Физике. физика. Электродинамика Электрические токи в металлах, вакууме и газах. Электрический ток в жидкостях

• Название: Электродинамика Электрические токи в металлах, вакууме и газах. Электрический ток в жидкостях
• Анкор: Физике
• Дата: 30.06.2022
• Размер: 4.58 Mb.
• Имя файла: физика.docx
• Тип: Документы; #621722
• страница: 7 из 19

1. Фоторезисторы. Фоторезисторами называются по­лупроводниковые приборы, электрическое сопротив­ление которых изменяется под действием светового потока. Принцип действия фоторезисторов основан на использовании явления внутреннего фотоэффекта. Сущность его состоит в том, что под действием световой энергии в полупроводнике возникают допол­нительные носители заряда — электроны и дырки, т. е. образуется дополнительная проводимость, назы­ваемая фотопроводимостью полупроводника. Сопро­тивление полупроводника при этом уменьшается. Для получения свободных электронов внутри полупровод­ника требуется меньшая энергия, чем для выбивания электронов из полупроводника. Поэтому чувствитель­ность фоторезисторов больше чувствительности ваку­умных и газонаполненных фотоэлементов.

2.Вентильные фотоэлементы. В вентильных фото­элементах световая энергия непосредственно преобра­зуется в электрическую, поэтому для них не требуется посторонних источников тока.

Принцип действия вентильного (фотогальвани­ческого) фотоэлемента основан на использовании запирающего слоя, образуемого р-n переходом.

При облучении фотоэлемента кванты света, проникая в р-n переход, увеличивают число неосновных носите­лей заряда — дырок в n - области и электронов в р - области. Дырки под действием потенциального барьера перемещаются из n - области в р - область, а электроны — наоборот. В результате на р-n переходе образуется избыток зарядов, создающих на внешних выводах фотоэлемента дополнительную разность по­тенциалов, называемую фотоэлектродвижущей силой. При замыкании электрической цепи под действием фотоэлектродвижущей силы будет проходить элект­рический ток, которым зависит от интенсивности светового потока, падающего на фотоэлемент.

Особым типом вентильных фотоэлементов являются кремниевые, которые ис­пользуются для изготовления солнечных батарей, непосредственно преобразующих солнечную энергию в электрическую.

3. Фотодиоды. Фотодиодом называется двухэлект-родный полупроводниковый прибор с одним элект­ронно-дырочным переходом, обратный ток которого изменяется под действием лучистой энергии и яв­ляется его рабочим током.

По своему устройству фотодиод подобен вентиль­ному фотоэлементу.

Фотодиоды могут включаться по двум схе­мам: с внешним источником электрического питания и без него. Режим работы фотодиода с внешним источником называется фото-диодным, а без источника — вентильным или фото-гальваническим,

Фотодиоды широко используются как приемники лучистой энергии в различных радиоэлектронных устройствах.

4. Фототранзисторы. Фоторезисторы и фотодиоды являются пассивными преобразователями лучистой энергии, т. е. не обладающими усилительными свойс­твами. В отличие от этих приборов фототранзистор является активным преобразователем, в нем проис­ходит не только преобразование энергии излучения, но и усиление.

Конструктивно фототранзистор представляет струк­туру плоскостного транзистора р-п-р или п-р-п типа. Фототранзистор имеет три электрода: эмиттер, кол­лектор и базу, причем базовая область подвергается облучению потоком лучистой энергии.

Конструктивно фототранзисторы выполняются в металлическом корпусе

Фототранзисторы, как и фотодиоды, применяются в качестве приемников лучистой энергии в различных фотоэлектронных устройствах.

5. Светодиоды. Светодиодом называют полупровод­никовый диод с одним электронно-дырочным пере­ходом, в котором происходит непосредственное пре­образование электрической энергии в энергию све­тового излучения (видимого или инфракрасного) за счет рекомбинации элек­тронов и дырок.
В обыч­ных диодах процесс реком­бинации заканчивается вы­делением энергии, которая отдается кристаллической решетке, т. е. пре- вращается в теплоту. Од­нако у полупроводников, выполненных на основе арсенида галлия, карбида кремния, при рекомбинации происходит излучение света.

