Elektryczność i Magnetyzm

Wykład: Jan GajPokazy: Tomasz Kazimierczuk/Karol Nogajewski,

Tomasz Jakubczyk

Wykład ósmy 11 marca 2010

Z ostatniego wykładu

Wizualizacja prądu elektrycznego, elektroforeza Natężenie prądu, jednostka, pomiar I prawo Kirchhoffa – postać całkowa i lokalna Mikroskopowy obraz prądu elektrycznego: gęstość

prądu, ruchliwość, czas relaksacji Prawo Ohma – postać całkowa i lokalna Układy do jednoczesnego pomiaru napięcia i

natężenia prądu Zależność oporu elektrycznego od temperatury

Przewodnictwo materiałów

1jSRl

Ul

SIj

Czym się różnią różne materiały?

nqPrzykłady: metal n rzędu 1029 m-3, czysta woda n rzędu 1022 m-3

Pierwiastek (nm)

Cu 17

Al 27

Ag 16

Fe 96

Ti 420

Au 22

Mn 1440

S 2×1015 Ωm

S

l

S

lR

1

W krysztale półprzewodnika

Struktura pasmowa

Pasmo przewodnictwa

Pasmo walencyjne

Ene

rgi

a Przerwa energetyczna

Pasmo walencyjne

Pasmo przewodnictwa

Klasyfikacja materiałówE

nerg

ia Przerwa energetyczna

elektrony

elektrony

metalpółprzewodnikdielektryk

W krysztale półprzewodnika

donor

akceptor

Pasmo walencyjne

Pasmo przewodnictwa

Klasyfikacja półprzewodnikówE

nerg

ia

Przerwa energetyczna

elektrony

typu nsamoistnytypu pdziury

Zależność przewodnictwa od oświetlenia

Generacja par elektrod – dziura Zależność od energii fotonów

Wpływ światła

Pasmo przewodnictwa

Pasmo walencyjne

Ene

rgi

a Przerwa energetyczna

Mała energia fotonuE = h

Duża energia fotonu

Amperomierz i woltomierz

Jeżeli mierniki spełniają prawo Ohma, jest kwestią umowy nazywanie ich amperomierzem lub woltomierzem

W praktyce różnią się oporem, np. woltomierz rzędu M, amperomierz rzędu

Czasem warto z tej dowolności skorzystać, na przykład przy pomiarze napięcia miernikiem uniwersalnym w elektrostatyce: Najczulsza skala natężenia prądu 200 A Na zakresie 2 V czułość prądowa 200 nA (10

M)

Jak mierzyć duży opór?

źródło

V

A

Usuwamy wpływ prądu woltomierza

Jak mierzyć duży opór?

źródło

V

V

Usuwamy wpływ prądu woltomierza

Jak mierzyć mały opór?

Cu

źródło

V

A

V

źródło

A

Usuwamy wpływ oporu kontaktów

Łączenie oporów

R1

R2

R1 R2

R = R1 + R2 R-1 = R1-1

+ R2-1

szeregowe równoległe

Dzielnik napięcia

V

R1

R2

zasilacz

odbiornik(R)

Uwe

Uwy

Bez obciążenia

Przy obciążeniu oporem R

21

2

RRR

UU wewy

2

21

2

2

RRRR

R

RRRR

UU wewy

Jak znaleźć gęstość prądu w ośrodku?

0t

j0 ε

Równania na gęstość prądu i na natężenie pola elektrycznegomają tę samą formę.Jeśli prawo Ohma jest spełnione, oba wektory są do siebie proporcjonalne. Różne są źródła i warunki brzegowe.

Uwaga: w warunkach stacjonarnych div j zawsze znika,

a div niekoniecznie.

Nadprzewodnik

0 2 4 6 8 100

1

2

3

4

5

T (K)

R()

TC

Metal TC [K]

Al 1,2

In 3,4

Sn 3,7

Hg 4,2

Ta 4,5

V 5,4

Pb 7,2

Nb 9,3

Rekord: 138 K dla związku (Hg0.8Tl0.2)Ba2Ca2Cu3O8.33.

Czy szkło przewodzi prąd?

A

240 V

Jak znaleźć gęstość prądu w ośrodku?

0t

j0 ε

Równania na gęstość prądu i na natężenie pola elektrycznegomają tę samą formę.Jeśli prawo Ohma jest spełnione, oba wektory są do siebie proporcjonalne. Różne są źródła i warunki brzegowe.

Uwaga: w warunkach stacjonarnych div j zawsze znika,

a div niekoniecznie.

Dioda półprzewodnikowa

Nie spełnia prawa Ohma. W uproszczeniu:

1exp0 kTeU

II k = 0.086 meV/K

I

U

Dioda półprzewodnikowa

elektrony(typ n)

dziury(typ p)

- +I

-+

Dioda reaguje na światło

+ –

absorpcja fotonu generacja pary elektron-dziura

Fotodioda lawinowa

Obszar absorpcji

Obszar wzmocnienia+++

- - -

x

Dioda wysyła światło

– +

rekombinacja pary elektron-dziura emisja fotonu