Закрыть

Проводник физика: Проводники и диэлектрики

Проводники и диэлектрики


Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока. 

Что представляют собой проводники?

Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу. 

Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.

Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод. 

Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:

  • показатель сопротивления;
  • показатель электропроводности.
Сопротивление возникает из-за того, что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность. 

Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.  

Например кабельная продукция: медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.

Что представляют собой диэлектрики?

Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу. 

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы. 

Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств. 

Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач. 

Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц.  

Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.

Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос). 

Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно. 

Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы. 

Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах. 

Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля. 

Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника. 

Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным.  

Что такое полупроводник?

Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника. 

С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы. 

Полупроводниками являются кремний и германий.

Статья по теме: Электрический ток и его скорость

Проводники, диэлектрики, полупроводники

     Все вещества состоят из атомов и молекул, имеющих положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. Атомы и молекулы электрически нейтральны, так как заряд ядра равен суммарному заряду

электронов, окружающих ядро. При наличии внешних факторов (повышение температуры, электрическое поле и т.д.) атом или молекула теряет электрон. Этот атом превращается в положительный ион, а электрон, оторвавшийся от атома, может присоединиться к другому атому, превратив его в отрицательный ион, остаться свободным. Процесс образования ионов называют ионизацией. Количество свободных электронов или ионов в единице объема вещества называется концентрацией заряженных частиц. Таким образом, в веществе, которую поместили в электрическое поле, под действием сил поля возникает процесс движения свободных электронов или ионов в направлении сил поля, назвали электрическим током.

 

     Свойство вещества проводить ток под действием электрического поля называется электропроводностью вещества, которая зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. Чем больше концентрация заряженных частиц, тем больше электропроводность вещества. Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на:

1 Проводник. Обладают очень большой электропроводностью. Проводники делятся на две группы. К проводникам первой группе относятся металлы (медь, алюминий, серебро и т.д.) и их сплавы, в которых возможно перемещение только электронов. То есть в металлах электроны очень слабо связаны с ядрами атомов и легко от них отделяются. В металлах явление электрического тока связано с движением свободных электронов, которые обладают очень большой подвижностью и находятся в состоянии теплового движения. Эту электропроводность называют электронной. Проводники используются для изготовления проводов, ЛЭП, обмоток электрических машин и т.п.. К проводникам второй группе относятся водные растворы солей, кислот и т.д., которые называют электролитами. Под действием раствора молекулы вещества распадаются на положительные и отрицательные ионы, которые под действием электрического поля начнут перемещаться. Ионы электролита при прохождении тока начнут осаждатися на электродах, опущенных в электролит. Процесс выделения вещества из электролитов электрическим током называется электролизом.

Его используют для добычи цветных металлов из растворов их соединений (медь, алюминий), а также для покрытия металлов защитным слоем другого металла (например, хромирование).

2 Диэлектрики (или электроизоляционные вещества). Вещества с очень малой электропроводностью (газы, резиновые вещества, минеральные масла и т.п.). В этих веществах электроны очень сильно связаны с ядрами атомов и под действием электрического поля редко отделяются от ядер. Т.е. диэлектрики не проводят электрический ток. Это их свойство используют при производстве электрозащитных средств: диэлектрические перчатки, обувь, коврики, изолирующие подставки, накладки, колпаки, изоляторы на электрооборудовании и т.п..

Диэлектрики могут быть: твердые, газообразные, жидкости.

 

3 Полупроводниковые (германий, селен, кремний). Это вещества, которые кроме электронной проводимости, имеют «дырочную» проводимость, которая в большой степени зависит от наличия внешних факторов: света, температуры, электрического или магнитного поля. Эти вещества имеют ковалентную связь (- это химическая связь между двумя электронами соседних атомов на одной орбите). Ковалентная связь очень непрочен. При наличии внешнего фактора он разрушается и появляются свободные электроны (электронная проводимость). В момент образования свободного электрона в ковалентной связи появляется свободный город - «электрона дыра» (эквивалентная протона), которая притягивает к себе электрон из соседнего ковалентной связи. Но тогда образуется новая «дыра», которая вновь притягивает к себе электрон из соседнего ковалентной связи и так далее. Т.е. под действием электрического поля перемещаются «дыры» в направлении поля (навстречу электронам) - движение протонов. Таким образом, при электронной проводимости - электрон проходит весь путь, а при «дырочной» - электроны поочередно замещаются по связям, каждый электрон проходит долю пути. При нарушении связей в полупроводниках одновременно возникает одинаковое количество электронов и «дырок». То есть, проводимость состоит из электронной и «дырочной» и называется собственной проводимостью полупроводника.

Свойства полупроводников возможно изменить, если в них внести примеси других веществ. Тем самым увеличить ту или иную проводимость. Это используется в промышленной электронике: диоды, транзисторы, тиристоры. Используют, как усилители, выпрямители, электронные генераторы, стабилизаторы и тому подобное. Их преимущества: малая потеря энергии, стоимость, размер и масса, простота эксплуатации, большой срок работы. Недостаток: зависимость проводимости от температуры.


