1.1.Foton i jego właściwości

W celu wyjaśnienia właściwości promieniowania termicznego ciał Plancek założył że światło jest zbiorem kwantów energii - fotonów

Cechy fotonów:

a) Energia E_f = h∙v

b) Masa m_f = E_f/c² = h∙v/c² (masa spoczynkowa = 0)

c) Pęd p_f = m_f∙c = h∙v/c = h/λ

d) Moment pędu k_f = h/2π

e) Spin fotonu s = ±1, foton jest bozonem

gdzie : Stała Plancka h = 6,62∙10^-34 Js, prędkość światła c = 3∙10⁸ m/s, częstotliwość fali

v = c/λ, długość fali λ

1.2 Zjawiska fotoelektryczne

Zjawisko fotoelektryczne - zjawisko fizyczne polegające na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu (tzw. efekt zewnętrzny) lub na przeniesieniu nośników ładunku elektrycznego pomiędzy pasmami energetycznymi (tzw. efekt wewnętrzny), po naświetleniu jej promieniowaniem elektromagnetycznym (na przykład światłem widzialnym) o odpowiedniej częstotliwości, zależnej od rodzaju przedmiotu. Emitowane w ten sposób elektrony nazywa się czasem fotoelektronami. Energia kinetyczna fotoelektronów nie zależy od natężenia światła a jedynie od jego częstotliwości.

Efekt fotoelektryczny jest powszechnie wykorzystywany w bateriach słonecznych, fotopowielaczach, elementach CCD w aparatach cyfrowych, fotodiodach

Objaśnienie zjawiska:

Zaproponowane przez Alberta Einsteina wyjaśnienie zjawiska i jego opis matematyczny oparte jest na założeniu, że energia wiązki światła pochłaniana jest w postaci porcji (kwantów) równych hν, gdzie h jest stałą Plancka a ν oznacza częstość fali. Kwant energii może być zamieniony na energię tylko w całości, na zasadzie wszystko lub nic. Einstein założył dalej, że usunięcie elektronu z metalu (substancji) wymaga pewnej pracy zwanej pracą wyjścia, która jest wielkością charakteryzującą daną substancję, pozostała energia rozprasza się częściowo w substancji a częściowo pobiera ją emitowany elektron. Z tego wynika wzór:

Gdzie:

h - stała Plancka;

ν - częstość padającego fotonu;

W - praca wyjścia;

Ek - maksymalna obserwowana energia kinetyczna emitowanych elektronów.

1.3 Fotoopory, Fotoogniwa

Ogniwo fotowoltaiczne (inaczej fotoogniwo, solar lub ogniwo słoneczne) jest urządzeniem służącym do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów, o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury (zob. nośniki ładunku) do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

Fotoopory jest to zjawisko polegające na zmniejszaniu się oporów w opornikach podczas oświetlania ich. fotoopory występują w fotorezystorachFotorezystor, zwany również LDR (Light Dependent Resistor), jak nazwa wskazuje, ma oporność zmieniającą się w zależności od ilości padającego nań światła. Silniejsze światło wywołuje spadek rezystancji. Wielkość zmian rezystancji zależy, oprócz składu materiałowego, od typu procesu produkcyjnego, powierzchni i odległości miedzy elektrodami, jak również od powierzchni, która jest oświetlana. Fotorezystor ma względnie dużą zależność temperaturową: 0,1 do 2%/K.

2.1 Promieniowanie termiczne.

Promieniowanie wysyłane przez ciało ogrzane do pewnej temperatury nazywane jest promieniowaniem termicznym (cieplnym lub temperaturowym). Promieniowanie to jest falą elektromagnetyczną o określonym widmie częstotliwości. Promieniowanie cieplne obejmuje zakres długości fal od 0,8 - 400
. Wysyłanie energii promieniowania przez ciało jest związane ze zmniejszaniem się jego energii wewn. Przez promieniowanie cieplne może być przenoszone duża ilość energii niezależnie od odległości i bez ciała pośredniczącego . Źródłem prom. są drgania atomów wokół stanów równowagi : dla ciała stałego - w sieci krystalicznej , dla gazów - drgania atomów w cząsteczce. Ruch ten jest składnikiem energii wewn. ciał i nosi nazwę prom. temperaturowego. Strumień wypromieniowanej energii zależy głównie od temperatury , wpływa na niego też zdolność emisji danego ciała , która zależy od rodzaju wiązań elektronowych . Prom. cieplne jest mało przenikliwe , jest traktowane jako zjawisko powierzchniowe, ulega procesom: odbicia , załamania , polaryzacji, pochłaniania.

2.2. Wielkości charakterystyczne.

1. 
   zdolność emisyjna - ilość energii emitowana z 1m² w ciągu 1sek. zakresie w długości fal λ÷Δλ.

2. 
   emisyjność całkowita - ilość energii całkowita, emitowana z 1m² w ciągu 1sek.

3. 
   zdolność pochłaniania - absorpcyjna - stosunek energii zaabsorbowanej przez dane ciało do energii padającej na to ciało

Dla ciał doskonale czarnych
= 1 dla każdej długości fali, tzn. że jest to ciało, które w każdej temperaturze całkowicie pochłania wszystkie padające na nie fale elektromagnetyczne.

2.3 Ciało doskonale czarne

pojęcie stosowane w fizyce dla określenia ciała pochłaniającego całkowicie padające na nie promieniowanie elektromagnetyczne, niezależnie od temperatury tego ciała, kąta padania i widma padającego promieniowania. Współczynnik pochłaniania promieniowania dla takiego ciała jest równy jedności dla dowolnej długości fali.

2.4 prawo Wiena

Prawo Wiena - prawo opisujące promieniowanie elektromagnetyczne emitowanego ciała doskonale czarnego. Ze wzrostem temperatury widmo promieniowania ciała doskonale czarnego przesuwa się w stronę fal krótszych, zgodnie ze wzorem:

gdzie:

- długość fali o maksymalnej mocy promieniowania mierzona w metrach

T - temperatura ciała doskonale czarnego mierzona w kelwinach,

- stała Wiena

Znajduje ono zastosowanie przy badaniu temperatur gwiazd,.

2.5. prawo Stefana - Boltzmana i jego techniczne wykorzystanie.

Całkowita moc promieniowania emitowanego przez ciało doskonale czarne rośnie proporcjonalnie do czwartej potęgi jego bezwzględnej temperatury.

W^*=σ·S·T⁴

S-pole powierzchni ciała emitującego promieniowanie, σ-stala Stefana-Boltzmanna=5,67·10^-8[W/m²K⁴]

T- temperatura ciała doskonale czarnego.

Prawo to, jak również rozkład widmowy emitowanego promieniowania termicznego jest wykorzystywane w pirometrii i termowizji do zdalnego określania temperatury ciał.

Pirometria- metoda bezkontaktowego wyznaczania temperatury ciała na podstawie pomiaru natężenia promieniowania termicznego emitowanego przez to ciało

2.6 Prawo Kirchhoffa

Prawo Kirchoffa mówi, że stosunek natężenia promieniowania ciała szarego do zdolności pochłaniania przy określonej długości fali jest wielkością stała równą natężeniu promieniowania ciała doskonale czarnego E_λ / α_λ. = E_T, albo że zdolność emisyjna ciała szarego jest równa zdolności pochłaniania ε_λ = α_λ. Zatem ciało dobrze pochłaniające promieniowanie również je dobrze emituje. 2.7 Pirometria

Pirometria, czyli metody pomiaru wysokich temperatur(powyżej 600stopni C), wykorzystuje zależność całkowitej energii promieniowania od temperatury. Aby wyznaczyć temperaturę ciała korzystamy z zależności:

T = 273.16K [E_C(T)/E_C(T_S)]1/4

gdzie Ts oznacza temperaturę standardową, za którą przyjęto temperaturę punktu potrójnego wody, czyli temperaturę równowagi fazy gazowej, ciekłej i stałej wody i która w skali Kelvina wynosi Ts = 273.16K.

2.8 Ciekłe kryształy.

Ciekłe kryształy-unikalny rodzaj cieczy, której cechą wyróżniającą jest anizotropia własności fizycznych (różne wł. w różnych kierunkach). Anizotropia nie występuje dla cieczy - poza wyjątkiem ciekłych kryształów, jest ona również cechą wielu kryształów. C.k mają często kilka faz w różnych zakresach temp. Przy wzroście temp. przechodzą w stan cieczy izotropowej. Cecha: wydłużony kształt molekuł.

2.9 zjawisko Comptona rozpraszanie Thomsona.

Zjawisko Comptona, rozpraszanie komptonowskie - zjawisko rozpraszania fotonów promieni X, czyli kwantów promieniowania o dużej energii, na swobodnych lub słabo związanych elektronach w wyniku którego promieniowanie elektromagnetyczne zwiększa długość fali (traci energię).

O elektronach tych zakłada się, że ich ruch przed rozproszeniem jest na tyle powolny, że można przyjąć ich prędkość jako równą zeru (w przypadku gdy elektron ma pęd większy niż foton mówi się o odwrotnym rozpraszaniu Comptona), a energia ich wiązania jest pomijalna. Po rozproszeniu foton zmienia swoją energię, przeciwnie niż w rozpraszaniu Rayleigha, w którym nie traci energii. Zmiana długości fali, zwana przesunięciem Comptona jest związana ze zmianą kierunku biegu fotonu zależnością:

gdzie:

Δλ - przesunięcie Comptona, zmiana długości fali,

θ - kąt rozporoszenia,

λ_C - długość Comptona dla elektronu

Zjawisko zachodzi we wszystkich materiałach. Najczęściej z fotonami o średnich energiach: 0,5 do 3,5 MeV, lecz także dla wysoko energetycznych fotonów. Teoretycznie zjawisko zachodzi też dla światła widzialnego lecz zmiana długości fali jest względnie tak niewielka, że trudno ją zaobserwować.

Rozproszenie Thomsona - zachodzi na swobodnych lub słabo związanych elektronach dla niskich energii powodując wzbudzenie oscylacji elektronu z natychmiastowa reemisja fotonu. Jest to rozproszenie koherentne, bez uprzywilejowanego kierunku reemisji fotonu.

Rozproszenie jadrowe Thomsona - zachodzi na jadrach atomowych.

3.1 Wytwarzanie promieni X

Schemat budowy lampy rentgenowskiej:

W wyniku żarzenia, z katody emitowane są elektrony, które są przyspieszane za pomocą różnicy potencjałów (kilka tysięcy wolt). Źródłem promieniowania jest tarcza, w którą uderza i zostaje zatrzymana wiązka elektronów. Podczas hamowania elektronów w materiale tarczy, tracą one swoją energię kinetyczną, która zostaje wypromieniowana w postaci promieni X.

3.2 Właściwości i wykorzystanie promieni rentgenowskich.

Promieniowanie rentgenowskie X- to promieniowanie elektromagnetyczne emitowane w wyniku przejść elektronowych w atomach.

Promieniowanie x ma następujące właściwości: wywołuje jonizację gazów, fluorescencję szkła i minerałów, naświetla kliszę fotograficzna, przenika nieprzezroczyste osłony nawet metalowe, nie ulega odchylaniu w polu magnetycznym i elektrycznym, ulega dyfrakcji, interferencji, polaryzacji, wiec jest fala.
Wykorzystanie promieni rentgenowskich

Możliwość zastosowania promieni X w medycynie(tomografia komputerowa, prześwietlenia), defektoskopii(wykrywanie defektów materiałów np. zle zaspawane miejsca, pęcherze gazowe, pęknięcia, nierówności materiałów itp.) i przemyśle.

3.3. Tomografia komputerowa

Metoda badania polegająca na rejestracji danych z warstwy narządu w matrycy cyfrowej i rekonstrukcji obrazu morfologicznego przez komputer.