Высокая надежность, большой срок службы и низкая стои­мость делают светодиоды особенно удобными в схемах современных ЭВМ (например, в схемах индикации, системах фотопамяти и др.).

Широкое применение получили не отдельные светодиоды, а матрицы светодиодов, позволяющие воспроизводить цифру или букву от А до Я, применяются в устройствах отображения информа­ции и различных табло.

6. Оптроны.Светодиоды нашли широкое применение в создании нового класса приборов, получивших название

Они состоят из источника излучения — светодиода и прием­ника излучения (фоторезистора, фотодиода, фото­транзистора), связанных оптической средой и конст­руктивно объединенных в одном корпусе.

Вход и выход оптрона электрически развязаны. Оптическая среда распространения сигнала от излу­чателя к приемнику может представлять световод, представляющий собой нить из прозрачного диэлект­рика. Световой луч поступает в торец световода, после многократного отражения от боковых стенок нити он выходит с другого конца световода.

С помощью волоконного световода можно раз­местить приемник от излучателя на значительном расстоянии, обеспечив их высокую электрическую изоляцию при сохранении помехоустойчивого уп­равления.

Оптроны применяются в быстропереключающих схемах, генераторах, для согласования высоковольт­ных и низковольтных цепей, измерений в цепях высокого напряжения, усиления и модуляции.

Оптроны являются элементной базой для нового направления электроники — оптоэлектроники

13. Полупроводниковые p-i-n детекторы. Лавинные фотодиодные детекторы.

Начало формы

Рис.9 Эквивалентная схема

Полупроводниковый детектор работает подобно ионизационной камере с тем отличием, что ионизация происходит не в газовом промежутке, а в толще кристалла. Наибольшее распространение получили полупроводниковые детекторы из кристаллов кремния и германия. В кристалле за счет наличия областей с n- и p-проводимостями создается область, обедненная носителями (в ней электроны и дырки рекомбинируют). p-слой подсоединяется к отрицательному электроду, n-слой к положительному. Все носители оттягиваются от переходного слоя, диод заперт. Попав в эту область, заряженная частица вызывает ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне - дырки. Под действием напряжения, приложенного к напылённым на поверхность чувствительной зоны электродам, возникает движение электронов и дырок, формируется импульс тока. К полупроводниковому кристаллу прикладывается напряжение до нескольких кВ, что обеспечивает сбор всех зарядов, образованных частицей в объёме детектора. Заметим, что в действительности, положительно заряженные дырки не могут двигаться в кристаллическом твердом теле. На самом деле происходит следующее: дырки заполняются соседними электронами, которые движутся в противоположном направлении, оставляя позади новые дырки. Таким образом, кажется, что перемещаются дырки.

Энергия, затрачиваемая на образование пары электрон-дырка в полупроводниковом детекторе, меньше энергии образования пары электрон-ион в газах примерно в 10 раз. Следовательно, при полном торможении одной и той же частицы в импульсной камере и полупроводниковом детекторе амплитуда импульса в последнем примерно в 10 раз больше.

Рис.10 Спектр γ-излучения, полученный на a) сцинтилляционном детекторе и b) полупроводниковом

Подвижность электронов и дырок, а, значит, время собирания их на электродах детектора отличаются не более чем в 3 раза. Это позволяет осуществить полное собирание, как электронов, так и дырок. Время собирания электронов и дырок в ППД составляет 20-100 нс и значительно меньше времени собирания ионов в ИК. Поэтому ППД обладают хорошим быстродействием или малым разрешающим временем.

Благодаря малой энергии образования пары электрон-дырка ППД обладают очень хорошим энергетическим разрешением, для германиевых детекторов порядка 0.1%. На рис.10 результат измерения спектра γ-излучения ¹³³Baсцинтилляционным детектором и полупроводниковым.

Рис.11 Устройство кремниевого микрострипового детектора

Для точного определения координат частиц используют полупроводниковые микростриповые детекторы. Они представляют собой пластины монокристалла кремния, на одну из поверхностей которых наносятся тонкие электроды (стрипы), отстоящие друг от друга на расстоянии 20 мкм, а другая покрывается металлическим слоем (рис.11). В зависимости от места попадания заряженной частицы сигнал снимается с разных стрипов. Пространственное разрешение микростриповых детекторов достигает 10 мкм. Временное разрешение – 10^-8 с.

Недостатком ППД является малый размер чувствительной области, это не позволяет применить их для измерения частиц высоких энергий.

 

Характерные свойства счетчиков излучений можно свести в таблицу.

Характеристики счетчиков
	Эффективность, %	Энергетическое разрешение, %	Разрешающее время
Импульсная ионизационная камера	< 10	1÷3	10-5
Пропорциональный счетчик	< 10	1	10-6
Счетчик Гейгера	5	—	10-4
Сцинтилляционный детектор	100	5÷10	10-9
Полупроводниковый детектор	100 10 для γ-излучения	0.1	10-8

Следовые детекторы

В следовых детекторах фиксируется трек, оставляемый региструемой частицей в рабочем веществе. По геометрии треков устанавливается число заряженных частиц, участвовавших в реакции, и направления их движения. Толщина следа определяется потерями энергии частицы на единице пути, которые зависят от заряда и скорости частицы. Если трек умещается в рабочем объеме детектора, то по длине следа определяют пробег частицы, зависящий от энергии частицы, ее заряда и массы. Среднеквадратичный угол рассеяния зависит от заряда, скорости и импульса частицы. И, наконец, если детектор помещен в магнитное поле, по радиусу кривизны следа определяют отношение импульса к заряду частицы. Богатая информация о свойствах частицы позволяет определить не только характеристики, но и тип зарегистрированной частицы.

Существуют несколько типов следовых детекторов:

· Ядерные фотоэмульсии

· Камера Вильсона

· Пузырьковая камера

· Искровая камера

· Многопроволочная пропорциональная камера

· ...

Ядерные фотоэмульсии

В фотографической эмульсии заряженные частицы оставляют видимые следы, которые после проявления можно детально изучать. Значительная плотность эмульсии (около 3.8 г/см³) позволяет остановить в ней частицы довольно высокой энергии. Вследствие малых размеров проявленных зерен фотоматериала (0.6 мкм) эмульсия позволяет получить отличное угловое и пространственное разрешение.

История использования фотоэмульсий для регистрации ядерных частиц началась с наблюдения Беккерелем в 1896 году почернения фотопластинок в присутствии урановых соединений, приведшего к открытию явления радиоактивности (см. лекцию). Ядерные эмульсии отличаются от обычных большой толщиной чувствительного слоя - до нескольких сотен микрон. Ядерные эмульсии, как и обычные светочувствительные, состоят из желатина и взвешенных частиц кристаллического бромистого серебра (AgBr) размером до 0.3 мкм. Заряженные частицы, проходя через слой эмульсии, ионизуют атомы, лежащие на их пути. В результате происходит разложение бромистого серебра и образование центров скрытого изображения. При последующем проявлении в эмульсии образуются мельчайшие зёрна металлического серебра размером до 1 мкм, которые наблюдаются под микроскопом в виде точек различной жирности. След частицы имеет вид цепочки таких точек со средним расстоянием между ними, не превышающим 5 мкм. По характеру этого следа (концентрации точек и отклонению от прямолинейности) можно идентифицировать тип частицы.

С 1945 по 1955 методом ядерных фотоэмульсий были сделаны важные открытия: зарегистрированы π-мезоны и последовательности распадов протонов и мюонов, а также обнаружены ядерные взаимодействия антипротонов и К^--мезонов. Методом ядерных фотоэмульсий был исследован состав первичного космического излучения, кроме протонов в нём были обнаружены ядра Не и более тяжёлых элементов, вплоть до Fe.

Сложность использования ядерных фотоэмульсий связана с их сложным составом (неопределенностью ядра-мишени). К настоящему времени ядерные фотоэмульсии вытесняется пузырьковыми и искровыми камерами и электронными трековыми детекторами частиц.

Камера Вильсона

В камере Вильсона след частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её движения. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912 г. В 1927г. Ч. Вильсону присуждена Нобелевская премия:



Раздел 4. Колебания и волны в твердых телах

1.Волновые процессы.

Волновым процессом называется любое изменение (возмущение) состояния сплошной среды, распространяющееся с конечной скоростью и несущее энергию.

Существует большое многообразие волновых процессов (типов волн): звуковые волны, сейсмические, волны на поверхности воды, волны механических колебаний в кристаллах, радиоволны, оптические волны. Во всех волновых процессах наблюдаются сходные закономерности поведения в пространстве и во времени, которые описываются одинаковыми математическими моделями и исследуются общими методами.

Выделим два основных типа волн: упругие и электромагнитные. Упругие (другое название акустические от греческого слова acustikos– слуховой) волны – это волны, связанные с колебаниями частиц при механической деформации упругой среды (жидкой, газообразной, твердой). При этом имеет место перенос энергии при отсутствии переноса вещества. В акустической волне частицы совершают колебания вокруг точки покоя. Волна, у которой частицы среды совершают колебания вдоль направления распространения, называется продольной волной. Если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, акустическая волна называется поперечной или сдвиговой. Среди упругих волн самые низкие частоты имеют инфразвуковые волны, лежащие ниже границы слышимости их человеком (ниже 16 Гц). Слышимые звуковые колебания занимают диапазон частот от 16 Гц до 20 кГц. Волны более высоких частот – ультразвуковые (от 20 кГц до 1 ГГц) и гиперзвуковые (от 1 ГГц до 1000 ГГц).

Электромагнитные волны – это распространяющиеся в пространстве переменные во времени электромагнитные поля. Электромагнитные волны всегда имеют поперечные к направлению распространения составляющие векторов напряженностей электрического и магнитного полей. Продольные составляющие этих векторов могут существовать лишь при определенных условиях (у границ раздела разных сред, вблизи возбуждающих источников, в линиях передачи). Чисто продольных электромагнитных волн не существует. Среди электромагнитных волн выделяют радиоволны с диапазоном частот от  Гц до Гц. Далее по частоте расположен оптический диапазон от Гц до Гц, включающий инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения. На более высоких частотах происходят рентгеновское и гамма – излучения.

Наука, занимающаяся изучением излучения, распространения и поглощения электромагнитных волн, называется электродинамикой. До диапазона инфракрасных волн все среды можно рассматривать как сплошные без учета их внутренней микроструктуры, волновыми процессами в таких средах занимается классическая электродинамика. На более высоких частотах следует учитывать микроструктуру среды и дискретность электромагнитного излучения (поток фотонов). В этом случае электромагнитное излучение описывается методами квантовой электродинамики.

Выделим основные свойства всех волновых процессов. Два из них очевидны из определения процесса. Это прежде всего – перенос энергии. Величина энергии, переносимой волной, оценивается плотностью потока энергии в единицу времени и может меняться в широких пределах. Например, плотность потока энергии электромагнитного излучения Солнца на земной поверхности достигает  , а поток энергии вещательных радиостанций – всего тысячные и миллионные доли ватта на 1 м². Интенсивность звуковых волн человеческого голоса очень незначительна. Так, интенсивность звуковых волн на пороге слышимости их человеком на частоте составляет всего .

Второе общее свойство волновых процессов также заложено в определении – конечная скорость распространения волны в среде. Разные типы волн обладают различными скоростями. С наибольшей скоростью распространяются электромагнитные волны в вакууме, ее величина составляет  . Скорость акустических волн на несколько порядков меньше. Например, звуковые волны распространяются в воздухе при температуре со скоростью .

Волновые процессы могут быть линейными и нелинейными. Волна называется линейной, если свойства среды для этой волны не зависят от интенсивности волны. Линейные волны распространяются независимо друг от друга без взаимных искажений. Пространство неограниченно может быть заполнено разными типами линейных волн, имеющих различные частоты и направления распространения. Для линейных волн выполняется принцип суперпозиции (наложения) волн без взаимных искажений. Для линейных волн существует единый теоретический подход независимо от их природы. Нелинейная волна – это волна, под действием которой меняются свойства среды и соответственно меняются свойства самой волны. Это обычно происходит при большой интенсивности волны.

2.Упругие волны в твёрдых телах. Волновое уравнение.