Fizyka-pytania
advertisement
Zestaw1. Jakie znasz rodzaje uporządkowania magnetycznego w ciele stałym, krótko scharakteryzuj każdy rodzaj. Wyjaśnij pojęcie momentu magnetycznego, podatności magnetycznej, temperatury uporządkowania magnetycznego Tc, TN, domeny magnetycznej, spontanicznego namagnesowania, pętli histerezy, anizotropii magnetycznej. Rodzaje uporządkowanie magnetycznego w ciałach stałych a) Diamagnetyzm zjawisko polegające na indukcji w ciele znajdującym się w zewnętrznym polu magnetycznym pola przeciwnego, osłabiającego działanie zewnętrznego pola. Namagnesowanie diamagnetyka jest proporcjonalne do natężenia pola magnetycznego, w którym się znajduje i nie zależy od temperatury. Jest ono zawsze bardzo słabe. b) Ferromagnetyzm – zjawisko, w którym materia wykazuje własne, spontaniczne namagnesowanie. Jest jedną z najsilniejszych postaci magnetyzmu i jest odpowiedzialny za większość magnetycznych zachowań spotykanych w życiu codziennym. Razem z ferrimagnetyzmem jest podstawą istnienia wszystkich magnesów trwałych c) Antyferromagnetyzm – magnetyczna struktura materiału polegająca na antyrównoległym uporządkowaniu elementarnych momentów magnetycznych w podsieciach sieci krystalicznej. Typowym przykładem antyferromagnetyzmu jest mangan. Antyferromagnetyzm występuje również w płaszczyznach CuO znajdujących się w większości badanych nadprzewodników wysokotemperaturowych. Antyferromagnetyzm to szczególny przypadek ferrimagnetyzmu. Sieć antyferromagnetyku może być rozpatrywana jako wiele podsieci, z których w każdej momenty magnetyczne mają identyczny kierunek, ale przeciwne zwroty (np. dla antyferromagnetyka II rodzaju o sieci przestrzennie centrowanej (bcc) można wyróżnić 4 różne sieci o uporządkowaniu ferromagnetycznym - czyli dwie prostopadłe do siebie podsieci o uporządkowaniu antyferromagnetycznym). Moment magnetyczny całej sieci jest przy tym zerowy. d) Ferrimagnetyzm - własność magnetyczna polegająca na tym, że w temperaturach poniżej tzw. temperatury Néela pojawia się spontaniczne antyrównoległe uporządkowanie elementarnych momentów magnetycznych, a w odróżnieniu od antyferromagnetyzmu momenty te nie kompensują się wzajemnie do zera. e) Paramagnetyzm - zjawisko magnesowania się makroskopowego ciała w zewnętrznym polu magnetycznym w kierunku zgodnym z kierunkiem pola zewnętrznego. Substancja wykazująca takie własności to paramagnetyk, jest on przyciągany przez magnes, jednak znacznie słabiej niż ferromagnetyk. W niezbyt niskich temperaturach oraz dla niezbyt silnych pól magnetycznych paramagnetyki wykazują liniową zależność namagnesowania od pola zewnętrznego, co wyraża wzór: gdzie: M - namagnesowanie (moment magnetyczny jednostki objętości substancji) χ - objętościowa podatność magnetyczna H - natężenie pola magnetycznego. Moment magnetyczny jest własnością danego ciała opisującą pole magnetyczne wytwarzane przez to ciało a tym samym i jego oddziaływanie z polem magnetycznym. Z reguły mówi się o dipolowym momencie magnetycznym, choć można zaobserwować także wyższą multipolowść momentu magnetycznego. Pole magnetyczne jest bezźródłowe, z czego wynika, że nie istnieją monopole magnetyczne. W fizyce kwantowej moment magnetyczny wyraża się w magnetonach Bohra (dla atomu) lub w jądrowych magnetonach Bohra (dla jądra atomowego). Mikroskopowy moment magnetyczny jest związany z ruchem orbitalnym naładowanej cząstki (analog do pętli z prądem w makroskopowym świecie) lub ze spinem (brak analogu w świecie makroskopowym), przy czym należy pamiętać, że moment magnetyczny to nie to samo co spin, choć jest z nim nierozerwalnie związany. Podatność magnetyczna κ, wielkość opisująca zdolność danej