Własności elektryczne i magnetyczne materii
1) Stan skupienia ciała stałe, (ciecze i gazy)
2) Prąd stały (DC) - prąd zmienny (AC)
Przepływ prądu DC w ciele stałym ® przewodnictwo elektronowe
Bateria – źródło siły elektromotorycznej (SEM)
® [I] = A
SEM - x
x = DV = R*I ® [V] = [x] = V ® prawo Ohma
R – opór elektryczny ® [R] = W
Ciało stałe ® opór elektryczny zależy od wymiarów i materiału przewodnika
rR – opór właściwy ® [rR] = Wm
3 rodzaje substancji
1) Przewodniki (metale: Cu, Al, Fe) – ~(10-8 – 10-6) Wm
2) Półprzewodniki (Si, Ge) – ~(10-6 – 1010) Wm
3) Izolatory (szkło, polistyren) – ~(1011 – 1018) Wm
Przewodność S - odwrotność oporu elektrycznego
[S] = - siemens
Przewodność właściwa sR ® [sR]=
Mikroskopowa interpretacja przewodnictwa ciał stałych – układ poziomów energetycznych
1) DE = 0 – przewodnik
2) 0 < DE < 2 eV – półprzewodnik (Si – 1.1 eV, Ge – 0.72 eV)
3) DE > 2 eV - izolator
Uwaga:
Nadprzewodnictwo – elektrony łącza się w pary (pary Coopera) i praktycznie poruszają się przewodniku bez oddziaływania z siecią. Warunek powstawania par – temperatura ~10 K – ciekły He – nadprzewodnictwo wysokotemparaturowe (~100 K) - magnesy naprzewodzące wykorzystywane w tomografii rezonansu magnetycznego
Łączenie oporów
1) Rtot = R1 + R2 + ... + Rn =
2) ® ® Rtot = 13.6 W
Praca i moc prądu DC
Ładunek q ® praca = DV*q ® moc (P) = praca/czas
P =
Przewodnictwo jonowe (ciecze i gazy)
Dysocjacja elektrolityczna (ciecze)
W elektrolicie następuje przepływ zarówno jonów dodatnich jak i ujemnych
Gęstość prądu (prąd/powierzchnia) j =
j = j+ + j-
Pole elektryczne między elektrodami ® E
Prawo Ohma dla roztworów elektrolitów (Dodatek 1)
j = sR*E
sR - przewodność właściwa elektrolitu
Opór właściwy elektrolitu - 1/sR
Opór właściwy (Wm)
NaCl (25%) – 4.7*10-2
Czysta woda - 106
Mięsień – ~0.9
Wątroba - ~1.3
Skóra - ~(1.6 – 4.8)
Płyny ustrojowe są względnie dobrymi przewodnikami
Pasmo przewodnictwa i pasmo walencyjne (N1 i N2 elektronów) ® wzór Boltzmanna
DE = 0.72 eV (german), kT = 0.025 eV
N1/N2 » exp(-29) << 1
Przewodnictwo samoistne półprzewodników jest bardzo małe
Małe przewodnictwo samoistne jest wykorzystywane do
1) Konstrukcji fotodiod – wzbudzam elektrony do pasma przewodnictwa bombardując półprzewodnik promieniowaniem elektromagnetycznym o energii kwantów > 2 eV (światło czerwone) - liczba wzbudzonych elektronów i płynący prąd jest proporcjonalna do liczby padających kwantów – detektory światła - kamera CCD
2) Mierników temperatury (termistorów) - wzrost przewodności (spadek oporu) w miarę wzrostu temperatury
Dla metali opór rośnie z temperaturą
Półprzewodniki domieszkowane
German (4 elektrony walencyjne) domieszkowany arsenem lub galem
As – 5 elektronów walencyjnych
Ga – 3 elektrony walencyjne
DE dla As » 0.05 eV
Półprzewodniki donorowe (przewodnictwo elektronowe) – półprzewodniki typu n (negative) – Ge domieszkowany As, P, Sb – atomy 5-ej grupy układu okresowego
Półprzewodniki akceptorowe (przewodnictwo dziurowe) – półprzewodniki typu p (positive) – Ge domieszkowany Ga, B, Al, In – atomy 3-ej grupy układu okresowego
Elementy półprzewodnikowe – łączenie różnych typów materiałów półprzewodnikowych
Izolatory
Pole elektryczne – działanie sił elektrycznych przy ładunkach odległych o pewien dystans
E = ® F = E*q2
e0 – przenikalność elektryczna próżni ® wielkość stała
® [e0] = C2/N*m2
Prawo Coulomba
Układ CGS elektrostatyczny (Gaussa) – definicja jednostki ładunku z powyższego wzoru ® e0 = 1
Układ SI – [ładunek] = C = A*s ® aby otrzymać siłę w N muszę wprowadzić do wzoru stałą 4pe0
Pojawienie się we wzorach dotyczących fizycznego opisu zjawisk elektrycznych wielkości 4pe0 wynika z wyboru układu jednostek – we wzorach w układzie SI musi ta wielkość występować. Przenikalność elektryczna próżni nie wnosi nic do opisu fizycznego zjawisk – jest istotna gdy dokonujemy obliczeń
Układ 2 płyt o powierzchni A oddalonych o x = kondensator płaski
Ładunek na płycie jest proporcjonalny do wytworzonej różnicy potencjałów
Q = C*DV
C – pojemność kondensatora ® [C] = farad (F)
Pole elektryczne wewnątrz kondensatora (Dodatek 2)
® [E] ® V/m
Fakt eksperymentalny ® umieszczenie izolatora między płytkami (okładkami) kondensatora zwiększa pojemność kondensatora
Polaryzacja dielektryka (umieszczenie w polu elektrycznym) wytwarza dodatkowe pole elektryczne które kompensuje częściowo (zmniejsza) pole elektryczne między okładkami kondensatora ® zmniejszenie E powoduje zmniejszenie DV i z definicji pojemności wynika wzrost C
e - przenikalność elektryczna
Substancję (izolator) umieszczaną między płaszczyznami określa się mianem dielektryka
Pojemność kondensatora z dielektrykiem
Obraz mikroskopowy zachowania się dielektryka w polu elektrycznym ® zewnętrzne pole elektryczne prowadzi do polaryzacji dielektryków
...
pajro