Проводники в электрическом поле

Проводниками называются вещества, в которых имеются свободные электрические заряды, способные перемещаться под действием сколь угодно слабого электрического поля. К проводникам относятся металлы, электролиты, ионизованные газы.

Если поместить проводник в электрическое поле, то заряды в проводнике станут перемещаться, положительные по полю, отрицательные - против поля. На одном конце проводника будет скапливаться избыток положительных зарядов, на другом – отрицательных. Это вызовет появление в проводнике собственного поля Е, направленного против внешнего. Разделение зарядов в проводнике будет происходить до тех пор, пока собственное поле не станет равным внешнему во всех точках проводника. А, следовательно, суммарное поле будет равно 0: Е = Е0 - Е = 0 .

Это значит, что все точки проводника имеют одинаковый потенциал: Е = , следовательно, = const. Из постоянства потенциала вдоль поверхности следует, что силовые линии электрического поля в диэлектриках, окружающих проводник, перпендикулярны к поверхности проводника.

Заряды на противоположных краях проводника называются индуктированными или наведенными. Линии суммарного поля будут частично оканчиваться на отрицательных индуктированных зарядах и вновь начинаться на индуктированных положительных. Эквипотенциальные поверхности будут огибать проводник, а одна из них будет пересекаться проводником.

Возникновение индуктированных зарядов на проводнике, помещенном в электрическое поле, используется для зарядки проводников при помощи электростатических индукционных машин. Если отвести заряд одного знака на другой проводник (например, в землю) и отключить второй проводник, то первый проводник окажется заряженным.

Применив теорему Гаусса, получим, что напряженность поля вблизи поверхности проводника Е = , ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, окружающей проводник.

Рассмотрим электрическое поле, создаваемое проводником с остриями. На больших расстояниях от проводника эквипотенциальные поверхности имеют форму сферы (как у точечного заряда). По мере приближения к проводнику эквипотенциальные поверхности становятся все более сходными с поверхностью проводника.

Вблизи выступов эквипотенциальные поверхности располагаются гуще, следовательно, напряженность поля здесь больше. А значит и плотность зарядов больше. Особенно большой бывает плотность зарядов на остриях. Поэтому напряженность поля вблизи остриев может быть настолько велика, что возникает ионизация молекул газа, окружающего проводник. Ионы противоположного знака притягиваются к проводнику и нейтрализуют его заряд. Ионы того же знака начинают двигаться от проводника, увлекая с собой и нейтральные молекулы газа. В результате возникает движение газа, называемое «электрическим ветром». Заряд проводника уменьшается, он как бы стекает с острия и уносится ветром. Поэтому это явление и называется истечением заряда с острия.

Отсутствие электрического поля внутри проводника, помещенного в электрическое поле, применяется в технике для электростатической защиты приборов и проводов от внешних электрических полей (экранировка). Подобный экран действует, даже если его сделать не сплошным, а в виде густой сетки.

Диэлектрики в электрическом поле.

Диэлектриками называются вещества, не проводящие электрический ток. В идеальном диэлектрике нет свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля. Атомы и молекулы диэлектрика содержат равные количества положительных и отрицательных зарядов и в целом электрически нейтральны. Однако под действием электрического поля в диэлектрике происходит смещение зарядов в пределах атома или молекулы. Это явление называется поляризацией диэлектрика. Различают три типа поляризации: электронную, ионную и дипольную.

Диэлектрики с электронной поляризацией

Это вещества, у которых центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов атомов или молекул совпадают. К ним относятся парафин, бензол, азот, водород и т.д. при внесении во внешнее электрическое поле центры тяжести положительных и отрицательных зарядов смещаются в противоположные стороны на некоторое расстояние. Каждая молекула при этом приобретает дипольный электрический момент, величина которого пропорциональна приложенному внешнему полю. При снятии внешнего поля молекулы возвращаются в исходное состояние и дипольный момент обращается в 0. такие диполи называются упругими.

Диэлектрики с дипольной поляризацией (полярные)

Это вещества, молекулы которых имеют асимметричное строение. При этом центры тяжести положительных и отрицательных зарядов молекулы не совпадают и молекула, даже в отсутствие внешнего электрического поля представляет собой «жесткий» диполь. К ним относятся вода, нитробензол и т.д.

В отсутствие внешнего поля дипольные моменты отдельных молекул, вследствие теплового движения, ориентированы хаотично в пространстве и диэлектрик в целом дипольным моментом не обладает. При помещении в электрическое поле на каждый диполь будут действовать электрические силы, стремящиеся повернуть его вдоль поля. Ориентации диполей по полю будет препятствовать хаотическое тепловое движение. В результате этих противоположных воздействий среднее значение проекций дипольного момента молекул на направление поля станет не равным нулю. Весь диэлектрик в целом будет обладать дипольным моментом, направленным вдоль внешнего поля. Величина момента пропорциональна напряженности поля и обратно пропорциональна абсолютной температуре.