substancji do zmian namagnesowania pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Podatność magnetyczna κ dla jednostki objętości ciała izotropowego wyraża się wzorem κ = I/H, gdzie: I namagnesowanie, H - natężenie pola magnetycznego w próbce. Podatność magnetyczna związana jest z przenikalnością magnetyczną µ równością µ = 1+κ. Podatność magnetyczna dla diamagnetyków jest mała (<< 1) i ujemna, dla paramagnetyków jest mała i dodatnia, dla ferromagnetyków jest dodatnia i duża (rzędu setek lub tys.) i stanowi funkcję natężenia pola magnetycznego H. Dla wielu ciał anizotropowych (kryształów) podatność magnetyczna zależy od kierunku . Temperatura Curie (oznaczana TC) − temperatura, powyżej której ferromagnetyk gwałtownie traci swoje właściwości magnetyczne i staje się paramagnetykiem, zjawisko to wynika ze zmiany fazy ciała stałego. W temperaturze niższej od temperatury Curie dipole magnetyczne atomów lub cząsteczek ustawiane są przez wiązania chemiczne w jednym kierunku tworząc domeny ferromagnetyczne. W temperaturze powyżej temperatury Curie drgania cieplne sieci krystalicznej niszczą ustawienia dipoli magnetycznych, dipole wykonują drgania. Temperatura Néela – jest to temperatura, w której przy ogrzewaniu zanikają, a przy oziębianiu pojawiają się własności antyferromagnetyczne. Powyżej owej temperatury substancje te wykazują własności paramagnetyczne. Domeny magnetyczne – spontaniczne namagnesowane obszary w ferromagnetykach lub ferrimagnetykach, w których występuje uporządkowanie momentów magnetycznych. Każda z domen jest namagnesowana do nasycenia magnetycznego. Sąsiednie domeny są rozdzielone ściankami domenowymi, w których następuje zmiana orientacji momentów. Domeny zanikają powyżej temperatury Curie, ponieważ materiał traci wówczas własności ferromagnetyczne. Spontaniczne namagnesowanie Ferromagnetyki to materiały, w których w niskich temperaturach występuje spontaniczne namagnesowanie tzn. istnieje niezerowy moment magnetyczny nawet w nieobecności zewnętrznego pola magnetycznego. W temperaturze zera bezwzględnego, orientacja momentów magnetycznych jest całkowita i namagnesowanie spontaniczne osiąga swoją maksymalną wartość . Ze wzrostem temperatury, na skutek fluktuacji cieplnych, następuje rozporządkowanie orientacji poszczególnych momentów magnetycznych, w skutego czego namagnesowanie spontaniczne maleje ze wzrostem temperatury. Pętla histerezy Powstanie pętli histerezy magnetycznej można wyjaśnić w oparciu o strukturę domenową. Materiały ferromagnetyczne są podzielone na małe obszary zwane domenami rys.1, z których każdy jest namagnesowany w innym kierunku, w wyniku czego wypadkowy moment magnetyczny jest równy zeru. W jednej Rys.1 Domeny w materiale ferromagnetycznym w stanie nienamagnesowanym domenie elektrony ustawiają swoje spiny wzajemnie równolegle. Po przyłożeniu zewnętrznego pola magnetycznego następuje przesunięcie granic między domenami rys.2, zwanych ścianami Blocha, na skutek dążenia domen do ustawiania się swoimi momentami magnetycznymi równolegle do kierunku tego Rys.2 Domeny w materiale ferromagnetycznym po częściowym namagnesowaniu pola. Zmiana kierunku pola wywołuje zmianę orientacji domen na co musi zostać zużyta pewna energia i to właśnie powoduje powstanie pętli histerezy magnetycznej. Rys.3 przedstawia związek pomiędzy powstawaniem krzywej pierwotnego namagnesowania a strukturą domenowa. Rys.3 Anizotropia magnetyczna Jeżeli monokryształ ferromagnetyka umieścimy w polu magnetycznym skierowanym wzdłuż różnych kierunków krystalograficznych, to namagnesowanie będzie się zmieniało z wartością pola w różny sposób w zależności od wybranego kierunku przyłożonego