adesea folosite pentru a crea dispozitive semiconductoare. Astfel de cristale sunt realizate prin introducerea de impurități cu atomi ai unui element chimic pentavalent sau trivalent
Slide 19
Semiconductori electronici (n-tip) Termenul „n-tip” provine de la cuvântul „negativ”, care se referă la sarcina negativă a purtătorilor majoritari. O impuritate a unui semiconductor pentavalent (de exemplu, arsen) este adăugată unui semiconductor tetravalent (de exemplu, siliciu). În timpul interacțiunii, fiecare atom de impuritate intră într-o legătură covalentă cu atomii de siliciu. Cu toate acestea, nu există loc pentru al cincilea electron al atomului de arsen în legăturile de valență saturate și se rupe și devine liber. În acest caz, transferul de sarcină este efectuat de un electron, nu de o gaură, adică acest tip de semiconductor conduce curentul electric ca metalele. Impuritățile care sunt adăugate la semiconductori, determinându-i să devină semiconductori de tip n, sunt numite impurități donatoare.
Slide 20
Semiconductori de gaură (tip p) Termenul „tip p” provine de la cuvântul „pozitiv”, care desemnează sarcina pozitivă a purtătorilor majoritari. Acest tip de semiconductor, în plus față de baza de impurități, se caracterizează prin natura găurii a conductibilității. La un semiconductor tetravalent (cum ar fi siliciul) se adaugă o cantitate mică de atomi ai unui element trivalent (cum ar fi indiul). Fiecare atom de impuritate stabilește o legătură covalentă cu trei atomi de siliciu învecinați. Pentru a stabili o legătură cu al patrulea atom de siliciu, atomul de indiu nu are un electron de valență, așa că preia un electron de valență din legătura covalentă dintre atomii de siliciu vecini și devine un ion încărcat negativ, rezultând formarea unei găuri. Impuritățile care sunt adăugate în acest caz se numesc impurități acceptoare.
Slide 21
Slide 22
Proprietăți fizice semiconductorii sunt cei mai studiati în comparație cu metalele și dielectricii. În mare măsură, acest lucru este facilitat de un număr mare de efecte care nu pot fi observate nici într-o substanță, nici în alta, legate în primul rând de structura structurii de bandă a semiconductorilor și de prezența unui interval de bandă destul de îngust. Compușii semiconductori sunt împărțiți în mai multe tipuri: materiale semiconductoare simple - elementele chimice în sine: bor B, carbon C, germaniu Ge, siliciu Si, seleniu Se, sulf S, antimoniu Sb, teluriu Te și iod I. Germaniu, siliciu și seleniu. Restul sunt folosite cel mai adesea ca dopanți sau ca componente ale materialelor semiconductoare complexe. Grupul de materiale semiconductoare complexe include compuși chimici care au proprietăți semiconductoare și includ două, trei sau mai multe elemente chimice.
Desigur, principalul stimulent pentru studierea semiconductorilor este producția de dispozitive semiconductoare și circuite integrate.
Slide 23
Vă mulțumim pentru atenție!
Vizualizați toate diapozitivele 1. În absența unui câmp extern, particulele sunt distribuite în interiorul substanței în așa fel încât câmpul electric pe care îl creează să fie egal cu zero.
- 2. În prezența unui câmp extern, are loc o redistribuire a particulelor încărcate și apare un câmp electric propriu al unei substanțe, care constă din câmpul extern E0 și E/ intern creat de particulele încărcate ale substanței? Ce substanțe se numesc conductoare?
- 3. Conductoare - substanțe cu prezența sarcinilor libere care participă la mișcarea termică și se pot deplasa pe întregul volum al conductorului 4. În absența unui câmp extern în conductor, sarcina liberă „-” este compensată de sarcina „+” a rețelei ionice. Într-un câmp electric, are loc redistribuire
- taxe gratuite , ca urmare a faptului că pe suprafața sa apar sarcini necompensate „+” și „-”. Acest proces se numește inducție electrostatică.
- ? Ce substanțe se numesc dielectrice?
- constând din molecule în care se încarcă centrele de distribuție „+” și „-”.
- nu se potrivesc.
- Dielectrice nepolare
- meci.
- 17. Pe suprafața dielectricului apar sarcini legate necompensate, creând propriul câmp E/ îndreptat către câmpul extern E0
- Polarizarea unui dielectric nepolar 18. Exemple de dielectrici nepolar:
- A) Acestea sunt substanțe în care particulele încărcate nu se pot mișca sub influența unui câmp electric.
- B) Acestea sunt substanțe în care particulele încărcate se pot deplasa sub influența unui câmp electric.
- A) Aceasta este o deplasare a sarcinilor legate pozitive și negative ale dielectricului în direcții opuse
- B) Aceasta este o deplasare a sarcinilor legate pozitive și negative ale dielectricului într-o direcție
- B) Acesta este aranjamentul sarcinilor pozitive și negative ale dielectricului în mijloc
- A) în interiorul conductorului
- B) Pe suprafața sa
- 8. Dielectricii nepolari sunt dielectrici în care centrele de distribuție a sarcinilor pozitive și negative...
- A) Faptul că câmpul electric din interiorul conductorului este maxim.
- A) Faptul că câmpul electric din interiorul conductorului este maxim.
- 10. Ce este un dipol?
- A) Acesta este un sistem de sarcini încărcat pozitiv
- B) Acesta este un sistem de sarcini încărcat negativ
B) Acesta este un sistem neutru de sarcini
Slide 1
Slide 2
Slide 3
Conductorii sunt substanțe în care există multe particule încărcate libere. De exemplu, în metale aceștia sunt electronii învelișului exterior, care sunt conectați foarte slab cu nucleele atomilor și, prin urmare, aparțin de fapt conductorului metalic în ansamblu. Acesta este așa-numitul gaz de electroni. Tocmai datorită prezenței particulelor încărcate care se pot mișca liber în întregul volum al unui conductor metalic, nu există câmp electric în interiorul metalelor. Nici în alți conductori nu există câmp electric. Luați în considerare câmpul electric din interiorul unui conductor metalic......
Slide 4
Deoarece E0 = E1, atunci E = E0-E1= 0 Nu există câmp electric în interiorul conductorului
Slide 5
Când sarcinile sunt în echilibru, nu există câmp electric în interiorul conductorului, iar sarcinile sunt situate pe suprafața acestuia.
Dielectrice
Slide 6
Acestea sunt substanțe care nu au particule încărcate liber în interiorul lor. Este necesar să se facă distincția între dielectricii polari, în care centrul sarcinii pozitive și negative nu coincide. În dielectricii nepolari, centrul sarcinii pozitive și negative coincide. Într-un câmp electric, orice dielectric devine polar.
Acesta este un sistem de două sarcini opuse conectate, în care centrul sarcinii pozitive și negative nu coincide. Un dipol plasat într-un câmp electric este supus unui cuplu, determinându-l să se orienteze de-a lungul câmpului. M=F٠L, unde L este distanța dintre centrele sarcinilor legate.