Диэлектрики с ионной поляризацией

К ним относятся вещества, имеющие ионное строение (NaCl, KCl и т.д.). При внесении их в электрическое поле происходит некоторое смещение положительных ионов кристаллической решетки по полю, отрицательных – против поля. Такой диэлектрик в целом также будет обладать дипольным моментом, направленным вдоль внешнего поля и пропорциональным его величине.

Что такое электричество, проводник и изолятор?

Электричество – это энергия движения электронов. Вся материя состоит из атомов, которые состоят из ещё более мелких частиц: протонов, нейтронов, электронов. Электроны в атоме движутся по орбитам, или окружностям, вокруг центральной части атома, которая называется ядром. Электроны способны переходить от одного атома к другому. Эти перемещения и формируют электричество.

Начиная с XIX века, оно плотно вошло в жизнь современной цивилизации и используется во всех сферах человеческой деятельности. Для получения электричества созданы электростанции, а для его хранения — аккумуляторы и электрические батареи. В наши дни потребление электроэнергии растет с каждым днем. Поэтому важно отслеживать объем и структуру энергопотребления как на уровне каждой отдельной страны, так и глобально во всем мире.

Следующие опыты с электричеством помогут нам разобраться в этом явлении, а также изучить его свойства на практике. Они рассчитаны на детскую аудиторию, но работать над ними лучше под присмотром взрослых.

Проект «Последовательное и параллельное соединение батареек»

Вольт – стандартная единица измерения напряжения электричества. Ампер – стандартная единица измерения силы тока. Последовательное – один за другим, как звенья в цепочке. Параллельное – рядом друг с другом, как рельсы.

Электричеством называется движение электронов в проводнике, а напряжение можно сравнить с давлением, например, текущей воды на трубу. Сила тока показывает количество электронов, что-то вроде объема воды, вытекающей из трубы. Батарейки производят электричество путем химической реакции. Они могут быть соединены в линию, чтобы повысить напряжение, или параллельно, чтобы увеличить силу тока. Чтобы увеличить оба показателя, можно комбинировать эти виды соединения.

Схема последовательного соединения предполагает соединение плюса каждой батарейки с минусом следующей. Две батарейки на 6 вольт и 2 ампера, соединенные таким образом, дадут 12 вольт и 2 ампера в цепи.

Схема параллельного соединения предполагает соединения плюсов с плюсами, а минусы с минусами. Две батарейки на 6 вольт и 2 ампера, соединенные таким образом, дадут 6 вольт и 4 ампера в цепи.

Смешанное соединение позволяет объединить оба типа соединения, чтобы получить любое желаемое значение напряжения и силы тока. Так, напряжение 120 вольт можно получить, последовательно соединив 20 батарей на 6 вольт. Если же при этом необходима сила тока 50 ампер, а каждая батарейка дает 1 ампер, то общая схема подключения будет выглядеть как 25 подобных цепей, соединенных параллельно.

Одна батарейка дает небольшое напряжение и силу тока. Соединяя их последовательно, можно увеличить эти показатели. Даже простая батарейка на 9 вольт представляет собой набор батареек. Данный проект показывает, как объединение батареек по разным схемам может быть использовано для достижения самых разных величин напряжения и силы тока.

Для детей такой проект может быть очень познавательным, так как он на практике показывает, как работает электричество. Например, четыре батарейки могут быть использованы для выдачи напряжения 6 вольт. Ученики могут показать собственные схемы проведения электричества.

Цель – продемонстрировать, как несколько батареек могут использоваться для увеличения напряжения и/или силы тока в цепи.

Что нам понадобится:

  • несколько батареек, которые будут соединяться последовательно и/или параллельно;
  • держатели для них или проволока и припой;
  • вольтметр, способный также измерять силу тока;
  • опционально – разобранная батарейка.

Ход эксперимента:

  1. Обратите внимание на то, что каждая исследовательская работа на тему электричества требует соб

Инженеры превратили пластиковый изолятор в теплопровод

Исследователи из Массачусетского технологического института разработали новый способ создания полимерной структуры на молекулярном уровне с помощью химического осаждения из паровой фазы. Это позволяет создавать жесткие упорядоченные цепочки по сравнению с беспорядочными «спагетти-подобными нитями», которые обычно составляют полимер. Эта цепочечная структура обеспечивает перенос тепла как вдоль, так и поперек цепей. Предоставлено: Массачусетский технологический институт / Челси Тернер.

Пластмассы - отличные изоляторы, то есть они могут эффективно удерживать тепло - качество, которое может быть преимуществом в чем-то вроде рукава для кофейной чашки.Но это изолирующее свойство менее желательно для таких продуктов, как пластиковые корпуса для ноутбуков и мобильных телефонов, которые могут перегреваться, отчасти потому, что покрытия удерживают тепло, выделяемое устройствами.

Теперь группа инженеров Массачусетского технологического института разработала полимерный теплопроводник - пластик, который, как ни парадоксально, работает как теплопровод, рассеивая тепло, а не изолируя его.Новые легкие и гибкие полимеры могут проводить в 10 раз больше тепла, чем большинство коммерчески используемых полимеров.