pola (rys.14.2). To zjawisko nosi nazwę anizotropii magnetycznej. Zestaw 2. Jakie znasz liczby kwantowe i zależności między nimi? Jaka jest liczba obsadzeń elektronów w strukturze elektronowej pierwiastka. Co mówi zakaz Pauliego. Jakie znasz liczby kwantowe: Są cztery liczby kwantowe: n - główna, l - poboczna (zwana także orbitalną lub azymutalną), ml - magnetyczna i ms - spinowa (ta ostatnia nie wynika bezpośrednio z równania Schródingera). n - może przyjmować wartości 1, 2, 3 ..., jest miarą całkowitej energii elektronu w danym stanie (liczbowo równa się numerowi orbity w modelu Bohra). Maksymalna liczba elektronów o danej liczbie kwantowej n wynika z wyrażenia 2n2 l - (l = 0, 1, 2,(n-1) ...) jest miarą momentu pędu w danym stanie. Stany energetyczne elektronu przy wzrastających liczbach l oznacza się kolejno literami s, p, d, f. Największą liczbę elektronów o danej liczbie kwantowej l wyznacza wzór 2(2l+1). ml - (ml >= l ) określa kierunek wektora momentu pędu w przestrzeni. Przyjmuje wartości 0, +-1, +-2 ... ms - określa ruch wirowy elektronu wokół własnej osi. Przyjmuje wartości +1/2 i -1/2. Cztery liczby kwantowe jednoznacznie określają stan energetyczny elektronu. Liczba obsadzeń elektronów w strukturze elektronowej pierwiastka. Powłoka elektronowa – zbiór stanów kwantowych o tej samej wartości głównej liczby kwantowej. W chemii za powłokę elektronową wokół danego atomu uważa się zbiór orbitali atomowych mających tę samą główną liczbę kwantową n. Kolejnym wartościom n przypisane są kolejne powłoki: K, L, M, N, O, P i Q. Powłoki składają się z różnej liczby podpowłok elektronowych, odpowiadających określonym rodzajom orbitali atomowych: K – jeden orbital s – może pomieścić maksymalnie 2 elektrony L – jeden s i 3 orbitale p – może pomieścić maksymalnie 8 elektronów M – jeden s, 3 p i 5 d – może pomieścić maksymalne 18 elektronów N – jeden s, 3 p, 5 d i 7 f – może pomieścić maksymalne 32 elektrony itd. Powłoki elektronowe główna liczba 2n2 (maksymalna Symbol kwantowa liczba powłoki n elektronów) podpowłoki K 1 2 s L 2 8 s, p M 3 18 s, p, d N O 4 5 32 50 s, p, d, f s, p, d, f, g P 6 72 s, p, d, f, g, h Q 7 98 s, p, d, f, g, h, i Zakaz Pauliego -W atomie nie mogą istnieć dwa elektrony mające takie same wartości wszystkich czterech liczb kwantowych. Zestaw 3. Prawa Kirchoffa dla prądu stałego, wyjaśnij na rys. a) Pierwsze prawo Sformułowanie I prawa Kirchhoffa Suma natężeń prądów wpływających do rozgałęzienia, równa jest sumie natężeń prądów wypływających z tego rozgałęzienia. Powyższe prawo można zapisać wzorem: Iwpływające1 + Iwpływające2 + Iwpływające3 + ... = Iwypływające1 + Iwypływające2 + Iwypływające3 + ... Bardziej zwięzły wzór można otrzymać dzięki posłużeniu się znakiem sumowania – sigma Σ. Tutaj np. Σ Iwpływające oznacza sumę natężeń wszystkich prądów wpływających. Σ Iwpływające = Σ Iwypływające Przykład 1 Prądy wpływające do rozgałęzienia (należy zwrócić uwagę na zwroty strzałek) Σ Iwpływające = 2A + 3A + 5A = 10A Σ Iwypływające = 7A + 3 A ΣIwpływające = Σ Iwypływające b) Drugie prawo Kirchhoffa Zestaw 4. Co to są pasma energetyczne i jak one wyglądają dla: przewodnika, półprzewodnika i izolatora. W ciałach stałych, w których występuje sieć krystaliczna na elektrony znajdujące się na powłokach elektronowych oddziałują nie tylko jądra danego atomu, oddziałują na nie również jądra sąsiednich atomów. Takie oddziaływanie powoduje powstanie poziomów energetycznych, których wynikiem są nowe szersze pasma energetyczne (pasma przewodnictwa). Zestaw 5. Własności fizyczne nadprzewodnika, parametry krytyczne : Tc, Hc, Hc1, Hc2, jc, głębokość wnikania , efekt Maisnerra. Czym różni się