Контрольная работа по "Физике"

5) Для удаления электрона из металла в вакуум нужно совершить против сил, действующих в поверхностном слое, положительную работу А, называемую работой выхода. Эта величина зависит от природы металла.

A_вых = e(φ₂ – φ₁)

Где e – заряд электрона; (φ₂ – φ₁) – разность потенциалов.

6) Предел прочности при растяжении - это максимальное напряжение, которое может выдержать образец, не разрушаясь.

Предел прочности при  растяжении для каждого образца (σ_i) в МПа (Н/мм²) вычисляют по формуле

σ_p = F_p /S₀

где F_p - растягивающая нагрузка в момент разрыва, Н;

S_o - начальная площадь поперечного сечения образца, мм².

Относительное удлинение при разрыве характеризует изменение первоначальной длины пленки при растяжении до момента разрыва.

Относительное удлинение  при разрыве каждого образца (L) в процентах вычисляют по формуле

L = (Δl /l)100

где Δl - приращение длины рабочей части каждого образца, мм;

l - начальная длина рабочей части каждого образца, мм.

 

Алюминий (лат. Aluminium, от alumen - квасцы), Al, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 13, атомная масса 26,98154. Серебристо-белый металл, легкий (2,7 г/куб. см), пластичный, с высокой электропроводностью, t_пл = 660 °С. Химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой).

γ = 38,5·10⁶

ρ = 0,026 мкОм·м

TK_ρ = α_ρ = 4,1·10³ К^-1

γ_τ = 218 Вт/мК

α = - 0,3 мВ/К (по отношению к меди)

A_вых = 4,25 эВ

σ_p = 80 – 120 МПа

L = 30 – 40 %

Все виды алюминиевого проката  обладают привлекательными и практичными  свойствами: малый удельный вес; высокая антикоррозийность и электропроводность; легкость формования и обработки; высокая огнестойкость, пластичность и прочность; возможность вторичной переработке; стойкость к низким температурам.

Конструкции из алюминия неприхотливы в эксплуатации и способны длительное время обходится без ремонта. Они отличаются хорошей гибкостью и выдерживают значительные нагрузки. Все это позволяет эффективно использовать их для строительства и модернизации разнообразных сооружений.

В настоящее время область применения алюминиевого проката очень широка и затрагивает различные отрасли народного хозяйства. В химической промышленности из него изготавливают оборудование для работы с агрессивными веществами. Алюминий служит основным материалом для производства деталей самолетов, судов и машин. Он присутствует в посуде, консервных банках и другой упаковке для пищевой промышленности. Из него производят промышленное и бытовое оборудование, строительные материалы и конструкции.

Свинец (лат. Plumbum), Pb, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 82, атомная масса 207,2. Синевато-серый металл, тяжелый, мягкий, ковкий; плотность 11,34 г/куб. см, t_пл = 327,4 °С. На воздухе покрывается оксидной пленкой, стойкой к химическим воздействиям.

γ = 4,76 МСм/м

ρ = 0,210 мкОм·м

TK_ρ = α_ρ = 37·10^-4 К^-1

γ_τ = 35 Вт/мК

U = -0,3 мВ/К (по отношению к меди)

A_вых = 4,0 эВ

σ_p = 27 МПа

L = 65 %

Свинец имеет довольно низкую теплопроводность, она составляет 35,1 Вт/(м·К) при температуре 0 °C. Металл мягкий, легко режется ножом. На поверхности он обычно покрыт более или менее толстой плёнкой оксидов, при разрезании открывается блестящая поверхность, которая на воздухе со временем тускнеет.

Свинец широко применяют в производстве свинцовых аккумуляторов, используют для изготовления заводской аппаратуры, стойкой в агрессивных газах и жидкостях. Свинец сильно поглощает γ-лучи и рентгеновские лучи, благодаря чему его применяют как материал для защиты от их действия (контейнеры для хранения радиоактивных веществ, аппаратура рентгеновских кабинетов и других). Большие количества Свинца идут на изготовление оболочек электрических кабелей, защищающих их от коррозии и механических повреждений. На основе Свинца изготовляют многие свинцовые сплавы. Оксид Свинца РbО вводят в хрусталь и оптическое стекло для получения материалов с большим показателем преломления. Сурик, хромат (желтый крон) и основные карбонат Свинца (свинцовые белила) - ограниченно применяемые пигменты. Хромат Свинца - окислитель, используется в аналитической химии. Азид и стифиат (тринитрорезорцинат) - инициирующие взрывчатые вещества. Тетраэтилсвинец - антидетонатор. Ацетат Свинца служит индикатором для обнаружения H₂S. В качестве изотопных индикаторов используются ²⁰⁴Рb (стабильный) и ²¹²Рb (радиоактивный).