«Традиционные полимеры обладают как электрически, так и теплоизоляционными свойствами. Открытие и разработка электропроводящих полимеров привело к новым электронным приложениям, таким как гибкие дисплеи и носимые биосенсоры», - говорит Яньфэй Сюй, постдоктор отдела машиностроения Массачусетского технологического института. «Наш полимер может намного более эффективно проводить тепло и отводить тепло.Мы считаем, что из полимеров можно использовать теплопроводники следующего поколения для передовых приложений управления температурным режимом, таких как самоохлаждающаяся альтернатива существующим корпусам электроники ».

Сюй и команда докторов наук, аспирантов и преподавателей опубликовали свои результаты сегодня в журнале Science Advances . В команду входят Сяосюэ Ван, который вместе с Сюй внес равный вклад в исследование, а также Цзявэй Чжоу, Бай Сон, Элизабет Ли и Самуэль Хуберман; Чжан Цзян, физик Аргоннской национальной лаборатории; Карен Глисон, младший проректор Массачусетского технологического института и Александра I.Майкл Кассер, профессор химического машиностроения; и Ганг Чен, глава факультета машиностроения Массачусетского технологического института и профессор энергетики Карла Ричарда Содерберга.

Растяжка спагетти

Если бы вы увеличили микроструктуру среднего полимера, было бы несложно понять, почему этот материал так легко удерживает тепло. На микроскопическом уровне полимеры состоят из длинных цепочек мономеров или молекулярных единиц, соединенных встык. Эти цепочки часто запутываются в клубок, похожий на спагетти.Теплоносители с трудом перемещаются в этом беспорядочном беспорядке и имеют тенденцию застревать в полимерных клубках и узлах.

И все же исследователи попытались превратить эти естественные теплоизоляторы в проводники. Для электроники полимеры предлагают уникальное сочетание свойств, поскольку они легкие, гибкие и химически инертные. Полимеры также являются электрически изолирующими, то есть они не проводят электричество, и поэтому могут использоваться для предотвращения короткого замыкания таких устройств, как ноутбуки и мобильные телефоны, в руках их пользователей.

В последние годы несколько групп разработали полимерные проводники, в том числе группа Чена, которая в 2010 году изобрела метод создания «ультра вытянутых нановолокон» из стандартного образца полиэтилена. Эта техника растягивала беспорядочные, неупорядоченные полимеры в ультратонкие упорядоченные цепочки - очень похоже на распутывание гирлянды праздничных огней.Чен обнаружил, что полученные цепи позволяют теплу легко проходить через материал и через него, и что полимер проводит в 300 раз больше тепла по сравнению с обычными пластиками.

Но проводник с изолятором мог рассеивать тепло только в одном направлении по длине каждой полимерной цепи. Тепло не может перемещаться между полимерными цепями из-за слабых сил Ван-дер-Ваальса - явления, которое по существу притягивает две или более молекулы близко друг к другу. Сюй задавался вопросом, можно ли сделать полимерный материал, рассеивающий тепло во всех направлениях.

Сюй задумал текущее исследование как попытку конструирования полимеров с высокой теплопроводностью путем одновременной разработки внутримолекулярных и межмолекулярных сил - метода, который, как она надеялась, обеспечит эффективный перенос тепла вдоль полимерных цепей и между ними.

Команда в конечном итоге произвела теплопроводящий полимер, известный как политиофен, тип сопряженного полимера, который обычно используется во многих электронных устройствах.

Намеки на тепло во всех направлениях

Сюй, Чен и сотрудники лаборатории Чен объединились с Глисон и ее сотрудниками, чтобы разработать новый способ конструирования полимерного проводника с использованием окислительного химического осаждения из паровой фазы (oCVD), при котором два пара направляются в камеру и на подложку. где они взаимодействуют и образуют фильм.«Наша реакция смогла создать жесткие цепи полимеров, а не скрученные, похожие на спагетти нити в обычных полимерах». Сюй говорит.

В этом случае Ван направил окислитель в камеру вместе с паром мономеров - отдельных молекулярных единиц, которые при окислении образуют цепи, известные как полимеры.

«Мы выращивали полимеры на кремниевых / стеклянных подложках, на которых окислитель и мономеры адсорбируются и вступают в реакцию, используя уникальный самозатратный механизм роста технологии CVD», - говорит Ван.

Ван произвел сравнительно крупномасштабные образцы, каждый размером 2 квадратных сантиметра - размером с отпечаток большого пальца.

«Поскольку этот образец используется повсеместно, например, в солнечных элементах, органических полевых транзисторах и органических светодиодах, если этот материал можно сделать теплопроводящим, он может рассеивать тепло во всей органической электронике», - сказал Сюй говорит.

Команда измерила теплопроводность каждого образца, используя коэффициент теплового отражения во временной области - метод, при котором они направляют лазер на материал, чтобы нагреть его поверхность, а затем отслеживают падение температуры его поверхности, измеряя коэффициент отражения материала по мере того, как тепло распространяется в материал.

«Временной профиль спада температуры поверхности связан со скоростью распространения тепла, по которой мы смогли вычислить теплопроводность», - говорит Чжоу.