Prześwietlenie: promieniowanie przechodzące przez ciało człowieka w różnym stopniu ulega pochłanianiu ze względu na różne współczynniki pochłaniania różnych tkanek. Obraz powstający na kliszy zawiera sumaryczne informacje o pochłanianym promieniowaniu.

Skala Hounsfielda służy do zamiany współczynników pochłaniania na liczby odpowiadające skali szarości.

-1000 - powietrze; 0 - woda; 1000 - kość

Po obróbce komputerowej dwu- lub trójwymiarowej obraz prezentowany jest na ekranie monitora.

Budowa gantry tomografu komputerowego:

1. lampa RTG; 2.kolimator; 3. detektory

Przenikalność promieniowania RTG zależy od przyłożonego napięcia do lampy:

medycyna U= 60 000 V promieniowanie miękkie; przemysł 250 000 promieniowanie twarde

4.1. Teoria fal materii de Broglie,

Wg de Broglie'a wszystkim cząstkom można przypisać jednocześnie naturę korpuskularną i falową. Każdej poruszającej się cząstce może być przypisywana odpowiednia fala materii, zwana falą de Broglie'a, której długość jest uzależniona od pędu p cząstki.

4.2 Doświadczenia Bragg'a i jego znaczenie

Prawo Wulfa-Braggów - zależność wiążąca stałą sieci krystalicznej d od długości padającego promieniowania i kąta odbicia. Jest jednym z fundamentalnych wzorów stosowanych w rentgenografii strukturalnej i rozmaitych wariantach dyfraktometrii, umożliwiających ustalenie struktury analizowanych substancji na podstawie analizy ich obrazów
dyfrakcyjnych.

gdzie:

n - liczba nautralna określająca kolejne płaszczyzny sieciowe

λ - długość fali promieniowania rentgenowskiego

d - odległość międzypłaszczyznowa, albo ogólnie średnia odległość powtarzalnych warstw atomów, na których zachodzi rozpraszanie

θ - kąt odbłysku mierzony jako kąt między wiązką promieni pierwotych a płaszczyzna odbijającą

Interpretacja prawa Bragga - wiązki zostają odbite w tym samym kierunku, każda do innej płaszczyzny. Jeżeli różnica tych dwóch dróg będzie równa całkowitej wielokrotności długości fali, to nastąpi wzmocnienie fali odbitej, w wyniku interferencji promieni odbitych.

Formuła Bragga wyznacza kierunki wzdłuż, których w sieci krystalicznej ciała stałego mogą się poruszać fotony nie zauważając rozpraszających centrów, jakimi są regularnie rozmieszczone w przestrzeni atomowe jądra.

4.3 Doświadczenie Davissona - Germera i jego znaczenie

Wiązka elektronów przyspieszana napięciem U (E_k elektronu wynosi eU) pada na monokryształ niklu. Detektron ustawiony jest pod kątem , a natężenie odbitej wiązki jest odczytywane dla różnego napięcia U. Dla E_k =54 eV obserwuje się szczególnie duże natężenie wiązki elektronów dla  = 50

Wszystkie wyniki doświadczalne zgadzały się doskonale ilościowo i jakościowo z postulatem de Broglie'a i stanowiły przekonywujący dowód na to, że cząsteczki materialne poruszają się zgodnie z prawami ruchu falowego.

4.4 Doświadczenie Thomsona, Sterna i jego znaczenie

Doświadczenie Thomsona.

Thomson wykazał, że wiązka elektronów przechodząc przez cienkie folie polikrystaliczne ( np. złota, aluminium, miedzi) ulega również dyfrakcji, a następnie w sposób niezależny szczegółowo potwierdził relację de Broglie'a
=h/p. Za pomocą tego doświadczenia można było wyznaczyć odległości międzypłaszczyznowe oraz stałe sieci krystalicznej metalu.

Doświadczenie Sterna.

W 1929 roku Otto Stern przeprowadził dyfrakcję atomów wodoru i helu na kryształach fluorku litu i chlorku sodu będącego w równowadze termodynamicznej w temperaturze T, najbardziej prawdopodobna prędkość

Stern wykazał, że nie tylko elektrony, lecz wszystkie poruszające się materialne obiekty, naładowane i nienaładowane, wykazują cechy falowe w warunkach charakterystycznych dla optyki fizycznej. Stern wykonał doświadczenia, z których wynika istnienie zjawisk dyfrakcyjnych w przypadku rozpraszania wiązek atomów wodoru oraz wiązek atomów helu.

4.5 Właściwości fal materii, funkcja falowa, pakiet falowy

Fale, zarówno dla fotonów, jak i dla cząstek materialnych, możemy traktować jako zwartą grupę małych fal składowych. Pomysł grupy fal poruszającej się z prędkością różną od prędkości jej fal składowych odgrywa istotną rolę w koncepcji de Broglie'a. Cząstki materialne i kwanty światła (fotony) są grupami fal (pakietami) niosącymi energię i pęd. Taki pakiet falowy normalnie obserwujemy jako cząstkę (elektron, proton, foton...). Jednakże fale składowe pakietu składają się z wielu fal o zbliżonych długościach, które tworzą razem wypadkową. Fale składowe są w zgodnej fazie blisko środka grupy, gdzie indziej natomiast są przesunięte w fazie i znoszą się. Indywidualne fale składowe rozciągają się jednak daleko po obu stronach pakietu i poruszają się prędzej niż grupa.

Funkcja falowa to funkcja zmiennych konfiguracyjnych np. położenia, o wartościach zespolonych, będąca rozwiązaniem równania Schrödingera, opisująca stan kwantowy cząstki. Kwadrat modułu funkcji falowej jest proporcjonalny do prawdopodobieństwa znalezienia cząstki w stanie przez nią opisywanym

4.6 Zasada nieoznaczoności Heisenberga

Zasada nieoznaczoności Heisenberga mówi, że nie można jednocześnie dokładnie zmierzyć dwóch sprzężonych ze sobą wielkości fizycznych.

x razy p_x >=h (kreślone)

y razy p_y >=h (kreślone) zasada Heisenberga

z razy p_z >=h (kreślone)

Z tej zasady wynika, że im dokładniej wyznaczymy jedną wartość, tym mniej dokładnie będzie wyznaczona druga wartość.

4.7 Falowa natura mikrocząstek - fale materii: neutronografia.

Neutronografia - metoda badawcza związana z charakterystycznymi właściwościami neutronów. w temp. niewiele wyższej od temp. pokojowej ( T=300K ) neutrony mają bardzo korzystną długość fali. Ponadto neutrony SA cząstkami obojętnymi, wiec ich oddziaływanie z materia jest w znaczny sposób ograniczone, dzięki czemu neutrony mogą głęboko wnikać w badaną próbkę. Neutronami można badać całość próbki ponieważ neutrony oddziaływają tylko z jądrami ( ze względu na różnice mas prawie nie widzą elektronów). Właśnie ta dużą przenikliwość wykorzystano w neutronografii do badania nawet dużych próbek.

Na podstawie określenia czasu przelotu można analizować całą wiązkę neutronów złożoną z cząstek o różnej długości fali.

4.8 Elektronowy mikroskop transmisyjny i skaningowy

Są wykorzystywane w biologii, medycynie a takze fizyce ciala stalego, a w szczegolnosci w badaniach struktury materialow. Elektronowy mikroskop skaningowy (SEM - Scanning Electron Microscope) jest przyrządem elektronooptycznym, rodzajem mikroskopu elektronowego, w którym obraz uzyskiwany jest przez omiatanie próbki wiązką fali elektronowej (wiązka elektronów skupiona jest w postaci małej plamki, która omiata obserwowany obszar linia po linii).

Zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego jest znacznie większa od mikroskopu optyczneg. W mikroskopie elektronowym wykorzystywane są soczewki elektromagnetyczne, działające jak soczewki optyczne, ale z podstawową różnicą: zakrzywiają tor ruchu elektronów w całym obszarze pola, przejście jest ciągłe, a nie, jak w przypadku soczewek optycznych tylko na granicy ośrodków.

5.1 Modele budowy atomu:

* Model Thomsona:

Jest to sfera wypełniona materią o dodatnim ładunku elektrycznym i z rozmieszczonymi w niej ujemnie naładowanymi elektronami.

* Model planetarny Rutherforda:

Składa się z jądra, w którym skupiona jest prawie cała masa atomu i całkowity ładunek dodatni oraz krążących po orbitach wokół niego elektronów- czyli ma budową analogiczną do budowy układu planetarnego..

* Kwantowo mechaniczny model Bohra:

Atom jest to najmniejsza cząstka materii zdolna do samoistnego występowania w przyrodzie, zachowująca cechy indywidualne pierwiastka chemicznego.

5.2 Mechanizm tworzenia się serii widmowych

Seria widmowa to seria wąskich linii widma emisyjnego lub absorpcyjnego zawsze występujących razem i związanych ze sobą mechanizmem powstawania.

Powstawanie linii widma emisyjnego (emisja=wyrzucanie):

Przy przejściu elektronu z wyższego poziomu energetycznego na niższy występuje uwolnienie skwantowanej ilościi energii równej różnicy energii pomiędzy poziomami energetycznymi. Wyemitowana energia odpowiada konkretnej częstotliwości światła, więc świecenie występuje tylko w wybranych częstotliwościach. Widmo emisyjne to czarne tło -z jasnymi, barwnymi linimi (barwne linie to światło o charakterystycznych częstotliwościach).

Powstawanie linii widma absorpcyjnego (absorpcja=pochłanianie):

Jeśli na drodze światła o widmie ciągłym znajdzie się chłodny np. wodór, wtedy część światła będzie pochłaniana. Będzie to światło o dokładnie takich częstotliwościach, które emituje gorący np. Wodór. Wystąpią ciemne linie na tle widma ciągłego - widmo absorpcyjne.

Każdy pierwiastek ma charakterystyczny dla siebie układ linii emisyjnych i absorpcyjnych. Pozwalają one rozpoznać dany pierwiastek (na tym polega analiza widmowa).

5.3 Teoria Bohra i zakres jej stosowalności:

Teoria Bobra - można ją stosować dla atomu wodoru, a także do tzw. układów wodoropodobnych jądra 2e i jednego elektronu, np. He⁺, Li⁺⁺.

Postulaty Bobra:

1. Istnieją dwa stany stacjonarne atomu, w których nie wypromieniowuje on energii.

2. Moment pędu elektronu w stanie stacjonarnym ma wartość Ln=n*h(kreślone), H(kreślone)=h/2π, n=1,2,3.

3. Przy przechodzeniu atomu z jednego stanu stacjonarnego do innego zostaje wyemitowany lub pochłonięty kwant energii.

5.4 Równanie falowe cząstki - Schrodinger

Umożliwia wyznaczenie energii atomu jednoelektrodowego stanów stacjonarnych.

(б²ψ / бX²) + (б²ψ / бY²) + (б ²ψ / бZ²) + (2m/h²) * (E+V) ψ = 0

Z teorii tej wynika, że w kwantowo mechanicznym obrazie struktury atomu wodoru orbitą Bohra odpowiadają max wartości prawdopodobieństwa znalezienia elektronu

5.5 Stany energetyczne elektronu w atomie.

Stan energetyczny odpowiadający wartości n = 1 nazywany jest stanem podstawowym (niewzbudzonym). Wszystkie inne stany odpowiadające n > 1 (n = 1,2, ..., 7) nazywane są wzbudzonymi. Gdy n (główna liczba kwantowa) wzrasta, to wzrasta energia kolejnych poziomów energetycznych. Bezwzględna wartość W_n to energia wiązania w atomie elektronu znajdującego się w stanie n.