 

Задание 6

 

Провести классификацию  полупроводниковых материалов, определить к какой группе относится вариантный проводник, указать какой электропроводностью  обладает полупроводник и от каких  факторов она изменяется. Дать краткую характеристику материала и области его применения. Во второй графе приведен полупроводниковый прибор. Опишите принцип его действия и укажите, какие полупроводниковые материалы применяются в нем.

 

К полупроводниковым  материалам или полупроводникам относится группа веществ с шириной запрещенной зоны менее 3,5 эВ, обладающих электронной и дырочной электропроводностью. Полупроводниковые материалы используют для изготовления: выпрямителей, усилителей и генераторов, преобразователей энергии (солнечные батареи и др.) нагревательных элементов, датчиков давления и температуры; регуляторов тока и напряжения, элементов памяти в ЭВМ и т.д.

Полупроводниковые соединения делят на несколько типов:

- простые полупроводниковые материалы — собственно химические элементы: бор B, углерод C, германий Ge, кремний Si, селен Se, сера S, сурьма Sb, теллур Te и йод I. Самостоятельное применение широко нашли германий, кремний и селен. Остальные чаще всего применяются в качестве легирующих добавок или в качестве компонентов сложных полупроводниковых материалов;

- в группу сложных полупроводниковых материалов входят химические соединения, обладающие полупроводниковыми свойствами и включающие в себя два, три и более химических элементов. Полупроводниковые материалы этой группы, состоящие из двух элементов, называют бинарными, и так же, как это принято в химии, имеют наименование того компонента, металлические свойства которого выражены слабее. Так, бинарные соединения, содержащие мышьяк, называют арсенидами, серу — сульфидами, теллур — теллуридами, углерод — карбидами. Сложные полупроводниковые материалы объединяют по номеру группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, к которой принадлежат компоненты соединения, и обозначают буквами латинского алфавита (A — первый элемент, B — второй и т. д.). Например, бинарное соединение фосфид индия InP имеет обозначение A^IIIB^V.

Селе́н — химический элемент с атомным номером 34 в периодической системе, обозначается символом Se (лат. Selenium), хрупкий блестящий на изломе неметалл чёрного цвета (устойчивая аллотропная форма, неустойчивая форма — киноварно-красная). Относится к группе простых полупроводниковых материалов.

Селен обладает высоким удельным сопротивлением ρ = 10¹¹ Ом·м. Селен – полупроводник р-типа. Носители зарядов – дырки, при повышении температуры их концентрация не меняется, но проводимость селена растет, что обусловлено увеличением подвижности дырок. В жидком состоянии электропроводность у селена остается дырочной. При введении примесей электропроводность селена изменяется. Это используют при производстве селеновых выпрямителей путем введения примесей галоидов. Ширина запрещенной зоны у гексагонального селена ∆W_. = 1,7÷1,9 эВ, а у аморфного ∆W = 4,6 эВ.

Одним из важнейших направлений  его технологии, добычи и потребления  являются полупроводниковые свойства как самого селена, так и его многочисленных соединений (селенидов), их сплавов с другими элементами, в которых селен стал играть ключевую роль. Эта роль селена постоянно растёт, растёт спрос и цены (отсюда дефицит этого элемента).

В современной технологии полупроводников применяются селениды многих элементов, например селениды олова, свинца, висмута, сурьмы, селениды лантаноидов. Особенно важны свойства фотоэлектрические и термоэлектрические как самого селена, так и селенидов.

Стабильный изотоп селен-74 позволил на своей основе создать плазменный лазер с колоссальным усилением в ультрафиолетовой области (около миллиарда раз).

Радиоактивный изотоп селен-75 используется в качестве мощного источника гамма-излучения для дефектоскопии.

В медицине, а также  в сельском хозяйстве используют микродобавки селена к лекарственным средствам, витаминным препаратам, БАД, и т. п.

Селенид калия совместно с пятиокисью ванадия применяется при термохимическом получении водорода и кислорода из воды (селеновый цикл, Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса, Ливермор, США).