В среднем образцы полимеров были способны проводить тепло при мощности около 2 Вт на метр на кельвин - примерно в 10 раз быстрее, чем достигаются с помощью обычных полимеров. В Аргоннской национальной лаборатории Цзян и Сюй обнаружили, что образцы полимера выглядят почти изотропными или однородными. Это предполагает, что свойства материала, такие как его теплопроводность, также должны быть почти однородными.Следуя этим рассуждениям, команда предсказала, что материал должен одинаково хорошо проводить тепло во всех направлениях, увеличивая его потенциал рассеивания тепла.

В дальнейшем команда продолжит изучение фундаментальной физики, лежащей в основе проводимости полимеров, а также способов, позволяющих использовать этот материал в электронике и других продуктах, таких как корпуса для батарей и пленки для печатных плат.

«Мы можем наносить этот материал напрямую и конформно на кремниевые пластины и различные электронные устройства», - говорит Сюй.«Если мы сможем понять, как [работает] теплоперенос в этих неупорядоченных структурах, возможно, мы сможем также добиться более высокой теплопроводности. Тогда мы сможем помочь решить эту широко распространенную проблему перегрева и обеспечить лучшее управление температурным режимом».


«Случайное блуждание» теплоносителей в аморфных полимерах
Дополнительная информация: «Конъюгированный полимер с высокой теплопроводностью, полученный методом молекулярной инженерии» Science Advances (2018).Advances.sciencemag.org/content/4/3/eaar3031 Предоставлено Массачусетский Технологический Институт

Ссылка : Инженеры превратили пластиковый изолятор в теплопровод (30 марта 2018 г. ) получено 23 января 2021 г. с https: // физ.org / news / 2018-03-plastic-insulator-wire.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

физиков разработали бесконтактный метод контроля качества сверхпроводников

Tech

Получить короткий URL

Кафедра твердых тел и наносистем Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» разработала новый бесконтактный метод контроля качества, не имеющий аналогов в мире. Метод позволяет регистрировать транспортные характеристики в каждой точке длинных сверхпроводящих лент и обнаруживать дефекты.

Принесено Вам Национальным исследовательским ядерным университетом МИФИ

Сегодня во всем мире активно развиваются различные методы изготовления ленточных проводов из высокотемпературных сверхпроводящих материалов.Они могут переходить в состояние с нулевым электрическим сопротивлением при температуре выше точки кипения жидкого азота (-196 ° C), открывая широкий спектр применения сверхпроводников в технике, энергетике и медицине.

Ленточные сверхпроводники представляют собой сложный композит, который включает слой высокотемпературного материала и ряд тонких (около нескольких нанометров) прослоек, покрывающих гибкую металлическую основу. Все слои покрыты серебряным и медным покрытием. Транспортные свойства таких композитов - способность переносить электрические токи без диссипации энергии (из-за нулевого сопротивления) - значительно меняются вдоль проводника, потому что методы, используемые для их производства, очень сложны.Поэтому необходим бесконтактный контроль транспортных свойств длинных (более 100 метров) сверхпроводящих лент.

ПОДРОБНЕЕ: российские университеты «вооружаются» в борьбе с центром

Уникальный новый метод управления траекториями ленточных композитов был успешно протестирован в Лаборатории сверхпроводимости и магнетизма МИФИ. Он основан на точных расчетах пространственного распределения токов, протекающих через сверхпроводящую ленту, которые позволяют идентифицировать дефекты, а также области с пониженными транспортными свойствами.

«Мы активно используем разработанный нами метод как для выяснения причин дефектов в сверхпроводящих лентах, так и для решения практических задач: например, выбор однородных участков на лентах для последующего использования в реальном оборудовании. В нашей лаборатории мы продолжаем совершенствовать экспериментальный метод, чтобы расширить возможности и улучшить качество испытаний. В ближайшее время сверхпроводящие ленты будут испытывать в магнитном поле, транспортных токах и при различных температурах. Функции нового метода предоставят как исследователям, так и инженерам уникальные дополнительные возможности », - сказал Игорь Руднев, профессор кафедры твердых тел и наносистем, один из физиков, проводивших исследования.

Сади Карно | Французский инженер и физик

Сади Карно , полностью Николя-Леонар-Сади Карно (родился 1 июня 1796 года, Париж, о. - умер 24 августа 1832 года, Париж), французский ученый, описавший Карно цикл, относящийся к теории тепловых двигателей.

Карно был старшим сыном французского революционера Лазара Карно. Он был назван в честь средневекового персидского поэта и философа Саадди из Шираза. Его ранние годы были периодом беспокойства, и его семья пережила множество перемен судьбы. Его отец бежал в изгнание вскоре после рождения Сади; в 1799 году он вернулся, чтобы быть назначенным военным министром Наполеона, но вскоре был вынужден уйти в отставку. Писатель по математике и механике, а также по военным и политическим вопросам, старший Карно теперь имел досуг, чтобы руководить начальным образованием своего сына.