5.6 BUDOWA UKŁADU OKRESOWEGO

UKŁAD składa sie z 18 grup i 7 okresów, pierwiastków wystepujacych w przyrodzie i wytworzonych sztucznie, uporządkowane wg rosnącej liczby atomowej. Osobno w dwuch dodatkowych okresach umieszczono pierwiastki o liczbach atom od 57 do 71 - lantanowce oraz od 89 do 103 aktynowce. UKŁAD został podzielony na bloki:

#s(atomy w zewnetrznej powłoce elektronowej n mają tylko jedno podpowłoke(orbital) s zapełniną jednym s¹ lub s²

#p (obejmuje pierwiastki grup od 13 do 18 zewnetrzna powłoka składa sie z dwóch orbitali s i p)

#d (obejmuje pierwiastki grup od 3 do 12. atomy tych pierwiastków w zewnętrznej powłoce elrktr. N mają jedną podpowłokę s zajętą przez 1 lub 2 elektrony. Kolejne elektrony uzupełniają wewnętrzną (n - 1) podpowłokę d która może przyjąc od 1 do 10 elektronów)

#f (tworzą lantanowce i aktynowce. W atomach tych pierwiastków przy zapełninych powłokach zewnętrznych, kolejne elektrony umieszczone są na wewnetrznej (n-2) podpowłoce f, tworząc konf. elktronową (od f1 do f14)

6.1. Modele budowy jądra atomowego.

Model powłokowy - opiera się na fakcie, że elektrony mają pewien spin jądrowy
i mogą obsadzać tylko wybrane poziomy energetyczne oraz dozwolone są tylko pewne obsadzenia tych poziomów wynikające z połówkowego spinu (zakaz Pauliego).

Model kroplowy - był jednym z pierwszych modeli budowy jądra. Zakłada on, że nukleony w jądrze zachowują się jak cząsteczki w cieczy i w związku z tym własności jądra jako całości powinny być podobne do własności kropli cieczy. Najważniejszym założeniem modelu jest to, że jądra są kuliste. Przez analogię do energii kropli cieczy oblicza się w tym modelu energię wiązania jąder atomowych z uwzględnieniem poprawki na wysycanie się sił jądrowych wraz z sześcianem odległości. Otrzymane w ten sposób wzory przewidują stałą energię wiązania na jeden nukleon dla jąder lekkich i mniejszą dla jąder o dużej masie. Prowadzi to do wniosku, że w dużych jądrach może następować rozdzielenie się na dwa fragmenty, co wyjaśnia zjawiska rozszczepienia jąder atomowych ciężkich pierwiastków.

Modele kolektywne - zakładają, że nie wszystkie zjawiska jądrowe da się wytłumaczyć jako oddziaływanie nukleonów. Według tych modeli nukleony łącząc się w grupy tworzą nowe cząstki wewnątrz jądra. Jednym z tego rodzaju modeli jest koncepcja bozonów. Opiera się ona na analogii do zjawisk kwantowych występujących w nadprzewodnikach. Cząstki elementarne łączą się w pary uzyskując nowe własności. Neutrony mają łączyć się z protonami i oddziaływać jako jeden bozon z całkowitym spinem 0, 2 lub 4.

6.2. Teoria kwarkowa Gell-Manna Zweiga

Murray Gell-Mann i George Zweig zaproponowali budowę mezonu z kwarka związanego z antykwarkiem π ⁺ =(p,
) lub π ^- =(
,n) natomiast budowę barionu (proton i neutron) z trzech kwarków lub antykwarków zwanych górny (up), dolny (down) i dziwny (strange) :u, d i s mających spin równy ½ a ładunki elektryczne odpowiednio 2/3, -1/3 i +1/3. Badania teoretyczne i doświadczalne pokazały, że kwarki są realnymi obiektami, chociaż nie można ich wyodrębnić.

6.3. Liczba atomowa, masowa

Liczba atomowa (Z) (liczba porządkowa) określa ile protonów znajduje się w jądrze danego atomu. Jest także równa liczbie elektronów wolnego atomu. Liczba atomowa jest podstawą kolejności występowania pierwiastków w układzie okresowym i z tego powodu nazywana jest także liczbą porządkową.

Liczba masowa (A) to wartość opisująca liczbę nukleonów (czyli protonów i neutronów) w jądrze (w nuklidzie) danego izotopu atomu danego pierwiastka..

6.4 Defekt masy

Defekt masy - różnica pomiędzy masą Z protonów i N neutronów a masą danego jądra atomowego o liczbie masowej A=N+Z. Brakująca masa odpowiada energii wiązania uwalnianej w trakcie łączenia się nukleonów w jądro. Energia wiązania zmienia się wraz z liczbą nukleonów w jądrze. Dla dużych liczb masowych energia wiązania maleje.

6.5 Energia wiązania jądra atomowego

Energią wiązania (B) jądra nazywa się energię, której trzeba dostarczyć jądru, aby można je było podzielić na pojedyncze , nie oddziałujące na siebie nukleony.

Zgodnie z prawem Einsteina całkowita masa układu fizycznego jest proporcjonalna do jego energii: E=M·c². Wobec tego masa jądra jako całości jest mniejsza od sumy mas nukleonów wchodzących w skład jądra. Różnica tych 2 wielkości pomnożona przez kwadrat prędkości światła równa jest energii wiązania jądra (B), którą można uważać za funkcję liczby protonów (Z) oraz całkowitej liczby nukleonów w jądrze (A):

B(Z,A) = [Z·M_p+(A-Z)M_n-M]c²,

gdzie: M_p - masa protonu, M_n - masa neutronu, M - całkowita masa jądra.

6.6 Siły jądrowe

Siły jądrowe - siły, które wiążą ze sobą protony i neutrony w jądrze atomowym. Są szczególnym przypadkiem oddziaływań silnych.

Dzielą się one na : *Elektrostatyczne; *Oddziaływania silne

Ich właściwości:

- krótki zasięg (1-2 fm)

- są najmocniejsze ze wszystkich znanych sił

- poniżej 0,5 fm są odpychające, powyżej przyciągające

- w przybliżeniu siły p-p, n-p i n-n są równe

- zależą od spinów nukleonów (a także od orientacji tych spinów),

- zależą od wzajemnej orientacji całkowitego spinu układu nukleonów S oraz ich orbitalnego momentu pędu L w ruchu względnym

6.7. Jądra trwałe i nietrwałe

Trwałymi jądrami poza nielicznymi wyjątkami są jądra, dla których Z ≤ 81, a w szczególności jądra z parzystą ilością protonów i neutronów cechują się największą trwałością i można je odnaleźć na Ziemi w znacznych ilościach. Trwałość jądra można przewidzieć na podstawie energii wiązania, którą da się wyznaczyć doświadczalnie porównując masę jądra z masą składników hipotetycznego rozpadu. Porównując masę jądra z masą hipotetycznych produktów rozpadu można określić energię, która wydzieliłaby się podczas oderwania od jądra określonej cząstki (protonu, neutronu, elektronu, pozytonu, cząstki alfa). Jeśli energia wyrwania cząsteczki jest większa od zera, to taka reakcja zazwyczaj zachodzi. Jeśli energia jest mniejsza od zera to reakcja nie zachodzi, a jądro jest trwałe.

Nietrwałe jądra są to jądra, dla których Z ≥ 93, jądra te pękają i samorzutnie w przyrodzie nie występują, otrzymuje się je sztucznie. Tendencję do rozpadu mają jądra pierwiastków ciężkich o dużej liczbie protonów i neutronów. Są to jądra z nieparzystą liczbą protonów lub neutronów. Na rozpad jąder atomowych ma wpływ stosunek liczby protonów i neutronów w danym jądrze. Im różnica jest większa tym jądro atomowe jest bardziej nietrwałe.

6.8 Przemiany Jądrowe

Jądra, dla których zachodzi 82<=Z<=92 oraz A>= 210 to naturalne pierwiastki promieniotwórcze, ulegają samorzutnie przemianom (jądrowym) emitując 3 rodzaje promieniowania , , γ.

- Promieniowanie  to jądra helu
o energii E=4,1do 8,8 MeV

rozpad alfa

- Promieniowanie  to strumień elektronów o v=0,3 do 1 c .Jest to przemiana jądrowa podczas której emitowane jest tylko promieniowanie gamma, a nie są emitowane inne cząstki.

rozpad beta

dla rozpadu
;

dla rozpadu
;

n- neutron, p- proton, e- elektron,
- antyneutrino elektronowe,
- neutrino elektronowe

- Promieniowanie γ to fotony o dużej energi fali

Polega na emisji kwantu promieniowania wynikającego z powrotu jądra ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego lub defektu masy.

6.9. Promieniotwórczość naturalna i sztuczna

Promieniotwórczość naturalna, zjawisko obecności w środowisku naturalnym substancji promieniotwórczych niezależnie od działalności człowieka (w odróżnieniu od skażeń promieniotwórczych). W środowisku można zaobserwować ponad 60 izotopów promieniotwórczych. Ze względu na pochodzenie izotopy te dzieli się na trzy kategorie:
1) pierwotne izotopy promieniotwórcze, posiadające czasy połowicznego zaniku (T1/2) powyżej 0,5 mld lat, które powstały wraz ze stabilną materią tworzącą Ziemię (nukleogeneza) i nie zdążyły się jeszcze całkiem rozpaść.

2) wtórne izotopy promieniotwórcze, które pochodzą z sekwencyjnych rozpadów niektórych izotopów należących do kategorii pierwszej (szeregi promieniotwórcze).

3) kosmogenne pierwiastki promieniotwórcze, czyli grupa ponad dziesięciu izotopów promieniotwórczych lekkich pierwiastków, powstających ciągle, głównie w górnych warstwach atmosfery ziemskiej, w reakcjach jądrowych (tzw. reakcje spalacji) wywołanych przez protony promieniowania kosmicznego. Promieniotwórczość sztuczna - polega na pokonaniu przyciągania jądra atomowego przez bombardowanie jądra pociskami (cząstki stałe - alfa, beta) o energii wystarczającej do wyrwania elektronów. Ze względu na ogromną różnorodność właściwości (rodzaj promieniowania, energia promieniowania, czas życia, masa emitowanych cząstek i inne) substancje promieniotwórcze otrzymywane sztucznie znajdują znacznie szersze zastosowanie niż naturalne substancje promieniotwórcze. Promieniotwórczość sztuczna jest to promieniotwórczość izotopów uzyskanych sztucznie, przez człowieka.

6.10. Kinetyka rozpadów ciał promieniotwórczych.

Aktywność
ciała promieniotwórczego określa wzór:

gdzie: N - aktualna liczba jąder, t - czas, λ - stała rozpadu.

Zmiany aktywności w czasie mogą być rejestrowane przez licznik GM jako zmiana liczby impulsów. Do badań promieniowania jądrowego używa się: komory Wilsona, jonizacyjnej, klisz jądrowych, licznika Giegera - Mullera.

6.11 Detektory promieniowania jonizującego,

układy służące do wykrywania i rejestracji jonizującego promieniowania przenikliwego.

Wyróżnia się detektory bierne (detektory termoluminescencyjne i fotoluminescencyjne, elektrometry), detektory śladowe (klisze rentgenowskie, emulsje jądrowe, komory pęcherzykowe, komory Wilsona) oraz detektory czynne (inaczej elektroniczne: detektory gazowe, liczniki scyntylacyjne, liczniki czerenkowskie i detektory półprzewodnikowe).

7.1 Reakcje jądrowe, termojądrowe (bomba atomowa, wodorowa)

Reakcjami jądrowymi niesamorzutnymi przemianami jądrowymi nazywamy procesy, podczas których jądra atomowe przekształcają się w jądra o innej liczbie masowej A i innej liczbie atomowej Z. Reakcje jądrowe są spowodowane oddziaływaniem z cząstkami. Zachodzą pod wpływem zderzeń z cząstkami naładowanymi i nienaładowanymi.

Reakcje syntezy (termojądrowe) - czyli tworzenie się jądra atomu poprzez łączenie się nukleonów.

Reakcje rozsczepienia - ciężkie jądro w wyniku reakcji z cząstką elementarną rozpada się na dwa fragmenty, np:

Energia ta to głównie energia kinetyczna fragmentów, wyzwolone w tej reakcji
prowadzą do dalszych rozszczepień do tzw. reakcji łańcuchowej.