 

Варистор. Варистор - это полупроводниковый резистор, обладающий нелинейными свойствами. Иначе называется нелинейным полупроводниковым сопротивлением (НПС). Основным материалом служит карбид кремния (SiC) с каким-либо связующим веществом.

Рис.1. Типичная вольтамперная характеристика варистора.

 

Нелинейность сопротивления объясняется нагревом микроконтактов между зернами карбида кремния. Варисторы используют на постоянном и переменном токе с частотой до нескольких килогерц.

Основной принцип действия варистора весьма прост. Варистор включается параллельно защищаемому оборудованию, т.е. при нормальной эксплуатации он находится под действием рабочего напряжения защищаемого устройства. В рабочем режиме (при отсутствии импульсных напряжений) ток через варистор пренебрежимо мал, и поэтому варистор в этих условиях представляет собой изолятор.

При возникновении импульса напряжения варистор в силу нелинейности своей  характеристики резко уменьшает  свое сопротивление до долей Ома  и шунтирует нагрузку, защищая  ее, и рассеивая поглощенную энергию  в виде тепла. В этом случае через  варистор кратковременно может протекать ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Так как варистор практически безынерционен, то после гашения импульса напряжения он вновь приобретает очень большое сопротивление.

 

Рис.2. Напряжение на нагрузке при коммутации в сети 0,4 кВ.

 

Таким образом, включение  варистора параллельно электрооборудованию  не влияет на его работу в нормальных условиях, но "срезает" импульсы опасного напряжения, что полностью обеспечивает сохранность даже ослабленной изоляции (см. рис 2).

Основной материал для изготовления варисторов — полупроводниковый карбид кремния. Когда приложенное к выводам варистора напряжение превысит фиксированный порог, происходит пробой окислов, которыми покрыты кристаллы карбида кремния, и возникает эмиссия носителей заряда с поверхностей этих кристаллов. Это вызывает уменьшение сопротивления варистора. Варистор можно включать в цепь в любой полярности.

В последнее время широкое применение получили высоконелинейные варисторы  на основе оксида цинка (ZnO) с добавлением  окислов некоторых металлов (висмута, свинца, олова и др.).

После соответствующей термообработки между зернами порошка ZnO возникают  изоляционные прослойки с высоким  удельным сопротивлением (ρ ≈ 109 Ом·см), значительно большим по сравнению с ρ изоляционной пленки в варисторах на основе SiC. Удельное сопротивление самих зерен ZnO гораздо меньше зерен SiC.

Рис.3. Вольтамперная характеристика варистора на основе окиси цинка .

 

При низких напряженностях электрического поля сопротивление варисторов на основе окиси цинка очень высокое и вольтамперная характеристика (рис. 3) имеет крутой подъем (участок 1).  

При достижении определенного уровня напряжения (напряженности) прослойки  теряют свои изолирующие свойства, сопротивление варисторов резко  и быстро (в течение ≈ 2мкс) падает и вольтамперная характеристика резко изменяет свой угол наклона на минимальный (участок 2).

 

Задание 7

 

Для каждого варианта дать краткую  характеристику магнитных свойств  и описать магнитные характеристики: [B(H), μ(H), B(tº), H(tº), μ(tº)]. Затем дать краткую характеристику вариантного материала. Рассчитать и построить зависимость магнитной проницаемости μ от напряженности H и зависимость магнитной индукции B от магнитной энергии W. Назовите области применения вариантных материалов.

 

Магнитные свойства вещества — совокупность свойств, проявляющихся при взаимодействии вещества с магнитным полем. Важнейшим макроскопическим проявлением магнитных свойств является способность вещества создавать собственное магнитное поле.

Способность вещества взаимодействовать с внешним магнитным полем зависит от магнитных свойств, точнее, от магнитных моментов свободных атомов или молекул этого вещества, которые определяются главным образом их электронным строением.

Конкретные микроскопическая структура  и свойства различных веществ (а также их смесей, сплавов, агрегатных состояний, кристаллических модификаций и т.д.) приводят к тому, что на макроскопическом уровне они могут вести себя достаточно разнообразно под действием внешнего магнитного поля (в частности, ослабляя или усиливая его в разной степени).

В связи с этим вещества (и вообще среды) в отношении их магнитных  свойств делятся на такие основные группы:

Антиферромагнетики — магнитные моменты вещества направлены противоположно и равны по силе.