Сади поступил в Политехническую школу в 1812 году, учреждение, обеспечивающее исключительно хорошее образование, с преподавательским составом известных ученых, осведомленных о последних достижениях в области физики и химии, которые они основали на строгой математике.К тому времени, когда Сади получил высшее образование в 1814 году, империя Наполеона отступала, и европейские армии вторгались во Францию. Вскоре был осажден сам Париж, и студенты, в том числе и Сади, устроили стычку на окраине города.

Во время кратковременного возвращения Наполеона к власти в 1815 году Лазар Карно был министром внутренних дел, но после окончательного отречения императора от престола он бежал в Германию, чтобы никогда не вернуться во Францию.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишитесь сейчас

Сади оставался армейским офицером большую часть своей жизни, несмотря на споры о его выслуге, отказ в продвижении по службе и отказ принять его на работу, для которой он был подготовлен. В 1819 году он перешел в недавно сформированный Генеральный штаб, но быстро вышел в отставку, получив половину заработной платы, и жил в Париже по вызову для армейской службы. Друзья описали его как сдержанного, почти неразговорчивого, но ненасытно любопытного к науке и техническим процессам.

Начался зрелый, творческий период его жизни.Сади посещал открытые лекции по физике и химии для рабочих. Его также вдохновили долгие дискуссии с выдающимся физиком и успешным промышленником Николя Клеман-Десорм, чьи теории он далее разъяснил своей проницательностью и способностью обобщать.

Задача Карно заключалась в том, чтобы сконструировать хорошие паровые машины. Паровая энергия уже использовалась во многих сферах - отвод воды из шахт, рытье портов и рек, ковка железа, измельчение зерна, прядение и ткачество ткани - но это было неэффективно. Импорт во Францию ​​передовых двигателей после войны с Великобританией показал Карно, насколько сильно отстал французский дизайн. Его особенно раздражало то, что британцы так далеко продвинулись вперед благодаря гениальности нескольких инженеров, у которых не было формального научного образования. Британские инженеры также собрали и опубликовали достоверные данные об эффективности многих типов двигателей в реальных условиях эксплуатации; и они энергично доказывали достоинства двигателей низкого и высокого давления, а также одноцилиндровых и многоцилиндровых двигателей.

Убежденный, что неадекватное использование пара во Франции стало одной из причин ее крушения, Карно начал писать нетехническую работу по эффективности паровых двигателей. Другие рабочие до него изучали вопрос повышения эффективности паровых двигателей, сравнивая расширение и сжатие пара с производством работы и потреблением топлива. В своем эссе Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance ( Размышления о движущей силе огня ), опубликованном в 1824 году, Карно затронул суть процесса, не касаясь себя как другие покончили с его механическими деталями.

Он увидел, что в паровой машине движущая сила вырабатывается, когда тепло «падает» от более высокой температуры котла до более низкой температуры конденсатора, точно так же, как вода, падая, дает энергию в водяное колесо. Он работал в рамках калорийной теории тепла, предполагая, что тепло - это газ, который нельзя ни создать, ни разрушить. Хотя это предположение было неверным, и сам Карно сомневался в нем даже во время написания, многие из его результатов, тем не менее, были верны, в частности, предсказание о том, что эффективность идеализированного двигателя зависит только от температуры его самых горячих и самых холодных частей, а не от вещество (пар или любая другая жидкость), приводящее в действие механизм.

Хотя работа была официально представлена ​​в Академию наук и получила прекрасную рецензию в прессе, работа полностью игнорировалась до 1834 года, когда Эмиль Клапейрон, инженер путей сообщения, процитировал и расширил результаты Карно. Эту задержку в распознавании можно объяснить несколькими факторами; количество напечатанных экземпляров было ограниченным, а распространение научной литературы шло медленно, и вряд ли можно было ожидать, что такая работа появится из Франции, когда лидерство в области паровой технологии было сосредоточено в Англии на протяжении столетия. В конце концов взгляды Карно были включены в термодинамическую теорию, разработанную Рудольфом Клаузиусом в Германии (1850 г.) и Уильямом Томсоном (позднее лорд Кельвин) в Великобритании (1851 г.).

Мало что известно о дальнейшей деятельности Карно. В 1828 году он назвал себя «конструктором паровых машин в Париже». Когда революция 1830 года во Франции, казалось, обещала более либеральный режим, было предложение дать Карно правительственный пост, но из этого ничего не вышло. Он также был заинтересован в улучшении государственного образования.Когда была восстановлена ​​абсолютистская монархия, он вернулся к научной работе, которую продолжал до своей смерти во время эпидемии холеры в 1832 году в Париже.

Чем занимается физик, описание работы и как им им стать.

Физик занимается открытием и изучением способов взаимодействия энергии и материи. Физики часто проводят, исследуют и приходят к решениям или теориям в науке. Они также разрабатывают научное оборудование, например электронные микроскопы, ускорители частиц и лазеры, которые можно использовать для проведения экспериментов.