Mechanizm bomby atomowej: *wysokościomierz, *detonator ciśnieniowy, *głowica detonacyjna (spłonka), *konwencjonalne ład wybuchowe, *reflektor neutronów, *Uran i Pluton, *osłona ołowiana.

Masa krytyczna
50 kg

Masa krytyczna
16 kg

7.2. Fizyczne podstawy energetyki jądrowej.

Fizyczne podstawy energetyki obejmuje zagadnienia: Struktura jądra atomowego. Energia wiązania. Zasada zachowania masy i energii. Niedobór  masy. Reakcje jądrowe. Naturalne i sztuczne izotopy promieniotwórcze. Promieniowanie jądrowe i jego detektory. W 1905 r. Albert Einstein sformułował szczególną teorię względności. Jednym z wniosków z nowej teorii była równoważność masy i energii. Równoważność tę wyraża słynny wzór Einsteina E=mc2. Masę należy więc traktować jako jedną z form energii, która może przechodzić w inne formy energii. Podstawowy warunek jaki musi być spełniony aby nastąpiła emisja energii jest taki, aby masa wchodzących w reakcję materiałów była większa od masy produktów reakcji. Między masą i energią istnieje bowiem zależność: zmniejszeniu masy w czasie reakcji jądrowej towarzyszy wyzwolenie energii w ilości zależnej od ubytku masy. Podczas przemian jąder obowiązuje zasada zachowania: pędu, ładunku elektrycznego, liczby nukleonów, momentu pędu, energii, masy.

7.3 Reakcja lawinowa

Reakcja rozpadu jąder może przebiegać w sposób lawinowy lub kontrolowany. Ponieważ neutrony wyzwolone w rozpadzie mogą ulec: - sprężystemu zderzeniu - niesprężystemu zderzeniu, - pochłonięciu przez produkty rozpadu; - ucieczce poza obręb bryły; - wchłonięciu przez jądra uranu to reakcja rozwinie się lawinowo wówczas, gdy bryła ma wymiary ponadkrytyczne

7.4 Paliwo jądrowe

Paliwo jądrowe jest to substancja zawierająca materiał rozszczepialny wykorzystywana do uzyskiwania energii w reaktorach jądrowych. Paliwem jądrowym jest przede wszystkim uran 238 i jego izotop uran 235 będący w składzie U naturalnego w ilości 0,7 %. Rodzaje i formy paliwa jądrowego: a) ceramiczne:* ceramiczne dyspersyjne, *ceramiczne tlenkowe, *ceramiczne węglikowe, *ceramiczne z powłoką grafitową; b) cermetowe (cermetaliczne): *fibrowe; c) ciekłe: *wodne (czasem wody ciężkiej) roztwory soli pierwiastków rozszczepialnych, np. UO₂SO₄-H₂O(D₂O), UO₂(NO₃)₂-H₂O, *ciekłe stopy uranu lub plutonu, np. U-Bi, Pu-Bi, *stopione sole fluorków uranu lub plutonu, np. UF₄+ThF₄+BeF₄ lub UF₄+ZrF₄+NaF, *trwałe zawiesiny w wodzie lub ciekłym metalu, np. UO₂-H₂O(D₂O), PuO₂-H₂O(D₂O), UO₂+ThO₂-Na(NaK), UBi₂-Bi, d) fluidalne; e) gazowe; f) metaliczne; g) naturalne.

7.5 Wpływ promieniowania jądrowego na własności materiałów.

- powstanie przenikliwego promieniowania γ (gamma): wzbudzenie, rozszczepienie, transmutacje jąder atomów, zachodzące przy zderzeniach niesprężystych między innymi prowadzą do powstania przenikliwego promieniowania γ, które nie powoduje zmian własności fizycznych materiału, tylko długotrwałą jego radioaktywność.

- uszkodzenie radiacyjne struktury: największe uszkodzenia wywołują neutrony prędkie. Kaskadowe przekazywanie pędu przez pierwotnie wybite atomy, atomom dalszym powoduje powstanie lawiny atomów odrzutu. Lawina przesuwając się może wywołać: jonizację, defekt Frenkla, obce atomy w pozycjach międzywęzłowych, krowdiony (lokalne zagęszczenie atomów wzdłuż prostej sieciowej o najgęstszym ułożeniu atomów), fokusowy (wzajemne zderzenia atomów bez przemieszczeń mające działanie ogniskujące.)

- własności mechaniczne: zmiana składu chemicznego, struktury, defekty sieciowe powodują wzrost twardości, modułu sprężystości granicy plastyczności, wytrzymałości przy jednoczesnym zmniejszeniu wydłużenia w momencie pękania, zmniejszenie plastyczności, wytrzymałości na pełzanie i zmęcznie oraz odporności na pękanie, a w przypadku stali konstrukcyjnych niekorzystne podwyższenie temperatury przejścia w stan kruchości.

- pełzanie radiacyjne: polega na ciągłym odkształcaniu plastycznym materiałów z niewielkimi prędkościami pod wpływem stałego obciążenia i działania promieniowania neutronowego.

- pęcznienie radiacyjne paliwa jądrowego jest wynikiem rozszczepienia izotopów rozszczepialnych. Polega na tworzeniu się porów i pęcherzy gazowych z gazowych produktów rozszczepienia jądrowego Kr 38 i XE 133. Zanikać może szczelina pomiędzy paliwem a koszulką. Wzrost objętości dochodzi do 10%.

8.1 Podział rektorów jądrowych, budowa, zastosowanie Budowa reaktora:1. Pręt bezpieczeństwa, 2. Pręt sterujący, 3. Osłona betonowa, 4. Wymiennik ciepła, 5. Grafit, 6. Pręty uranowe, 7. Pompa. Wpływ promieniowania neutronowego na strukturę i własności materiałów: *Powstawanie przenikliwego promieniowania beta; *Uszkodzenie radiacyjne struktury; *własności mechaniczne; *pełzanie radiacyjne; *pącznienie radiacyjne

Rodzaje reaktorów

- PWR reaktor ciśnieniowy chłodzony i moderowany lekką wodą

- BWR rekator wrzący chłodzony i moderowany lekką wodą

- LWR reaktor chłodzony i moderowany lekką wodą

- HWR reaktor cieżko wodny

- HWLWR - reaktor wrzący chłodzony lekką wodą moderowany wodą ciężką

- PHWR - reaktor ciśnieniowy chłodzony i moderowany ciężką wodą

- SGHWR - reaktor wrzący chłodzony lekką wodą moderowany wodą ciężką

- HWGCR - reaktor chłodzony gazem moderowany cięzką wodą

- CANDU - reaktor kanadyjski typu PHWR

- LWGR - reaktor chłodzony lekką woda z moderatorem grafitowym

Inny podział:

Typy reaktorów:

- termiczny, prędkie i pośrednie - ze względu na energię neutronów wywołującą rozszczepienie

- jednorodne i niejednorodne - różniace się sposobem umieszczania paliwa i moderatora

- wodne gazowe organiczne lub chłodzone ciekłymi metalami - zależne od rodzaju i postaci chłodziwa

8.2 Elektrownie jądrowe a konwencjonalne

Koszty:

1.Wybudowanie elektrowni jądrowej jest o połowę droższe od wybudowania elektrowni węglowej, a kilkakrotnie droższe od uruchomienia elektrowni parowo wodnej

2.Koszt w przeliczeniu na jednostkę wytwarzanej energii jest 10 razy wyższy dla gazu i 100 razy wyższy dla węgla w stosunku od kosztów energii uzyskanej w elektrowni jądrowej

3.Wyprodukowanie 1000 MW energii: 30 ton paliwa jądrowego, 3x10⁶ ton węgla, miliard metrów sześciennych gazu ziemnego- obecnie najdroższe paliwo

4.Koszty transportu: dla elektrowni węglowej: 70 000 40-tonowych wagonów, dla elektrowni jądrowej dwa 40 tonowe wagony, dla elektrowni parowo gazowej ogromne rurociągi

5.Koszty zagospodarowania odpadów i zamknięcia wyeksponowanej elektrowni

Zanieczyszczenia i zagrożenia:

1.Elektrownie jądrowe nie emitują praktycznie do atmosfery żadnych zanieczyszczeń

2.Elektrownie jądrowe emitują do środowiska miliardy ton odpadów rocznie, stąd tez produkcja 1 gigawata energii rocznie kosztuje około 130 przedwczesnych zgonów

3.Szkodliwe oddziaływanie elektrowni jądrowej liczy się do 10 lat natomiast jądrowej do 100 tys. lat po ich zamknięciu. Te porcje napromieniowania ww. czasie można porównać do dawki jaką otrzymuje kobieta nosząca przez 8 h buty na wysokim obcasie

4.Zanik aktywności wypalonego paliwa jądrowego trwa bardzo długo dopiero po czasie kilkudziesięciu tysięcy lat aktywność jego stanie się równa aktywności rudy z jakiego zostało wyprodukowane

5.Pręty wypalonego paliwa są silnie promieniotwórcze. Składa się na to aktywność kilkudziesięciu powstałych po rozszczepieniu pierwiastków

8.3 Transport paliwa jądrowego i składowanie wypalonego paliwa.

Transport paliwa jądrowego odbywa się koleją, samochodami, samolotami i statkami. W różnych opakowaniach, gwarantujących integralność przesyłki w czasie transportu i określoną w przepisach osłonność przed promieniowaniem.

Składowanie: Pierwszy sposób to gromadzenie wypalonego paliwa w głębokich, wyeksploatowanych kopalniach soli np.w Niemczech lub pod dnem mórz np. Szwecja. Drugi sposób polega na przechowywaniu wypalonego paliwa w zbiornikach wodnych lub w zbiornikach betonowych, chłodzonych powietrzem.

8.4. korzyści oraz szkodliwości wynikające z użytkowania energii jądrowej. (to samo co 8.2)

9.1. Wielkości charakteryzujące pole elektrostatyczne i związki pomiędzy nimi.

Pole elektrostatyczne (pole elektryczne) - pole fizyczne, stan przestrzeni w której na ładunek elektryczny działa siła. Pole to opisuje się przez natężenie pola elektrycznego lub potencjał elektryczny. Za pole elektrostatyczne (pole elektryczne statyczne) uznaje się niezmieniające się w czasie pole elektryczne, które z kolei jest obecnie uznawane za składnik pola elektromagnetycznego.

Natężenie pola elektrycznego jest polem wektorowym
, definiowane jest przez siłę
działającą podzieloną przez ładunek elektryczny q:

Potencjał elektryczny. Mówi on nam jaką energię będzie miał ładunek próbny umieszczony w danym punkcie pola. Z definicji:

Związki:

Pole elektryczne jest polem potencjalnym a opisująca go funkcja to potencjał elektryczny. Związek między natężeniem pola elektrycznego a potencjałem wyraża się wzorem:

Punktowy ładunek elektryczny wytwarza pole określone wzorem:

Natężenie pola elektrostatycznego jest wprost proporcjonalne do napięcia.

9.2 Oddziaływanie pola elektrycznego na materię (to samo co 9.3.)

9.3. Przewodniki w polu elektrostatycznym (elektrycznym)

W przewodniku występują ładunki swobodne.

Ładunki elektryczne pod działaniem pola mogą się przemieszczać tak, aby we wszystkich punktach wewnątrz przewodnika E = 0

Pole o natężeniu E powoduje: *Indukowanie na powierzchni przewodnika swobodnych ładunków; *Powierzchnia przewodnika jest powierzchnią ekwipotencjalną, czyli wektor E jest w każdym punkcie powierzchni do niej prostopadły; *Ładunki indukowane i nieskompensowane gromadzą się tylko na powierzchni; *Ładunki wyindukowane wzmacniają wewnętrzne pole (w dużej odległości E = 3E₀; *Natężenie pola w pobliżu naładowanego przewodnika zależy tylko od jego gęstości powierzchniowej ładunku i ośrodka otaczającego przewodnik ( = GS = DS; D = σ, E = σ/E₀); *Rozkład ładunków nie jest równomierny, największa gęstość jest na ostrzu lub powierzchni silnie zakrzywionej (piorunochron)

9.4 Dielektryki, moment dipolowy, rodzaje polaryzacji.

Dielektryki

Dielektrykami ogólnie nazywamy materiały, których rezystywność w warunkach normalnych jest większa od 10⁹ m. Precyzyjnie mówimy, iż są to materiały o szerokości przerwy energetycznej pomiędzy pasmem walencyjnym, a pasmem przewodnictwa większej od 2,5 eV.

Pod względem struktury atomowej lub cząsteczkowej dielektryki można podzielić na materiały złożone z:

* Atomów obojętnych o zapełnionych zewnętrznych powłokach elektronowych (gazy szlachetne);

* Cząsteczek kowalencyjnych (gazy nieszlachetne);

* Cząsteczek kowalencyjnych dipolowych (dielektryki organiczne);

* Jonów tworzących sieć krystaliczną (kryształ NaCl).

Najlepsze własności dielektryczne mają dielektryki złożone z atomów lub cząsteczek obojętnych, a najgorsze dielektryki jonowe. Charakterystyczne dla dielektryków jest to, że po umieszczeniu ich w zewnętrznym polu elektrycznym lub poddaniu działaniu takich czynników jak naprężenia mechaniczne lub promieniowanie termiczne wykazują one zmianę przestrzennego rozkładu związanych ze sobą cząsteczek lub fragmentów atomów będących nośnikami różnoimiennych ładunków elektrycznych.

Moment dipolowy

Moment dipolowy występuje w cząsteczkach w przypadku nierównomiernego rozmieszczenia ładunku dodatniego i ujemnego w cząsteczkach. Są to tzw. cząsteczki polarne czyli biegunowe. Wielkość momentu dipolowego określa iloczyn ładunku i odległości między biegunami w cząsteczce dwubiegunowej:

m=e*l

gdzie: m-moment dipolowy
e-wielkość ładunku
l-odległość między biegunami dipolu

Elektryczny moment dipolowy p dwóch punktowych ładunków o jednakowych wartościach q i przeciwnych znakach jest równy iloczynowi odległości między nimi i wartości ładunku

dodatniego:

Wektor d ma kierunek prostej łączącej ładunki i zwrot od ładunku ujemnego do dodatniego.

Rodzaje polaryzacji

Istnieją trzy podstawowe mechanizmy przemieszczania się ładunków w dielektrykach: elektronowy, jonowy i dipolowy.

Polaryzacja elektronowa

Jeżeli atom umieścić w zewnętrznym polu elektrycznym, kształt chmury elektronowej ulega zmianie, a środek ciężkości jej ładunku ujemnego przesuwa się w stronę dodatniego bieguna źródła pola. Atom staje się dipolem elektrycznym o momencie dipolowym
w przybliżeniu proporcjonalnym do wartości przyłożonego pola
. Powstawanie w materii dipoli na skutek przesuwania się chmur elektronowych nazywamy polaryzacją elektronową ośrodka.

Polaryzacja jonowa

Jeżeli do kryształu jonowego przyłożyć zewnętrzne pole elektryczne, nastąpi przesunięcie jonów: dodatnich w kierunku zewnętrznego bieguna ujemnego, ujemnych - w kierunku zewnętrznego bieguna dodatniego. Sieć krystaliczna ulegnie deformacji. Te mikroskopowe przesunięcia spowodują, że makroskopowa bryłka substancji naładuje się dodatnio z jednej, a ujemnie z drugiej strony. Omówiony mechanizm nazywamy polaryzacją jonową.

Polaryzacja dipolowa

W określonej temperaturze ustala się pewna równowaga dynamiczna. W jej efekcie następuje pewne naelektryzowanie obojętnej bryłki substancji w zewnętrznym polu elektrostatycznym - dipole średnio są nieco bardziej odwrócone dodatnim swoim biegunem ku zewnętrznemu biegunowi ujemnemu, a ujemnym biegunem - ku zewnętrznemu biegunowi dodatniemu. Mechanizm ten nazywamy polaryzacją dipolową.

Polaryzacja dipolowa maleje ze wzrostem temperatury - im temperatura wyższa tym silniejsze jest zjawisko niszczenia uporządkowania dipoli przez ruchy termiczne.

9.5 Dielektryki w polu elektrostatycznym

Dielektryki- substancje nie przewodzące prądu elektrycznego. Nie występują w nich swobodne ładunki elektryczne. Pod wpływem właściwości elektrycznych cząsteczki dielektryka stanowią dipole elektryczne o momencie pe=ql q- wartość całkowita ładunków + lub - , l odległość środków ciężkości ładunków + lub -

Pod działaniem pola elektrostatycznego dipole orientują się równolegle do linii sił pola - występuje polaryzacja orientacyjna

- moment pary sił

- moment dipolowy

- natężenie pola elektrostatycznego

Gdy pole jest niejednorodne - następuje dodatkowo przesunięcie dipola w kierunku gdzie natężenie pola jest wyższe

9.6 Ferroelektryki, piezoelektryki oraz ich techniczne zastosowanie

Ferroelektryki. Grupa dielektryków krystalicznych, w których przy braku zewn. Pola elektrycznego zachodzi spontaniczna orientacja momentów dipolowych cząstek wchodzących w skład sieci krystalicznej. Powstaja domeny spolaryzowane w różnych kierunkach. Ferroelektryki mają zastosowanie w elektronice, radiotechnice stosuje się je na budowę kondensatorów o dużej pojemności.

Piezoelektryk. Piezoelektryczność występuje w tych kryształach, które nie mają swojego środka symetrii, np. w kryształach kwarcu. Materiały które ulegają mechanicznej deformacji kryształu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego (zjawisko piezoelektryczne proste), a także materiały w których powstawają na przeciwległych ścianach kryształów ładunki elektrycznych przeciwnego znaku w wyniku deformacji kryształu (zjawisko piezoelektryczne odwrotne).Wykorzystywane są w różnych dziedzinach nauki i techniki. Najbardziej popularne to zastosowania to:w zapalarkach do gazu, zapalniczkach.

9.7. Termodynamiczne zastosowania dielektryków stałych: przełączniki optyczne

Niebian litu, LiNbO₃, domieszkowany TiO₂,przełącznik optyczny zmienia współczynnik załamania światła pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego.

Współczynnik załamania zależy od polaryzowalności atomów wchodzących w skład materiału. Większą polaryzowalność maja jony o większym promieniu i o małym ładunku.

9.8 Techniczne zastosowania dielektrykow stalych: kable swiatlowodowe:

Światłowód - falowód jest to struktura przeznaczona do kierunkowego przesyłania fal z zakresu widzialnego i bliskiej podczerwieni. Obecnie spotyka sie go w formie ukladu soczewek szklanych lub gazowych ustawionych w odleglosci podwojnych ogniskowej lub wlokien dielektrycznych - najczesciej szklanych grubosci kilku mikrometrow o malym wspolczynniku zalamania, z otulina z tworzywa sztucznego, charakteryzujacego sie mniejszym wspolczynnikiem zalamania swiatla niz wartosc tego wspolczynnika dla szkla. Do transmisji danych, wykorzystywana jest odpowiednio modulowana wiazka swiatla (zapobiega znieksztalceniom sygnalu) ktorej zrodlem moze byc laser lub dioda LED. Swiatlowody nie emituja zewnetrznego pola elektromagnetycznego, w zwiazku z czym niemozliwe jest podsluchanie transmisji. Cechuje jest duza odpornosc na zaklucenia elektromagnetyczne zewnętrzne.

9.9 Techniczne zastosowanie dielektryków stałych - mikrofony elektretowe:

Mikrofony elektretowe - są odmianą mikrofonów pojemnościowych. Membrana mikrofonu elektretowego jest kondensatorem, gdzie dielektrykiem (izolatorem) jest specjalny rodzaj ceramiki. Ceramika - elektret ten jest stale spolaryzowany, czyli zachowuje się dokładnie tak, jakby do jego okładzin było przyłożone napięcie stałe. Taki elektret nie wymaga zasilania dużym stałym napięciem polaryzującym, to jednak ma bardzo mała pojemność, a tym samym ogromną odporność i również musi być wyposażony we wzmacniacz przymikrofonowy - układ transformujący impedancje.

Rodzaje mikrofonów elektretowych: *dwukońcówkowy; *trzykońcówkowy:

10.1 Ogólna charakterystyka półprzewodników

Półprzewodniki - najczęściej substancje krystaliczne, których konduktywność (zwana też konduktancją właściwą) jest rzędu 10^-8 do 10^5 S/m (simensa na metr). Wartość rezystancji półprzewodnika maleje ze wzrostem temperatury. Półprzewodniki posiadają pasmo wzbronione między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia w zakresie 0 - 5 eV (np. german Ge 0,7 [eV], krzem Si 1,1[eV] ).

Rodzaje półprzewodników:

*samoistne jego materiał jest idealnie czysty bez żadnych zanieczyszczeń struktury krystalicznej, których koncentracja elektronów jest równa koncentracji dziur.

*domieszkowe mające w strukturze kryształu dodatkowe atomy pierwiastka, który nie wchodzi w skład półprzewodnika samoistnego. Na przykład domieszka krzemu (Si) w arsenku galu (GaAs). Ponieważ w wiązaniach kowalencyjnych bierze udział ustalona liczba elektronów podmiana któregoś z jonów atomem domieszki może spowodować wystąpienie nadmiaru (domieszka donorowa, typu n) lub niedoboru (domieszka akceptorowa, typu p) elektronów.

Zastosowanie półprzewodników: diody, tranzystory, hallotron, termistor

10.2 Podział półprzewodników: (w 10.1 i 10.3.)

10.3 Półprzewodniki samoistne i domieszkowe

Półprzewodniki samoistne

- N_B=N_A=0 w warunkach równowagi termicznej

- koncentracja elektronów n i dziur p są jednakowe i równe koncentracji samoistnej ni

- średni czas życia nośnika to czas jaki upływa między procesem generacji a rekombinacji n=p=n_i=BαT^3/2exp(-ΔE/2kT)

- zależność temperatury przewodnictwa właściwego czystych półprzewodników δ(T) = exp(-ΔE/2kT)

- n=p=ni więc przewodnictwo wynosi δ=|e|n_i(μ_e+μ_n)

- ruchliwość nośników (prócz temp. < 100K) jest proporcjonalna do T^-3/2

^- Przewodnictwo bardzo szybko zmienia się z temperaturą zmiana koncentracji nośników

Półprzewodniki domieszkowe

- w sieci krystalicznej znajdującej się inny atom tzw. domieszka akceptorowa i donorowa

- w niskiej i pokojowej temperaturze prawie wszystkie donory są zjonizowane oddając swe elektrony do pasma przewodnictwa

- taką samą rolę jak domieszki mogą spełniać istniejące niedoskonałośći w budowie krystalicznej

• występuje zależność przewodnictwa od temperatury

10.4 Model pasmowy.

Pasma określają dozwolone dla elektronów stany energetyczne. Pod wpływem wzbudzeń termicznych część elektronów uzyskuje wystarczającą energię do pokonania przerwy energetycznej i przechodzi do pasma przewodnictwa, gdzie staje się swobodnymi nośnikami prądu. Jednocześnie w paśmie walencyjnym powstają dziury.

10.5 Donory i akceptory

Donory - domieszki półprzewodników. Przewodnictwo elektryczne w półprzewodnikach donorowych wynika z faktu występowania w nich nadmiaru elektronów. W warunkach normalnych energia termiczna pozwala na przeniesienie elektronu z poziomu donorowegod o pasma przewodnictwa - powstaje swobodny elektron w paśmie przewodnictwa, uczestniczący w przewodzeniu prądu elektrycznego.

Akceptory - domieszki półprzewodników. Przewodnictwo elektryczne w półprzewodnikach akceprotoych wynika z faktu występowania w nich deficytu elektronów, który objawia się w postaci tzw. dziur elektronowych.

W warunkach normalnych energia termiczna pozwala na przeniesienie elektronu z pasma walencyjnego do poziomu akceptorowego - powstaje swobodna dziura w paśmie walencyjnym, uczestniczący w przewodzeniu prądu elektrycznego

10.6. Złącze n-p

Złączem p-n nazywane jest złącze dwóch półprzewodników niesamoistnych o różnych typach przewodnictwa: P i N. W obszarze typu N występują nośniki większościowe ujemne (elektrony) oraz unieruchomione w siatce krystalicznej atomy domieszek (donory). Analogicznie w obszarze typu P nośnikami większościowymi są dziury o ładunku elektrycznym dodatnim oraz atomy domieszek (akceptory). W półprzewodnikach obu typów występują także nośniki mniejszościowe przeciwnego znaku niż większościowe; koncentracja nośników mniejszościowych jest dużo mniejsza niż większościowych.

Dzięki dyfuzji elektronów z obszaru n do p i dziur z obszaru p do n powstaje w warstwie przejściowej strefa ujemnego i dodatniego ładunku przestrzennego, stanowiącego warstwę zaporową. W warunkach równowagi termodynamicznej nie płynie prąd elektryczny.

Polaryzacja w kierunku zaporowym (dodatni biegun napięcia jest dołączany do obszaru N.)- bariera potencjału zwiększa się, gdyż do napięcia dyfuzyjnego dodaje się napięcie zewnętrzne. Przy takiej polaryzacji płynie tylko niewielki prąd unoszenia, zwany tutaj prądem wstecznym. Wartość prądu wstecznego praktycznie nie zależy od wartości przyłożonego napięcia, zależy natomiast od temperatury i własności materiału, te parametry mają wpływ na ilość nośników mniejszościowych.

Polaryzacja w kierunku przewodzenia (dodatni biegun napięcia jest dołączony do obszaru P) - bariera potencjału zmniejsza się o wartość zewnętrznego napięcia U. Gdy U przekroczy wartość napięcia dyfuzyjnego, wówczas obszar zubożony znika i praktycznie bez przeszkód następuje dyfuzja nośników mniejszościowych z obszaru N do P i z P do N. Te dodatkowe nośniki (nazywane wstrzykniętymi nośnikami mniejszościowymi) rekombinują z nośnikami większościowymi w danym obszarze. Ale ze źródła zasilania dopływają wciąż nowe nośniki większościowe, zatem dyfuzja nie zatrzymuje się jak w przypadku niespolaryzowanego złącza, lecz ma miejsce cały czas. W efekcie w obwodzie płynie prąd dyfuzyjny.

10.7. Dioda krystaliczna

Diody krystaliczne zwane inaczej diodami półprzewodnikowymi. Złącze PN umożliwia przepływ prądu tylko w jednym kierunku - w kierunku przewodzenia. Po przekroczeniu tzw. Napięcia progowego U(TO) ( dla Si ok. 0,7 V, dla Ge ok. 0,2 V) prąd przewodzenia zmienia się bardzo szybko. Natomiast przy polaryzacji w kierunku zaporowym prąd jest bardzo mały - wiele tysięcy razy mniejszy niż w kierunku przewodzenia. Złącze PN ma własności prostownicze. Charakterystyki złączy PN znacznie zależą od temperatury. Ze zmianami temperatury zmienia się prąd wsteczny.

- Diody ostrzowe - mają małą obciążalność prądową, ale mogą pracować przy wielkich częstotliwościach (do kilkunastu GHz).

- Diody warstwowe - wytwarza się głównie z krzemu. Prądy przewodzenia tych diód wynoszą nawet do kilku tysięcy amperów, a napięcie wsteczne do kilku tysięcy woltów.

- Diody uniwersalne - charakteryzują się niewielkim zakresem dopuszczalnych napięć wstecznych ( do ki8lkuset woltów) i prądów przewodzenia (do kilkuset miliamperów). Częstotliwość ich pracy nie przekracza kilkudziesięciu MHz. Łącząc taką diodę z rezystorem otrzymuje się najprostszy stabilizator napięcia.

- Dioda pojemnościowa (warikap) - wykorzystuje pojemność złącz PN przy jego polaryzacji w kierunku zaporowym. Pojemność ta rzędu kilkunastu do kilkudziesięciu pikofaradów zależy od napięcia. Stosuje się je np. w odbiornikach radiowych do dostrajania częstotliwości telewizyjnych w głowicach telewizyjnych do zmiany dostrajania kanałów itp.

10.8. Tranzystor

Tranzystor - trójkońcówkowy półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego.

Wyróżnia się 2 główne grupy tranzystorów:

1) Tranzystory unipolarne (polowe) - wykorzystuje się w nich zmiany prądu płynącego przez płytkę półprzewodnika typu N lub P, wywołane poprzecznym polem elektrycznym.

Tranzystory te dzieli się na 2 grupy: A) tranzystory polowe złączowe FET i B) tranzystory polowe z izolowaną bramką MOS, MOSFET.

A) Zasadniczą częścią tranzystora polowego jest kryształ odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika z dwiema elektrodami: źródłem (symbol S) i drenem (D). Pomiędzy nimi tworzy się tzw. kanał, którym płynie prąd. Wzdłuż kanału umieszczona jest trzecia elektroda, zwana bramką (G).

Tranzystor polaryzuje się tak, ażeby nośniki większościowe (dziury w tranzystorach typu P, elektrony w tranzystorach typu N) przepływały od drenu od źródła. Natomiast złącze bramka-źródło polaryzuje się zaporowo.

Tranzystor polowy może działać w trzech zakresach pracy:

liniowym - prąd drenu liniowo zależy od napięcia dren-źródło; tranzystor zachowuje się jak rezystor półprzewodnikowy;

nasycenia - prąd drenu zależy praktycznie wyłącznie od napięcia bramka-źródło; napięcie dren-źródło musi przekroczyć określoną wartość oznaczaną.

powielania lawinowego.

B) silnie domieszkowane obszary tworzą dren oraz źródło. Powierzchnia półprzewodnika pomiędzy drenem i źródłem jest pokryta cienką warstwą dielektryka (izolatora), Na dielektryk napylana jest warstwa materiału przewodzącego (metalu) tworząca bramkę.

Tranzystor MOS polaryzuje się tak, żeby nośniki większościowe (elektrony w kanale typu N, dziury w kanale typu P) płynęły od źródła do drenu.

Wyróżnia się dwa zakresy pracy:

*zakres nienasycenia (liniowy, triodowy)

*zakres nasycenia

2) tranzystor bipolarny , który zbudowany jest z trzech warstw półprzewodników o różnym rodzaju przewodnictwa, tworzących dwa złącza PN;

Tranzystor posiada trzy końcówki przyłączone do warstw półprzewodnika, nazywane:

emiter (ozn. E), baza (ozn. B), kolektor (ozn. C).

Ze względu na kolejność warstw półprzewodnika rozróżnia się dwa typy tranzystorów: pnp oraz npn; w tranzystorach npn nośnikiem prądu są elektrony, w tranzystorach pnp dziury.

Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony 'użytkowej' polega na sterowaniu wartością prądu kolektora za pomocą prądu bazy. (Prąd emitera jest zawsze sumą prądu kolektora i prądu bazy).

Napięcie przyłożone do złącza baza-emiter w kierunku przewodzenia wymusza przepływ prądu przez to złącze - nośniki większościowe (elektrony w tranzystorach NPN lub dziury w tranzystorach PNP) przechodzą do obszaru bazy (stąd nazwa elektrody: emiter, bo emituje nośniki). Nośniki wprowadzone do obszaru bazy przechodzą bezpośrednio do kolektora - jest to możliwe dzięki niewielkiej grubości obszaru bazy - znacznie mniejszej niż droga swobodnej dyfuzji nośników ładunku w tym obszarze (ok. 0,01-0,1 mm), co pozwala na łatwy przepływ nośników przechodzących przez jedno ze złącz do obszaru drugiego złącza - nośniki wstrzyknięte do bazy niejako 'siłą rozpędu' dochodzą do złącza kolektor baza. Ponieważ złącze to jest spolaryzowane w kierunku zaporowym to nośniki mniejszościowe są 'wsysane' do kolektora.

10.9. Tyrystor

Tyrystor jest elementem półprzewodnikowym składającym się z 4 warstw w układzie p-n-p-n. Jest on wyposażony w 3 elektrody, z których dwie są przyłączone do warstw skrajnych, a trzecia do jednej z warstw środkowych. Elektrody przyłączone do warstw skrajnych nazywa się katodą (K) i anodą (A), a elektroda przyłączona do warstwy środkowej - bramką (G).

Działanie: Tyrystor przewodzi w kierunku od anody do katody. Jeżeli anoda ma dodatnie napięcie względem katody, to złącza skrajne typu p-n są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze środkowe n-p w kierunku zaporowym. Dopóki do bramki nie doprowadzi się napięcia, dopóty tyrystor praktycznie nie przewodzi prądu. Doprowadzenie do bramki dodatniego napięcia względem katody spowoduje przepływ prądu bramkowego i właściwości zaporowe środkowego złącza zanikają w ciągu kilku mikrosekund; moment ten nazywany bywa "zapłonem" tyrystora.

Zastosowanie: Jako sterowniki prądu stałego są stosowane w stabilizatorach napięcia stałego i w automatyce silników prądu stałego. Jako sterowniki prądu przemiennego - w automatyce silników indukcyjnych i w technice oświetleniowej.

10.10. Fotodioda półprzewodnikowa

Jest to dioda półprzewodnikowa, element bierny, której działanie polega na wykorzystaniu zjawiska fotoelektrycznego w złączu p-n, włącza się ją w obwód elektryczny szeregowo z zewnętrznym źródłem zasalania w kierunku zaporowym. Zmienia ona wartość prądu zależnie od natężenia promieniowania świetlnego lub podczerwone

Zasadniczym elementem fotodiody jest złącze p-n, przez które w warunkach braku oświetlenia (Φ=0) - po przyłożeniu napięcia U w kierunku zaporowym płynie zgodnie z charakterystyką prądowo-napięciową złącza - niewielki prąd I_c (tzw. prąd ciemny).

Zastosowanie:

* przy barku polaryzacji - bateria słoneczna,

* przy polaryzacji zaporowej - nieliniowy rezystor, w którym opór zależy od strumienia światła.

W obu przypadkach można wykorzystać fotodiodę jako detektor.

Zalety fotodiody w porównaniu z innymi fotoelementami to mały ciężar i wymiary, duża czułość całkowita, nieduże napięcie pracy.

10.11 Termistor

Termistor to opornik półprzewodnikowy, którego rezystancja (opór) zależy od temperatury.

Rodzaje termistorów

* NTC - o ujemnym współczynniku temperaturowym - wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się rezystancji;

* PTC - o dodatnim współczynniku temperaturowym tak zwany pozystor - wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji;

* CTR - o skokowej zmianie rezystancji - wzrost temperatury powyżej określonej powoduje gwałtowny wzrost rezystancji (bezpieczniki polimerowe)

Zastosowania

Termistory wykorzystywane są szeroko w elektronice jako:

* czujniki temperatury (KTY),

* elementy kompensujące zmianę oporności innych elementów elektronicznych

* ograniczniki natężenia prądu (bezpieczniki elektroniczne)

* Czujniki tlenu.