nadprzewodnik I rodzaju od II rodzaju. Własności fizyczne nadprzewodnika -Podstawową cechą charakteryzującą nadprzewodniki jest spadek do zera ich oporu elektrycznego (rezystancji) poniżej pewnej temperatury, nazywanej temperaturą krytyczną. Temperatura ta zależy od rodzaju (składu chemicznego i struktury) materiału, a także od czynników zewnętrznych – ciśnienia i pola magnetycznego. Drugim charakterystycznym dla nadprzewodników efektem jest wypychanie z materiału pola magnetycznego, zwane efektem Meissnera (w nadprzewodnikach pierwszego rodzaju), lub skupianie pola magnetycznego w „wiry” (w nadprzewodnikach drugiego rodzaju). Tc- temperatura krytyczna jest to temperatura w której nadprzewodnik traci właściwości nadprzewodzące i przechodzi w stan normalny. Hc- Jest to pola charakterystyczne dla nadprzewodników pierwszego rodzaju. pole krytyczne jest to maksymalne natężenie pola jakie można przyłożyć do nadprzewodnika po przekroczeniu tego pola nadprzewodnik traci właściwości nadprzewodzące i przechodzi w stan normalny. Hc1, Hc2- Jest to pola charakterystyczne dla nadprzewodników drugiego rodzaju. w których przy określonym polu magnetycznym BC1 dochodzi do wnikania pola magnetycznego do nadprzewodnika i utworzenia stanu mieszanego, a powyżej pola BC2 zachodzi zniszczenie stanu nadprzewodzącego. Prąd krytyczny nadprzewodników: jest to prąd maksymalny jaki możemy przepuść przez nadprzewodnik nie trącać właściwość nadprzewodzących po przekroczeniu tej wartości nadprzewodnik traci właściwości nadprzewodzące i przechodzi w stan normalny Głębokość wnikania Londonów – odległość charakterystyczna dla danego nadprzewodnika, wykorzystywana do opisu pola magnetycznego w jego wnętrzu. Pozwala określić, jak szybko wartość indukcji magnetycznej maleje wraz z zagłębianiem się w nadprzewodnik. Pełni ona kluczową rolę w równaniach Londonów, które wiążą to pole z gęstością prądu w nadprzewodniku. Jest ona z definicji równa: [1] gdzie: – głębokość wnikania Londonów, – masa nośnika ładunku, – przenikalność magnetyczna próżni, – koncentracja nośników ładunku, – ładunek elektryczny nośnika. Typowe wartości głębokości wnikania leżą w przedziale od 50 do 500 nm. Efekt Meissnera (lub efekt Meissnera-Ochsenfelda) – zjawisko zaniku pola magnetycznego (wypchnięcia pola magnetycznego) z nadprzewodnika, gdy przechodzi on w stan nadprzewodzący. Zjawisko Meissnera jest podstawą do określenia, czy dany przewodnik o zerowym oporze elektrycznym jest nadprzewodnikiem. Czym się różnią nadprzewodniki I i II rodzaju: Zasadnicza różnica między nadprzewodnikami I i II rodzaju polega na różnym mechanizmie przewodzenia prądu i zachowywaniu się w stosunku do zewnętrznego pola magnetycznego. W nadprzewodniku I rodzaju, prąd płynie jedynie w bardzo cienkiej warstwie na powierzchni nadprzewodnika, o grubości rzędu 10-8 m. Na tę samą głębokość wnika pole magnetyczne. W nadprzewodniku II rodzaju pole wnika na głębokość zależną od wartości indukcji pola. Druga różnica to że nadprzewodniki mają tylko jedno pole krytyczne i po osiągnięciu tej wartości trąca właściwości nadprzewodzące. Natomiast nadprzewodniki II rodzaju maja dwa pola krytyczne w w pierwszym zachowują się jak nadprzewodniki pierwszego rodzaju czyli pole nie wnika w głąb nadprzewodnika a po osiągnięciu wartości Hc1 nadprzewodnik przechodzi w stan mieszany w którym pole wnika w nadprzewodnik. Po osiągnięciu Hc2 nadprzewodnik przechodzi w stan normalny. Zestaw 6. Jaki jest udział w cieple właściwym ciała stałego elektronów i drgań sieci. Napisz równanie opisujące te udziały i wyjaśnij na wykresie. Jak eksperymentalnie wyznaczyć ciepło właściwe. Prawo Dulonga-Petita: ciepło właściwe wszystkich prostych chemicznie krystalicznych ciał jest w przybliżeniu równe 25 J/(mol·K). Nie jest spełnione w niskich temperaturach. Amplituda drgań zależy od temperatury. Jeśli temperatura ciała jest znacznie niższa od temperatury topnienia, drgania te są w przybliżeniu drganiami harmonicznymi. Elektronowe ciepło właściwe zależy liniowo od temperatury : Ciepło właściwe molowe Cv=AT gdzie A - stała, wynosząca około 10 J/mol K. Wkład elektronowy do ciepła właściwego staje się większy niż wkład sieci, gdyż ciepło właściwe maleje proporcjonalnie do temperatury . Zaś ciepło właściwe sieci maleje Zestaw 7. Co to jest prąd przemienny ( zmienny) , jak powstaje objaśnij takie parametry prądu zmiennego :Eo, Uo, Io, Isk, Usk, fazy prądu, częstotliwość, praca i moc prądu , jednostki pracy i mocy prądu, przebiegi czasowe : E(t), U(t) , I(t) Prąd przemienny - charakterystyczny przypadek prądu elektrycznego okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe podlegają zmianom w powtarzalny, okresowy sposób, z określoną częstotliwością. Wartości chwilowe natężenia prądu przemiennego przyjmują naprzemiennie wartości dodatnie i ujemne (stąd nazwa przemienny). Prądnica prądu przemiennego (generator prądu przemiennego) to maszyna elektryczna przetwarzająca energię mechaniczną, pobieraną z zewnętrznego urządzenia napędzającego prądnicę, na energię elektryczną w postaci przemiennego prądu. Do tego celu wykorzystuje się zjawisko indukowania siły elektromotorycznej w wyniku ruchu przewodnika w polu magnetycznym indukcji elektromagnetycznej. Prądnice prądu przemiennego dzielą się (ze względu na różnice w konstrukcji) na prądnice asynchroniczne i synchroniczne, oraz (ze względu na liczbę faz) na prądnice jednofazowe i wielofazowe. Prądnica prądu przemiennego stanowi odwrócenie silnika elektrycznego. W przypadku silnika energia elektryczna była zmieniana na pracę mechaniczną. W prądnicy natomiast praca zostaje zmieniona na energię elektryczną. Prądnica składa się z części nieruchomej zwanej stojanem i ruchomej zwanej wirnikiem. Podstawą fizyczną działania prądnicy jest zjawisko indukcji elektromagnetycznej którym zajmował się Michael Faraday w Wielkiej Brytanii od roku 1821 Indukcja elektromagnetyczna - zjawisko powstawania siły elektromotorycznej w przewodniku na skutek zmian strumienia pola magnetycznego. Zmiana ta może być spowodowana zmianami pola magnetycznego lub względnym ruchem przewodnika i źródła pola magnetycznego. Prawem rządzącym tym zjawiskiem jest prawo indukcji Faradaya. Mówi ono, że siła elektromotoryczna SEM indukowana w obwodzie jest równa zmianie szybkości strumienia magnetycznego przechodzącego przez ten obwód. Eo- maksymalna amplituda prądu zmiennego Uo-maksymalna wartość napięcia Io- maksymalna wartość natężenia Usk-wartość skuteczna – powoduje wydzielanie na danym oporze takiej samej mocy Isk- napięcie skuteczne – wydzielanie na danym oporze takiej samej energii Albo tak Najpowszechniejszym sposobem wytwarzania prądu zmiennego jest tzw. indukcja elektromagnetyczna. Polega na wytworzeniu napięcia pomiędzy końcami przewodnika , gdy ten znajduje się w obszarze działania zmiennego pola magnetycznego. Prąd przemienny to taki prąd, który okresowo zmienia kierunek, a jego natężenie jest okresową funkcją czasu. Podstawowym przykładem prądu przemiennego jest prąd sinusoidalnie zmienny, dla którego zależność natężenia od czasu ma następującą postać: Napięcie sinusoidalnie zmienne jest sinusoidalną funkcją czasu w postaci: Napięcie na końcach opornika, przez który płynie prąd sinusoidalnie zmienny, będzie również sinusoidalnie zmienne i będzie miało tę samą częstotliwość oraz fazę początkową co natężenie. Moc prądu przemiennego płynącego przez opornik o oporze R jest również funkcją czasu: Natężenie skuteczne prądu przemiennego jest równe wartości natężenia prądu stałego, który spowodowałby wydzielenie tej samej ilości energii, co prąd przemienny w tym samym obwodzie i w tym samym czasie. Dla prądu sinusoidalnie zmiennego wielkość ta wyraża się wzorem: gdzie Io – amplituda prądu sinusoidalnie zmiennego Napięcie skuteczne na zaciskach określonego odcinka obwodu, przez który płynie prąd przemienny, jest równe wartości napięcia na zaciskach tego samego odcinka obwodu, gdy płynie przez niego prąd stały, który powoduje wydzielenie się tej samej ilości energii, co prąd przemienny w tym samym czasie. Dla napięcia sinusoidalnie zmiennego wielkość ta wyraża się wzorem: Moc skuteczną wyraża się wzorem: Zestaw 8. Opór elektryczny ciała stałego: zależność oporu elektrycznego od temperatury, temperaturowy współczynnik oporu, temperaturowe zależności oporu elektrycznego dla przewodnika, półprzewodnika, izolatora, nadprzewodnika. Opór elektryczny ciała stałego: Opór elektryczny to inaczej rezystancja, czyli zależność między napięciem i natężeniem prądu stałego w obwodzie elektrycznym. Jeżeli chodzi o wzór, to mówimy o prawie Ohma: U=R*I U-napięcie R-opór I-prąd Temperaturowy współczynnik rezystancji (α lub TWR) to względna zmiana rezystancji danego materiału przy zmianie temperatury o 1 K, wyrażona w K-1. W elektronice stosuje się między innymi rezystory wykonane ze specjalnych stopów metali o małym α, jak manganin czy konstantan oraz elementy półprzewodnikowe o dużym, ujemnym α - termistory. Temperaturowe zależności oporu elektrycznego a) Przewodnika i półprzewodniki W zakresie temperatur pokojowych opór typowych przewodników jest stały. Przy większych zmianach temperatury opór rośnie proporcjonalnie do T. Jest to związane ze wzrostem liczby zderzeń elektronów z jonami sieci krystalicznej. W półprzewodnikach mechanizm ten jest słabszy w porównaniu z innym, który sprawia, że w materiałach tych opór maleje z temperaturą. Otóż ze wzrostem temperatury uwalniają się nowe elektrony (i dziury), wskutek czego liczba nośników prądu silnie rośnie, co przyczynia się do malenia oporu. b) Izolator Opór elektryczny jest stały i nie zmienienia się z temperaturą. c) Nadprzewodniki- Opór nadprzewodnika jest równy zera aż do temperatury krytycznej późnij gwałtownie wzrasta co przedstawia wykres poniżej. Zestaw 9. Co to jest półprzewodnik. Jak otrzymać półprzewodnik typu n i p? Na czym polega przewodnictwo prądu w półprzewodniku typu p i n ? Czy w półprzewodniku może wystąpić samoistne przewodnictwo pradu? Półprzewodniki, substancje zachowujące się w pewnych warunkach jak dielektryk, a w innych jak przewodnik. Typowymi półprzewodnikami są: krzem, german, arsenek galu lub antymonek galu. Półprzewodniki mają małą szerokość pasma wzbronionego teoria pasmowa. Ze względu na typ przewodnictwa wyróżnia się półprzewodniki typu n - inaczej nadmiarowe występuje tu przewodnictwo elektronowe, liczba elektronów w paśmie przewodnictwa przekracza liczbę dziur przewodzących w paśmie walencyjnym, uzyskuje się je przez domieszkowanie krzemu lub germanu pierwiastkami V grupy nazywanymi donorami oraz typu p - inaczej niedomiarowe występuje w nich przewodnictwo dziurowe w paśmie walencyjnym, liczba dziur przekracza liczbę elektronów w paśmie przewodnictwa, uzyskuje się je przez domieszkowanie krzemu lub germanu pierwiastkami III grupy nazywanymi akceptorami. Przewodnictwo prądu w półprzewodniku typu p i n: Przewodnictwo dziurowe (przewodnictwo typu p) – model przewodnictwa elektrycznego, w którym pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego kolejne elektrony przechodzą na wolne poziomy energetyczne w paśmie podstawowym. Proces taki wygodnie jest opisywać jako ruch dodatnio naładowanej "dziury", choć w rzeczywistości przewodnictwo dziurowe jest specjalnym typem przewodnictwa elektronowego. Elektron pod wpływem dostarczonej energii może przedostawać się z części pasma podstawowego do pasma przewodnictwa. Wówczas w pasmie podstawowym powstaje dziura elektronowa, wolny stan energetyczny, który może zostać zajęty przez inny elektron. Powstanie dziury umożliwia przechodzenie pod wpływem pola elektrycznego elektronów sąsiednich atomów w uwolnione miejsce. Elektron zapełniając taką dziurę pozostawia po sobie nową dziurę, w efekcie można proces takiego przewodnictwa opisywać jako ruch dziury. Taka dziura posiada pewną masę efektywną, która odzwierciedla działanie elektronów z polami krystalicznymi atomów. Wzbudzenie elektronu z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa sprawia, że pojawiają się dwa swobodne nośniki prądu elektrycznego – ujemny elektron w pasmie przewodnictwa i dodatnia dziura w pasmie podstawowym o odpowiednich masach efektywnych. Po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego, oba te nośniki biorą udział w przewodzeniu prądu elektronowego. W takim przypadku prąd płynący przez kryształ jest sumą prądu elektronowego i dziurowego. Przewodnictwo elektronowe (przewodnictwo typu n) – rodzaj przewodnictwa elektrycznego, w którym nośnikiem ładunku elektrycznego są elektrony. W modelu pasmowym krystalicznych ciał stałych zjawisko polegające na tym, że elektrony zajmujące stany kwantowe w obrębie pasma przewodnictwa przesuwają się do sąsiednich nieobsadzonych stanów kwantowych w obrębie tego pasma, w kierunku przeciwnym do kierunku wektora pola elektrycznego. Czy w półprzewodniku może wystąpić samoistne przewodnictwo pradu? Półprzewodniki samoistne są substancjami zbudowanymi z jednego typu atomów. W temperaturze bliskiej 0 [K] wszystkie elektrony półprzewodnika są ściśle związane z jego atomami i nie mają możliwości ruchu, więc substancja nie może wówczas wykazywać właściwości elektrycznych. Wzrost temperatury przewodnika może powodować, że niektóre elektrony uzyskają na tyle duża energię, by pokonać przerwę energetyczną i przejść do pasma przewodnictwa (patrz rysunek). Po przejściu elektronu do pasma przewodnictwa w półprzewodniku pojawiają się dwa nośniki prądu: wspomniany wcześniej elektron oraz dziura po tym elektronie, znajdująca się w paśmie walencyjnym, która zachowuje się jak dodatni ładunek elektryczny. Po przyłożeniu do półprzewodnika zewnętrznego pola elektrycznego obydwa nośniki prądu zaczynają się poruszać, więc przez półprzewodnik płynie prąd. Na wykresie przedstawiono zależność oporu właściwego półprzewodnika od jego temperatury Wzrost temperatury półprzewodnika powoduje zwiększenie się jego energii wewnętrznej, co z kolei prowadzi do tego, że większa liczba elektronów przedostaje się do pasma przewodnictwa i tym samym rośnie liczba par elektron-dziura, będących nośnikami prądu elektrycznego, co skutkuje zmniejszeniem się oporu właściwego. Innym sposobem kreacji par elektron-dziura jest oświetlanie półprzewodnika światłem o energii co najmniej równej wartości przerwy energetycznej pomiędzy pasmami walencyjnym i przewodnictwa. Zjawisko to nosi nazwę zjawisko fotoelektrycznego wewnętrznego. Zestaw 10. Zjawisko fotoelektryczne, efekt Comptona. Jak eksperymentalnie wyznaczyć stałą Plancka korzystając z zjawiska fotoelektrycznego? Fotoelektryczne zjawiska (efekty), ogół zjawisk spowodowanych oddziaływaniem substancji z promieniowaniem świetlnym. Związane jest z przekazywaniem energii fotonów pojedynczym elektronom. Rozróżnia się fotoelektryczne zjawisko zewnętrzne emisja elektronów z danej substancji pod wpływem światła; opuszczające substancję na skutek zjawiska fotoelektrycznego elektrony nazywa się fotoelektronami, a powstały przy ich uporządkowanym ruchu w zewnętrznym polu elektrycznym prąd - prądem fotoelektrycznym, fotoelektryczne zjawisko wewnętrzne zmiana energetycznego rozkładu elektronów w stałych i ciekłych półprzewodnikach i dielektrykach spowodowana oddziaływaniem światła z substancją; przejawia się ono w zmianie koncentracji nośników prądu w ośrodku i w efekcie doprowadza do fotoprzewodnictwa lub zjawiska fotoelektrycznego w warstwie zaporowej, fotoelektryczne zjawisko zaworowe powstawanie SEM na styku dwóch materiałów pod wpływem światła, np. w złączu p-n, zjawisko fotoelektryczne w gazach fotojonizacja. Efekt Comptona (zjawisko), rozpraszanie wysokoenergetycznego promieniowania elektromagnetycznego (gamma lub rentgenowskiego) na słabo związanych elektronach. W wyniku rozpraszania elektron otrzymuje część pędu i energii padającego kwantu promieniowania, przez co rozproszony kwant promieniowania ma mniejszą energię (większą długość fali). Zjawiska tego nie można wyjaśnić na gruncie klasycznej fizyki. Z analizy procesu zderzenia kwantu promieniowania z elektronem, gdy oba obiekty traktowane są jako sprężyste kulki, można otrzymać wzór na wzrost długości fali promieniowania: Δλ = 2πλo(1-cosθ), gdzie λo tzw. comptonowska długość fali, θ - kąt rozproszenia. Jak widać Δλ zależy jedynie od czynników geometrycznych (nie zależy od energii), jest największa gdy cosθ = -1, a więc θ = 180° to znaczy, gdy padający foton rozproszy się do tyłu. Uwzględnienie poprawki na energię wiązania elektronów w atomach zmienia przytoczony powyżej wzór dodając po prawej stronie równania czynniki Dλ2, wprowadza więc zależność od energii promieniowania (D-stała dla danego materiału). Poprawka ta jest nieistotna, gdy energia promieniowania jest znacznie większa od energii wiązania elektronów. Jak eksperymentalnie wyznaczyć stałą Plancka korzystając z zjawiska fotoelektrycznego? W zjawisku fotoelektrycznym zaobserwowano, że padające na powierzchnię metalu światło (czy też ogólniej: promieniowanie elektromagnetyczne) może w pewnych warunkach uwalniać z metalu elektrony, tworzące tzw. prąd fotoelektryczny. Zjawisko to wyjaśnił A. Einstein, podając odpowiednie równanie, określające maksymalną energię kinetyczną Ek uwalnianych elektronów. Maksymalną energię kinetyczną elektronów mierzymy przy pomocy napięcia hamowania, tj. poprzez pomiar napięcia, przy którym żaden uwolniony elektron nie zamyka już obwodu prądu (prąd przestaje płynąć). Praca, którą wykonują siły elektryczne, zatrzymując elektron, równa jest energii kinetycznej, którą posiadał on po uwolnieniu. W równaniu Einsteina występują praca wyjścia i stała Plancka; będziemy mogli określić te stałe, porównując podane zmierzone w zjawisku wielkości. Przypomnijmy równanie Einsteina dla zjawiska fotoelektrycznego, określające maksymalną energię kinetyczną Ek uwalnianych elektronów: Ek=hf−Wv, gdzie iloczyn stałej Plancka h i częstotliwości promieniowania f określa energię pojedynczego padającego fotonu, a Wv to tzw. praca wyjścia (stała charakteryzująca dany metal). Maksymalna energia kinetyczna elektronu Ek równa jest pracy, którą wykonają siły elektryczne, gdy elektron zatrzymany zostanie przez tzw. napięcie hamowania. Pracę w polu elektrycznym możemy określić jako iloczyn ładunku elektronu e i napięcia U, tj. zachodzi Ek=eU, gdzie e = 1,6·10−19 C to ładunek elementarny. I właśnie w ten sposób możemy wyznaczyć stała Placka