Посмотрите видео, чтобы узнать, чем занимается физик:

Пройдите бесплатный тест на карьеру

Для бесплатного теста карьеры не требуется регистрации, электронной почты или какой-либо личной информации. Это бесплатно, и вы получите полные результаты сразу после ответа на вопросы. В будущем можно будет ссылаться на результаты вашего карьерного теста, и вы получите уникальный код доступа, чтобы вы могли поделиться своими результатами с учителями, семьей и друзьями.

Как стать физиком

Чтобы стать физиком, необходимо получить докторскую степень (Ph.Д.). Однако со степенью бакалавра физики можно квалифицировать как младшего научного сотрудника и техника в аналогичных областях, таких как информатика и инженерия. Те, кто имеет степень магистра, иногда находят работу в федеральном правительстве или становятся учителями средней или старшей школы.

Если вы хотите преподавать в колледже или сосредоточиться на исследованиях, большинство вакансий требует, чтобы соискатели имели степень доктора философии. степень. Затем вы можете начать свою карьеру на временной постдокторской исследовательской должности на 2-3 года и работать с опытными учеными, пока не получите квалификацию для этой должности.

Должностная инструкция физика

Физика интересуют такие свойства природного мира, как атомные образования или сила тяжести, и он разрабатывает научные теории и модели, которые помогают им понять и объяснить это. Они могут изучать эволюцию Вселенной и фундаментальные свойства молекул и атомов. В случае применения областей практики физик может разработать медицинское оборудование и современные материалы.

Есть физики, которые проводят фундаментальные исследования для расширения научных знаний, работая в группах с другими учеными, инженерами и техниками.Физики могут работать над прикладной физикой, в которой основное внимание уделяется волоконной оптике, медицине или ядерной физике. Это считается более практичным и может быть немедленно использовано широкой публикой, в то время как те, кто работает в области теоретической физики, больше сосредоточены на том, что могло бы быть. Они используют абстрактное мышление и математические уравнения для объяснения физических свойств, которые взаимодействуют с миром или вселенной, тем самым оказывая менее прямое влияние на широкую публику.

Физики в основном работают в лабораториях частных предприятий, больницах, исследовательских центрах или университетах.Большинство из них работают полный рабочий день, но иногда могут работать на грант. Многие физики представляют результаты своих исследований на конференциях и лекциях, а также пишут научные отчеты, которые иногда публикуются в научных журналах. Основное внимание в этой профессиональной области уделяется разработке, внедрению и выводам научных экспериментов, которые, в свою очередь, будут способствовать развитию науки и промышленности. Большинство возможностей появятся в области медицины для тех, кто вступает в эту сферу карьеры.

Ресурсы по физике для студентов и преподавателей

Американское физическое общество (ссылка открывается в новой вкладке) предоставляет бесплатные материалы по физике для учащихся средних и старших классов, студентов и аспирантов. Они также рекомендуют следующие книги для начинающих физиков (ссылки открываются в новой вкладке).

Стенограмма карьеры физика

Физики и астрономы исследуют измерения Вселенной… от необъятного межгалактического пространства… до мельчайших субатомных частиц. Они изучают способы взаимодействия различных форм материи и энергии. Физики исследуют законы, управляющие пространством и временем. Они могут сосредоточиться на теоретических областях, таких как формирование Вселенной, или выбрать более практическое направление, такое как разработка технологии лазерной хирургии.

Астрономы изучают планеты, звезды и другие небесные тела. Используя телескопы и космическое оборудование, они могут исследовать нашу солнечную систему или нацеливаться на далекие галактики. Большинство физиков и астрономов работают полный рабочий день, часто в группах с инженерами и другими учеными. Они работают в высших учебных заведениях, научно-исследовательских и опытно-конструкторских организациях, а также в федеральном правительстве (особенно в НАСА и Министерстве обороны). Некоторым необходимо подавать заявки на исследовательские гранты для финансирования своей работы.Астрономы и физики большую часть своей работы выполняют в офисах.

Астрономы время от времени посещают обсерватории, поскольку данные наблюдений стали широко доступны через Интернет. Для некоторых физических экспериментов требуются ускорители частиц или ядерные реакторы, но большинство исследований проводится в небольших лабораториях. Для исследовательских и академических должностей требуется степень доктора философии. Степень магистра дает кандидатам право на большинство должностей в сфере производства и здравоохранения. Федеральное правительство нанимает ученых со степенями от бакалавра до доктора наук.Д., в зависимости от должности и агентства.

Ссылки на статьи

Бюро статистики труда, Министерство труда США, Руководство по профессиональным прогнозам, Физики и астрономы.

Национальный центр развития O * NET. 19-2012. 00. O * NET в сети.

Видео о карьере находится в открытом доступе Министерством труда, занятости и обучения США.

проводимости в полупроводниках | PVEducation

Обзор

  1. Полупроводники действуют как изоляторы при низких температурах и проводники при более высоких температурах.
  2. Проводимость возникает при более высокой температуре, потому что электроны, окружающие атомы полупроводника, могут разорвать свою ковалентную связь и свободно перемещаться по решетке
  3. Электропроводящие свойства полупроводников составляют основу понимания того, как мы можем использовать эти материалы в электрических устройствах.