10.12. Dioda elektroluminescencyjna

Dioda elektroluminescencyjna (LED) zaliczamy do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitują one promieniowanie w zakresie światła widzialnego, i jak i podczerwieni. Jej działanie opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku. Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony przechodząc z wyższego poziomu energetycznego na niższy zachowują swój pęd. Jest to tzw. przejście proste. Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego. Główne parametry diod LED:

sprawność kwantowa (zewnętrzna), sprawność energetyczna, długość fali emitowanego światła, szerokość widmowa, moc wyjściowa, częstotliwość graniczna, czas narastania lub opadania, maksymalny prąd (przewodzenia) zasilający (w mA), maksymalne napięcie wsteczne (do kilku V)

10.13 Przewodnictwo elektryczne półprzewodników w funkcji temperatury

Przewodnictwo określa wzór:

- ruchliwość odpowiednio elektronów i dziur; n, p - ich koncentracje

lub

T- temp.; ruchliwość- stała Boltzmana 1,381*10^-23 [JK^-1]

W półprzewodnikach samoistnych n = p = ni (koncentracja dziur = koncentracji elektronów = n_i - koncentracja samoistna)

Przewodnictwo półprzewodników zmienia się szybko waz ze zmiana temperatury, uwarunkowane jest to zmianami koncentracji nośników. Wraz ze wzrostem temperatury rośnie koncentracja nośników, czyli opór półprzewodników maleje.

Przewodnictwo półprzewodników domieszkowych zmienia się szybko waz ze zmiana temperatury, uwarunkowane jest to zmianami koncentracji nośników od temperatury.

- temp. Niskie (a-b)- w tym obszarze dominuje rozpraszanie na domieszkach. Przewodnictwo szybko wzrasta z temperaturą skutkiem jonizacji domieszek domieszek jest związane z nośnikami większościowymi

- temp. W obszarze nasycenia (b-c) - koncentracja nośników większościowych jest prawie stała i równa koncentracji domieszek. Przewodnictwo maleje, ale słabo ze wzrostem temp.

- temp. Wysokie (c-d)- następuje jonizacja termiczna atomów materiału podstawowego, koncentracja nośników jest porównywalna do materiału samoistnego. Ruchliwość nośników maleje ze wzrostem temp. ale przewodnictwo rośnie.

11.1 Wielkości charakteryzujące pole magnetyczne i związki pomiędzy nimi.

Pole magnetyczne jest polem wektorowym, wielkości fizyczne używane do opisu pola magnetycznego to indukcja magnetyczna B oraz natężenie pola magnetycznego H (te dwie wielkości są powiązane ze sobą poprzez przenikalność magnetyczną).

Strumień magnetyczny (strumień indukcji magnetycznej) określa wzór :
lub
gdzie
. Jednostką jest WEBER [Wb] : Przez powierzchnię S=1 m² przenika strumień
jeżeli w każdym punkcie tej powierzchni składowa indukcji B=1T. gdzie
-wektor indukcji magnetycznej.

Przenikalność magnetyczna próżni
to wielkość związana z prędkością rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni. Określa zdolność danego materiału (ośrodka) do zmiany wektora indukcji magnetycznej pod wpływem wektora natężenia pola magnetycznego.

Natężenie pola magnetycznego
to wielkość wektorowa charakteryzująca pole magnetyczne.

gdzie: H - natężenie pola magnetycznego, I - prąd przepływajacy przez powierzchnię ograniczoną krzywą C.

Związki pomiędzy wielkosciami:

W Próżni:
.

W obecności substancji magnetycznej
, gdzie
- względna przenikalność magnet. Substancji.

11.2. Równania materiałowe pola elektromagnetycznego.

1.
- prawo Faradaya. Zmienne w czasie pole magnetyczne wytwarza wirowe pole elektryczne.

2.
- prawo Ampere'a rozszerzone przez Maxwella. Przepływający prąd oraz zmienne pole elektryczne wytwarzają wirowe pole magnetyczne.

3.
- prawo Gauss'a dla elektryczności. Źródłem pola elektrycznego są ładunki.

4.
- prawo Gauss'a dla magnetyzmu. Pole magnetyczne jest bezźródłowe, linie pola magnetycznego są zamknięte.

11.3 Ruch cząstek naładowanych w polach magnetycznym i elektrycznym

Bez pola magnetycznego cząsteczka porusza się prostoliniowo i pomiędzy dwoma zderzeniami w czasie  przebywa wzdłuż pola elektrycznego E drogę równą długości drogi swobodnej l. W próbce znajdującej się w polu magnetycznym tor ruchu cząsteczki jest zakrzywiony (odchyla się w jedną stronę). Ruch cząsteczki jest opisany za pomocą siły Lorenza, która mówi, że na cząstkę obdarzoną ładunkiem elektrycznym q poruszającą się z prędkością
w polach elektrycznym i magnetycznym, działa siła Lorenza

gdzie
- wektor natężenia pola elektrycznego

- wektor indukcji pola magnetycznego

- prędkość elektronu

11.5. spektrometr masowy.

Spektrometr masowy- przyrząd pozwalający uzyskać statystyczny rozkład mas atomów w danej próbce lub separację izotopów danego pierwiastka. Podstawowym rodzajem spektrometru masowego jest spektrometr statycznych skrzyżowanych pól elektrycznego i magnetycznego. Działanie tradycyjnego spektrometru mas opiera się na odchylaniu strumienia jonów badanej substancji w polu elektrycznym. Wszystkie cząsteczki analizowane w spektrometrze mas muszą mieć ładunek elektryczny. Wewnątrz spektrometru mas panuje próżnia, dzięki czemu ruch jonów nie jest zakłócany przez zderzenia z cząsteczkami gazów.

Zastosowanie: identyfikacji związków chemicznych i ich mieszanin, ustalania struktury związków chemicznych, ustalania składu izotopowego analizowanych substancji, precyzyjnego ustalania składu złożonych mieszanin związków o wysokich masach molowych.

11.6 Akceleratory cząstek

Są to urządzenia służące do nadawania cząstkom naładowanym bardzo dużych energii kinetycznych.

Zależnie od rodzaju przyspieszanych cząstek dzielą się na: akceleratory jonów (protonów, cząstek α lub jonów różnych); akceleratory elektronów.

W zależności od kształtu toru cząsteczki : liniowe - tory proste przyspieszanie polem elektrycznym; cykliczne - tory spiralne (cyklotron, synchrocyklotron, synchrotron protonowy, betatron).

12.1 Dia- para- ferromagnetyki

Diamagnetyki w polu magnetycznym

Diamagnetyki są to ciała, w których momenty magnetyczne atomów lub cząstek w przypadku braku pola magnetycznego =0.Należą do nich: gazy szlachetne, większość związków organicznych, metali Bi,Zn,Au,Cu,Ag,Hg i inne, żywice, woda, szkło, marmur.

W ciałach tych orbitalne momenty magnetyczne wszystkich elektronów w atomie lub cząsteczce równoważą się wzajemnie.

Po wprowadzeniu ich do pola magnetycznego powstaje orbitalny moment magnetyczny
skierowany przeciwnie niż wektor
.W celu opisania stanu namagnesowania wprowadza się wektor magnetyzacji
.

Paramagnetyki

Są nimi
,Al.Pt,Li.Dla paramagnetyków
, czyli posiadają stały moment magnetyczny niezależny od zewnętrznego pola magnetycznego. Jest ona rzędu
.Gdy pole magnetyczne nie występuje dezorientujące działanie ruchu cieplnego przeciwdziała jakiejkolwiek uporządkowanej orientacji wektorów i pojawia się stan namagnesowania substancji. Po wprowadzeniu paramagnetyka do obszaru jednorodnego zewnętrznego pola magnetycznego obserwuje się precesje orbit elektronowych oraz wektorów momentów magnetycznych atomów dookoła kierunku tego pola. Jednoczesne działanie zewnętrznego pola i ruchu cieplnego atomów powoduje występowanie dominującej orientacji mom.magnetycznych atomów wzdłuż kierunku pola .Paramagnetyki ustawiają się równolegle do linii sił i są wciągane w obszar gdzie natężenie pola jest największe.

Ferromagnetyki

Ferromagnetyk to ciało, które wykazuje własności ferromagnetyczne. Do ferromagnetyków należą m.in. żelazo, kobalt, nikiel i niektóre stopy oraz metale przejściowe z grupy żelaza i metale ziem rzadkich. Ferromagnetyki posiadają właściwości magnetyczne poniżej temperatury Curie. Ferromagnetyki mają specyficzną budowę wewnętrzną, która tłumaczy ich właściwości magnetyczne. Znajdują się w nich obszary stałego namagnesowania, tzw. domeny magnetyczne. Są to obszary, które wytwarzają wokół siebie pole magnetyczne, jak małe magnesy. Ferromagnetyki dzieli się na twarde, miękkie i półtwarde. Ferromagnetyki twarde zachowują stan namagnesowania pomimo zmian zewnętrznego pola magnetycznego. Ferromagnetyki miękkie tracą zewnętrzne namagnesowanie po usunięciu pola magnetycznego zachowując jedynie namagnesowanie resztkowe znacznie mniejsze od maksymalnego.

12.2 Magnetyki w polu magnetycznym.

Magnetyk (materiał magnetyczny) jest to materiał wykazujący własności magnetyczne, ulegają wpływowi zewn. pola magnetycznego. Podstawowe typów materiałów magnetycznych:

diamagnetyki, paramagnetyki, ferromagnetyki, ferrimagnetyki, antyferromagnetyki.

W zależności od natężenia pola magnet., przy którym zachodzi ich magnesowanie oraz trwałości stanu namagnesowania po usunięciu zewn. (magnesującego) pola magnet. m.m. dzieli się na materiały magnet. twarde (magnesowanie w silnych polach magnet. o natężeniu większym niż 10³ A/m, namagnesowanie trwałe - zanikające dopiero pod wpływem przeciwnie skierowanego silnego pola magnet.) oraz materiały magnet. miękkie (magnesowanie w słabych polach magnet. o natężeniu poniżej 10³ A/m, namagnesowanie nietrwałe - zanikające prawie zupełnie po usunięciu zewn. pola magnet.). M.m. zachowują swoje własności magnet. w ograniczonym zakresie temp.; ich namagnesowanie maleje wraz ze wzrostem temp., a po osiągnięciu temp. krytycznej - zw. dla ferromagnetyków temp. (punktem) Curie, a dla ferrimagnetyków temp. (punktem) Neela - stają się paramagnetykami.

Materiały magnet. twarde cechuje duża koercja i szeroka pętla histerezy; stosuje się je przede wszystkim na magnesy trwałe

Materiały magnet. miękkie charakteryzuje duża przenikalność magnet., mała koercja, małe straty na przemagnesowanie oraz wąska i smukła pętla histerezy.

12.3 Techniczne zastosowania materiałów magnetycznych.

Światłowód- Światłowód to struktura prowadząca fale elektromagnetyczne o częstotliwościach optycznych. Ogólnie, światłowód możemy określić jako falowód optyczny. Popularne rodzaje światłowodów to światłowody włókniste (najczęściej - błędnie - określane po prostu jako światłowody), światłowody warstwowe i światłowody paskowe. Światłowody są wykorzystywane jako elementy urządzeń optoelektronicznych, składniki optycznych układów zintegrowanych lub do transmisji sygnałów na duże odległości, jak również do celów oświetleniowych.

Zastosowanie elektretów - przetworniki elektroakustyczne i elektromechaniczne, filtry elektrostatyczne oraz kserografi

Mikrofony

Lewitacja nadprzewodników w polu magnetycznym jest także jednym z zastosowań technicznych

13.1 Właściwości ciał w niskich temperaturach.

Przy bardzo niskich temperaturach (zazwyczaj nie więcej niż kilka kelwinów) mogą w przypadku niektórych substancji pojawić się makroskopowe zjawiska kwantowe, takie jak nadprzewodnictwo czy nadciekłość. Oprócz znikania oporu elektrycznego w niskich temperaturach, pojawia się szereg innych ciekawych właściwości ciał, zaś przejście od stanu normalnego do stanu nadprzewodzącego ma wszelkie cechy przejścia fazowego. Określa się temperaturę krytyczną i krytyczne pole magnetyczne, które to parametry odpowiadają przejściu fazowemu pomiędzy stanem normalnym a stanem nadprzewodzącym. Oznacza to , że normalny przewodnik przechodzi do stanu nadprzewodzącego jeśli obniżymy jego temperaturę poniżej temperatury krytycznej, T_c, Wartość temperatury krytycznej zależy od natężenia zewnętrznego pola magnetycznego ( H_c ) i jest maksymalna w nieobecności pola

Heike Hamerlingh Onnes zaobserwował zanik oporu elektrycznego podczas badania przewodnictwa elektrycznego rtęci (nagroda nobla 1913r) (do rys: R<10^-5 )

13.2 Efekt nadprzewodnictwa

Heike Kamerlingh Onnes zaobserwował zanik oporu elektrycznego podczas badania przewodnictwa elektrycznego rtęci. Zjawisko to zwane nadprzewodnictwem, zachodzi poniżej temperatury krytycznej Tc( Nadprzewodzący prąd: R<10^-5
nie zanika przez wiele lat).

Przejście w stan nadprzewodzenia jest przejściem fazowym odwracalnym któremu towarzyszy w temperaturze krytycznej Tc pik ciepła właściwego.

Istnieje krytyczne pole magnetyczne o indukcji Bc powyżej której nadprzewodnictwo zanika. Efekt ten zależy od temp. według następującej zależności:
.

13.3. nadprzewodniki I i II rodzaju ich struktura i zastosowanie.

Ze względu na charakter przemiany fazowej towarzyszącej przejściu materiału ze stanu przewodzącego w nadprzewodzący wyróżnia się dwa rodzaje nadprzewodników: tzw. nadprzewodniki I lub II rodzaju.

Zależność namagnesowania od pola magnetycznego dla nadprzewodnika pierwszego rodzaju I i drugiego rodzaju II. W przypadku nadprzewodnika pierwszego rodzaju istnieje tylko jedna wartość pola krytycznego. W przypadku nadprzewodnika drugiego rodzaju istnieją dwie wartości pola krytycznego

Zastosowanie nadprzewodników: *Złącza z wysokotemperaturowych nadprzewodników; *Wysokowydajne generatory o małych gabarytach; *Kable nadprzewodnikowe stosowane w bezstratnym przesyłaniu energii na duże odległości; *cienkowarstwowe bezpieczniki zwarciowe średniego i wysokiego napięcia; *reaktor syntezy termojądrowej „ Iter”; *mikroskop elektronowy; *silniki jednobiegunowe; *unoszone magnetycznie pociągi; *rezonans jądrowy - elektromagnesy o dużej jednorodności pola magnetycznego; *magnetometr - SQUID; *galwanometry z nadprzewodzącą cewką o czułości napięciowej rzędu 10-12 V; *bolometry - detektory promieniowania elektromagnetycznego; *kriotron.

13.4. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe HTS.

Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe - zaproponowane przez Georga Bednorza i Múllera w 1986 roku. Występuje w temperaturze powyżej 30 kelwinów, ten typ nadprzewodnictwa wykazują materiały tlenkowe o charakterze ceramik i będące nadprzewodnikami II rodzaju. Najwyższa temperatura krytyczna wynosi obecnie 138 K.

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe:

- są to anizotropowe kryształy jonowe o budowie warstwowej, które w zależności od domieszkowania są izolatorami lub nadprzewodnikami o bardzo nietypowych własnościach w stanie normalnym,

- maja temperatury krytyczne ok. 100K, czyli o rząd większe niż w przypadku nadprzewodników klasycznych,

- są nadprzewodnikami II rodzaju, tzn. o bardzo małej długości koherencji 10Å i dużej głębokości wnikania 2000 Å.

14.1.Zastosowanie wysokotemperaturowych kabli nadprzewodnikowych

*budowa linii energetycznych, *silniki przemysłowe, *generatory prądu, *uzwojenia magazynujące energie elektryczną, *wytwarzanie silnych pól magnetycznych w aparatach medycznych przetwarzania obrazów i rezonansu magnetycznego, *w badaniach laboratoryjnych.

14.3 Reaktor Iter

Reaktor termojądrowy o nazwie ITER (skrót od pierwszych liter angielskiej nazwy „International Thermonuclear Experimental Reactor”. Urządzenie ITER ma zostać zbudowane dopiero za 10 lat, potem ma być testowane jeszcze przez 25 lat. W reaktorze (w kształcie toroidu) plazma, którą tworzą zjonizowane atomy, jest utrzymywana w pierścieniu przez pole magnetyczne wytworzone przez silne elektromagnesy.

14.1 Mikroskop elektronowy (to samo w 4.8)

14.5 Silniki jednobiegunowe

Najważniejszym zapewne odkryciem było jednak sformułowanie w 1831 roku przez Michaela Faradaya praw indukcji elektromagnetycznej. Faraday, był w stanie przewidzieć, że przesuwanie przewodu w polu magnetycznym wzbudzi przepływ prądu. Odkrycie indukcji i sformułowanie jej praw opisujących związki między magnetyzmem, prądem elektrycznym i siłami, są podstawą konstrukcji wszelkich silników elektrycznych i prądnic - a zatem źródeł ogrzewania, światła i elektryczności - czyli tego, na czym opiera się cywilizacja naszego świata.W ciągu paru miesięcy po dokonaniu tych odkryć Faraday wynalazł pierwszy silnik elektryczny, w którym wykorzystano prawa elektromagnetyzmu do przełożenia siły prądu na obrotową siłę motoryczną. W ten sposób powstała maszyna zwana tarczowym silnikiem Faradaya (inna nazwa to dwuczęściowy silnik jednobiegunowy), zbudowana z metalowego dysku, który wirował między dwoma biegunami nieruchomego magnesu, podczas gdy napięcie podłączone było równocześnie do osi i obudowy.

Silnik mógł działać również jako prądnica: obracanie dyskiem powodowało wzbudzenie prądu

stałego w osi i obudowie. Faraday zastosował w tym celu metalowe styki ślizgowe.

14.6 Unoszone magnetycznie pociągi:

Kolej magnetyczna to kolej, w której tradycyjne torowisko zostało zastąpione przez układ elektromagnesów. Dzięki polu magnetycznemu kolej ta nie ma kontaktu z powierzchnią toru gdyż cały czas unosi się nad nim. Do realizacji tego zadania wykorzystuje się elektromagnesy wykonane z nadprzewodników (w Japonii) lub konwencjonalne (w Niemczech).

Siła odpychania pomiędzy polami magnetycznymi nadprzewodnikowych elektromagnesów nośnych znajdujących się w podwoziu pociągu i polami magnetycznymi elektromagnesów „zwykłych” zamocowanych na torze jest siłą unoszącą pojazd, np.: na wysokość 10cm. Siłę napędową dostarcza silnik elektryczny synchroniczny z segmentowym stojanem ułożonym wzdłuż toru pojazdu, biegnące pole magnetyczne wytwarzane w tych segmentach pociąga za sobą nadprzewodnikowe elektromagnesy boczne (wirnika) co nadaje napęd i pozwala osiągnąć prędkość 500[km/h] przy masie własnej 35t i obciążeniu 10t.

Elektromagnes - element elektryczny zbudowany z cewki nawiniętej na rdzeniu ferromagnetycznym (wykonanym zazwyczaj z miękkiego żelaza). Pod wpływem przepływającego przez cewkę prądu elektrycznego wytwarzane jest pole magnetyczne.

14.7 Rezonans jądrowy:

Spektroskopia NMR, Spektroskopia Magnetycznego Rezonansu Jądrowego - jedna z najczęściej stosowanych obecnie technik spektroskopowych w chemii i medycynie. Spektroskopia ta polega na wzbudzaniu spinów jądrowych znajdujących się w zewnętrznym polu magnetycznym poprzez szybkie zmiany pola magnetycznego, a następnie rejestrację promieniowania elektromagnetycznego powstającego na skutek zjawisk relaksacji, gdzie przez relaksację rozumiemy powrót układu spinów jądrowych do stanu równowagi termodynamicznej. W biochemii wykorzystuje się metodę rezonansu jądrowo-magnetycznego - jest to metoda oznaczania zawartości wody i suchej substancji w produktach spożywczych. Wykorzystuje ona zjawisko pochłaniania energii pola elektromagnetycznego w zakresie fal radiowych przez jądra atomów wodoru (z wody) znajdujących się w badanym materiale. Metoda NMR jest jedną z dokładniejszych metod, dzięki której możemy otrzymać najwięcej powtarzających się wyników. Nadaje się ona do oznaczania zawartości wody w przedziale od 3 do 100%.

14.8 magnetometr SQUID z dwoma wypustkami Josephsona

Efekt Josephsona - pomiedzy dwoma nadprzewodnikami znajduje się warstwa izolatora wielkości 1nm, przez tę warstwę możemy tunelować elektrony normalne i pary Coopera. Po przyłożeniu napiecia pojawia się nap. Przemienne o częstotliwości rzędu 0,4835*10¹⁵ . Ma to zastosowanie w pamięciach elektronicznych, generator i detektor promieniowania elektromagnetycznego w zakresie mikrofalowym i podczerwonym.

14.9. Pomiar fal mózgowych

Magnetyczne przejawy aktywności elektrycznej mierzy się za pomocą urządzeń wykorzystujących niskotemperaturowe czujniki nadprzewodzące, chłodzone ciekłym helem. Pomiaru dokonuje się go za pomocą elektroencefalogramu(EEG) przy B=10^-14 do 10^-13[T] zaś samego pomiaru dokonuje się na skórze głowy. Każde z niezliczonych wyładowań elektrochemicznych w komórkach nerwowych wewnątrz mózgu powoduje powstanie bardzo małego, aczkolwiek mierzalnego pola elektromagnetycznego o częstotliwości pomiędzy 1 Hz a 30 Hz. Wyróżniamy cztery grupy fal mózgowych, Beta, Alfa, Theta i Delta.

Beta (30-13 Hz)- oznaczają one niepokój, troskę lub nagły strach .

Alpha (12-8 Hz) - uczenie się

Theta (7-4 Hz) - Fale te objawiają się podczas snu lub głębokiej medytacji.

Delta (1-3 Hz) - Towarzyszą one stanowi głębokiego snu

14.11. Bolometry - detektory promieniowania elektromagnetycznego

Bolometr nadprzewodzący utrzymywany jest w temperaturze krytycznej. Pochłaniane promieniowanie powoduje wzrost temperatury bolometru a zatem wzrost oporu. Czułość 10 ^-12 W

14.12. Kriotron

Kriotron - przełącznik nadprzewodnikowy, którego działanie opiera się na znoszeniu nadprzewodnictwa w jednym obwodzie za pomocą pola magnet. wytworzonego w drugim obwodzie. W wyniku czego opór(rezystancja) rośnie od zera do dużych wartości. Gł. zaletami k. są: duża szybkość przełączania (od ok. 10^-4 do ok. 10^-8 s), bardzo mała moc zasilania, miniaturowe rozmiary, duża trwałość. Podstawowe dziedziny zastosowań k. to technika komputerowa i kriogenika.

Nadprzewodnictwo - zanik oporu elektrycznego poniżej tzw. temperatury krytycznej, charakterystycznej dla danej substancji; w nadprzewodzącym stanie przewodnika zmieniają się także jego własności magnetyczne i cieplne;

15. Materiały ceramiczne typu TBC w budowie silników spalinowych

Bariera cieplna (TBC) - system powłoki stosowany na metaliczne powierzchnie takie jak turbina gazowa czy części silników lotniczych i przemysłowych działających w wysokich temperaturach. Przede wszystkim używa się TBC do odizolowania elementów metalicznych od wysokiego i długotrwałego obciążenia ciepłem.

TBC spełnia dwie główne funkcje: 1) obniża temperaturę działającą na strukturę metalu i przedłuża życie komponentów poprzez redukcję utleniania i termicznego zmęczenia; 2) pozwala na pracę silników w wyższych temperaturach, co polepsza sprawność.

---