Связанная структура полупроводника определяет свойства материала полупроводника. Одним из ключевых эффектов являются уровни энергии, которые могут занимать электроны, и то, как они перемещаются по кристаллической решетке.Электроны в ковалентной связи, образованной между каждым из атомов в структуре решетки, удерживаются на месте этой связью и, следовательно, они локализованы в области, окружающей атом. Эти связанные электроны не могут перемещаться или изменять энергию и, следовательно, не считаются «свободными» и не могут участвовать в протекании тока, поглощении или других физических процессах, представляющих интерес в солнечных элементах. Однако только при абсолютном нуле все электроны в этой "застрявшей" связанной структуре. При повышенных температурах, особенно при температурах, при которых работают солнечные элементы, электроны могут получить достаточно энергии, чтобы вырваться из своих связей.Когда это происходит, электроны могут свободно перемещаться по кристаллической решетке и участвовать в проводимости. При комнатной температуре в полупроводнике достаточно свободных электронов, чтобы проводить ток. При абсолютном нуле или близком к нему полупроводник ведет себя как изолятор.

Когда электрон получает достаточно энергии для участия в проводимости («свободный»), он находится в состоянии высокой энергии. Когда электрон связан и, следовательно, не может участвовать в проводимости, электрон находится в низкоэнергетическом состоянии. Следовательно, наличие связи между двумя атомами вводит два различных энергетических состояния для электронов. Электрон не может достичь значений энергии, промежуточных между этими двумя уровнями; он либо находится в низкоэнергетическом положении в связи, либо набрал достаточно энергии, чтобы освободиться, и, следовательно, имеет определенный минимум энергии. Эта минимальная энергия называется «запрещенной зоной» полупроводника. Количество и энергия этих свободных электронов, тех электронов, которые участвуют в проводимости, являются основными для работы электронных устройств.

Пространство, оставленное электронами, допускает ковалентную

Physics4Kids.com: Electricity & Magnetism: Conductors


Есть много материалов, которые позволяют зарядам легко перемещаться. Их называют проводников . Проводники имеют качество , проводимость . Думаю, это тебе не очень поможет. На самом деле вам просто нужно понять разницу между этими двумя словами. Проводник - это объект, который позволяет заряду течь.Электропроводность - это качество, связанное с проводником. Материал, который является хорошим проводником, дает очень небольшое сопротивление потоку заряда. Этот поток заряда называется электрическим током. Хороший проводник имеет высокую проводимость. (1) Металлы - традиционные проводящие материалы. Вы все время видите их дома. Это металлический провод или один из металлических штырей в электрической вилке. В металлических проводниках много свободных электронов. Свободные электроны - это электроны, которые не удерживаются атомами и поэтому могут легко перемещаться.Одними из лучших металлических проводников являются медь (Cu), серебро (Ag) и золото (Au).

(2) Некоторые проводники не являются металлами. Углерод - лучший тому пример.

(3) Вы, наверное, видели ионные проводники в лаборатории или в эксперименте. Когда вы думаете об ионных проводниках , думайте о растворах и расплавленных проводниках. Раствор , такой как соленая вода, имеет много плавающих свободных ионов. Эти ионы (заряженные атомы) могут легко течь, а ионные растворы являются очень хорошими проводниками.Одна из причин, по которой вам нужно выйти из воды, если вокруг молния, заключается в том, что вода обычно содержит растворенные ионы, и если молния попадает в жидкость (раствор), она может проводить электричество на большие расстояния и поражать вас электрическим током.

(4) Полупроводники - это проводники, которые делают возможным ваш компьютер. Если бы не полупроводники, большинство электронных безделушек было бы невозможно сделать. В полупроводниках есть свободные электроны, но их не так много, как в проводниках, и их не так легко переместить.Полупроводники обладают низкой проводимостью. Примерами являются такие элементы, как кремний (Si) и германий (Ge).

Что произойдет, если вы разделите заряды и соедините их с проводящим материалом? Обеспечение пути для движения зарядов и создание этого пути из материалов, которые позволяют легко перемещаться, приводит к потоку заряда (электронов), называемому током . Электроны будут течь из отрицательного места в положительное. Это может произойти быстро, а затем прекратиться, как при искре.Или, в случае батареи, подключенной к проводящей петле (называемой цепью), это будет продолжаться до тех пор, пока батарея не разрядится. Если ток все время идет в одном направлении, он называется постоянным или постоянным током. Однако в вашем доме одни и те же заряды перемещаются вперед и назад, поэтому это называется переменным током или переменным током. Ученые обнаружили, что противоположные заряды притягиваются, а подобные заряды отталкиваются. Итак, положительно-положительный и отрицательно-отрицательный будут отталкивать, а положительно-отрицательный - притягивать.Физики используют термин электрическая сила для описания этих притяжений и отталкиваний. Электрические силы намного сильнее, когда отрицательные заряды ближе к положительным. Чем дальше друг от друга расположены два заряда, тем слабее электрическая сила. Кроме того, чем больше заряд, тем больше будет электрическая сила.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *