Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Введение в техническую физику. Учебно-методическое пособие
.pdf
Российский государственный педагогический университет
им. А. И. Герцена
А. А. Рычков, Е. Н. Клементьева, А. Е. Кузнецов
ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНИЧЕСКУЮ ФИЗИКУ
Учебно-методическое пособие
Санкт-Петербург
Издательство РГПУ им. А. И. Герцена
2024
УДК 53
ББК 30.13
Р 95
Печатается по решению
редакционно-издательского совета
РГПУ им. А. И. Герцена
Рецензенты:
А. А. Ожиганов, доктор технических наук, профессор,
Национальный исследовательский университет ИТМО (Университет
ИТМО)
В. А. Иванов, кандидат физико-математических наук, доцент,
Российский государственный педагогический университет
им. А. И. Герцена
Р95 Ры
методическое пособие /
А. Е. Кузнецов. — Санкт-Петербург : Издательство РГПУ
им. А. И. Герцена, 2024. — 112 с.
ISBN 978-5-8064-3508-9
В учебном пособии излагаются физические законы, эффекты
и явления, лежащие в основе функционирования современной техники
(в частности, микросистемной техники и робототехники), а также
электрофизические свойства материалов микросистемной техники во
взаимосвязи с их строением и структурой. При подготовке данного
учебного пособия были использованы как хорошо себя зарекомендовавшие
источники, так и опыт преподавания технических дисциплин на кафедре
технологического образования РГПУ им. А. И. Герцена. Пособие
предназначено в первую очередь для студентов бакалавриата
и магистратуры РГПУ им. А. И. Герцена, обучающихся по специальностям
44.03.01 — Педагогическое образование, профиль «Технологическое
образование», 44.04.01 — Педагогическое образование, профиль
«Робототехника, предпринимательство и дизайн в технологическом
образовании». Также учебное пособие может быть полезно и студентам
других специальностей, особенно где физика не является профильным
предметом.
чков А. А. Введение в техническую физику : учебно-
А. А. Рычков, Е. Н. Клементьева,
ISBN 978-5-8064-3508-9
© РГПУ им. А. И. Герцена, 2024
Содержание
Глава 1. Введ
1.1. Микросистемная техника и техническая физика ....................................... 5
Глава 2. Физические свойства и строение вещества ..................................... 7
2.1. Вещество в газообразном состоянии .......................................................... 9
2.2. Силы Ван-дер-Ваальса ................................................................................ 11
2.3. Физические свойства жидкостей ............................................................... 15
2.4. Строение и свойства твердых тел .............................................................. 16
2.5. Поликристаллические вещества и монокристаллы. ................................ 20
2.6. Дефекты в кристаллах. Методы выращивания кристаллов .................... 22
2.7. Ближний и дальний порядок. Аморфные твердые тела .......................... 27
2.8. Жидкие кристаллы. ..................................................................................... 28
ение. Основные понятия и определения ................................. 5
2.9. Полимерные вещества ................................................................................ 31
Глава 3. Особенности микромира. Основы квантовой
механики ............................................................................................... 37
3.1. Особенности микромира. ........................................................................... 37
3.2. Волновые и корпускулярные свойства света. .......................................... 44
3.3. Гипотеза де Бройля. Волновые свойства микрочастиц. .......................... 48
3.4. Соотношения неопределенности. .............................................................. 50
3.5. Основы квантовой механики. Уравнение Шредингера. ......................... 53
3.6. Электрон в потенциальной яме. ................................................................ 57
3.7. Туннельный эффект. ................................................................................... 62
3.8. Атом водорода. Полуклассическое и квантовомеханическое
рассмотрение. .............................................................................................. 65
3
3.9. Принцип Паули. Спин электрона. ............................................................. 71
3.10. Молекулы. Химическая связь. ................................................................. 75
Глава 4. Электрофизические свойства материалов МСТ .......................... 80
4.1. Элементы зонной теории кристаллических твердых тел. ....................... 80
4.2. Электрический ток в твердых телах: проводимость
полупроводников. ....................................................................................... 84
4.3. Контактные явления. р-n-переходы .......................................................... 91
4.4. Фотопроводимость полупроводников ...................................................... 96
Вопросы и задания для самостоятельной работы ...................................... 100
Вопросы для самоконтроля ............................................................................. 100
Тестовые задания.............................................................................................. 100
Задачи для самостоятельного решения .......................................................... 105
Список литературы ........................................................................................... 108
Введение. Основные понятия и определения
1.1. Микросистемная техника и техническая физика
Предметом изучения в учебной дисциплине «Введение в техническую
физику» являются физические законы, эффекты и явления, лежащие в основе
функционирования микросистемной техники (МСТ), а также
электрофизические свойства материалов МСТ во взаимосвязи с их
строением и структурой.
В настоящее время общепризнано, что МСТ является одним из
важнейших научно-технических направлений, определяющих уровень
технологического развития передовых стран и их конкурентоспособность на
мировом рынке инноваций.
Исторически микросистемная техника возникла и начала формироваться
на стыке микроэлектроники, микромеханики и оптоэлектроники, и ряда других
наукоемких областей.
В результате к началу XXI века были созданы и внедрены в практику
сверхминиатюрные механизмы, приборы и машины с ранее недостижимыми
массогабаритными, энергетическими и функциональными параметрами.
Примечательно, что для производства изделий МСТ были разработаны
специальные МСТ-технологии, основанные на интегрально-групповых,
экономически эффективных процессах, уже прошедших апробацию
в микроэлектронике при массовом производстве интегральных микросхем.
В литературе можно найти следующее, развернутое определение.
«МСТ — это совокупность научно-технических и технологических способов,
обеспечивающих создание в объеме и (или) на поверхности твердого тела
упорядоченной композиции микронных и субмикронных областей материалов с
заданными составом, структурой и геометрией, и направленная на реализацию
функций восприятия, преобразования, хранения, обработки, трансляции
информации, энергии, движения и выработки управляющих воздействий
в требуемых режимах и условиях эксплуатации.
Микросистемы в функционально завершенном виде представляют собой
информационно-управляющие системы различного назначения, структурно
объединяющие подсистемы сбора и обработки информации,
5
вырабатывающие управляющие воздействия на исполнительные устройства
(актюаторы)» [5, 9].
Из приведенного определения видно, что изделия МСТ, в частности
сенсоры, датчики и микроактюаторы должны быть в первую очередь
востребованы в такой бурно развивающейся области, как робототехника
и автоматика. Анализ литературы и повседневная практика показывают, что
именно так и происходит. Изделия МСТ стали непременным атрибутом
современных роботов и автоматизированных систем.
Совершенно очевидно, что любая инновационная технология кроме
необходимого инструментария опирается на соответствующие материалы,
комплекс свойств которых должен обеспечивать требуемые функциональные
свойства изделия.
В МСТ-технологиях, как известно важнейшими материалами
являются полупроводники и, в частности кремний. При этом, естественно
без проводящих материалов, а также изоляторов также не обойтись. Поэтому
в курсе «Введение в техническую физику» необходимо рассмотреть
и проанализировать основные физико-химические свойства важнейших
материалов МСТ. Очевидно, что сделать это можно, если иметь ясные
представления о строении и структуре вещества на атомно-молекулярном
уровне.
6
Глава 2. Физические свойства и строение вещества
Современные представления о строении вещества базируются на
основных положениях молекулярно-кинетической теории (МКТ).
К настоящему времени эти положения надежно и многократно подтверждены
экспериментально. Напомним некоторые из них.
1. Вещество имеет дискретную структуру. Оно построено из
мельчайших частиц, называемых структурными элементами. В качестве
структурных элементов могут выступать атомы, молекулы и ионы.
2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном тепловом движении.
3. Особенности теплового движения определяются силами
взаимодействия между структурными элементами вещества, что в свою очередь
предопределяет их строение и свойства.
Газообразное
Не обладает ни
собственной
формой, ни
собственным
объемом
Агрегатные состояния
вещества
Жидкое
Обладает
собственным
объемом, но не
обладает
собственной
формой
Твердое
Обладает и
собственной
формой, и
собственным
объемом
Рис. 1
7
Масса и размеры молекул
A
A
«Количеством вещества называют физическую величину ν,
пропорциональную числу частиц (структурных элементов) данной системы.
Единицей количества вещества является моль.
1 моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же
структурных элементов (частиц) сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа
12
углерода
С» [17].
Число молекул в одном моле любого вещества одинаково и численно
равно постоянной Авогадро N
Количество вещества системы, состоящей из N частиц равно
Молярной массой M называется величина, равная
M
Из формул (1) и (2) следует, что
Nm
v
NM
A
Тогда массу одной молекулы (атома) можно найти так:
= 6,02 ꞏ 1023
A
v
m
,.
v
моль
или
1
моль
.
N
кг
.
(1)
N
(2)
m
NN
M
.
(3)
m
В качестве примера найдем массу молекулы воды (Н
равна 18
г
или 18ꞏ10–3
моль
0
NN
кг
. Тогда по формуле (4) m0 = 3 ꞏ 10
моль
.
(4)
A
О). Молярная масса
2
Для твердых и жидких тел характерна плотная упаковка структурных
элементов. Поэтому объем одной молекулы (или атома) V
разделив объем вещества V на число N.
Vm vMM
V
mM
0
NvN vN N
AAA
Для молекулы воды, например, получим V
соответствует шарику диаметром ≈ 4 ꞏ 10
–10
м.
8
.
(5)
= 30 ꞏ 10
0
–26
кг.
можно оценить,
0
–30 м3
. Такой объем
2.1. Вещество в газообразном состоянии
Основные свойства газов удобно рассмотреть на примере идеального газа.
Напомним, что идеальный газ — это модель реального газа, в котором
молекулы рассматриваются как материальные точки, не взаимодействующие
между собой во время движения (за исключением моментов соударений).
Таким образом газ можно считать идеальным, если для него справедливы
следующие допущения:
1. Потенциальная энергия взаимодействия молекул идеального газа
настолько мала, что ею пренебрегают по сравнению с кинетической
энергией.
2. Молекулы в идеальном газе имеют настолько малые размеры, что их
можно считать материальными точками. А это означает, что и их
суммарный объём ничтожно мал по сравнению с объёмом сосуда,
в котором находится газ. И этим суммарным объёмом также
пренебрегают.
3. Среднее время движения молекул между столкновениями намного
превышает время их взаимодействия при соударении. Поэтому временем
взаимодействия пренебрегают также.
Газ всегда полностью занимает объем сосуда, в котором находится.
Движущиеся частицы сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Во
время удара каждая молекула действует на стенку с некоторой силой в течение
очень короткого промежутка времени. Так возникает давление. Суммарное
давление газа складывается из давлений всех молекул.
Рис. 2
9
Из основного уравнения МКТ следует, что
N
E
n
где
— концентрация молекул;
V
T — абсолютная температура;
Дж
–23
k = 1,38 ꞏ 10
Используя (3) и (6) можно получить уравнение состояния идеального газа:
— постоянная Больцмана.
k
,PnkT
(6)
PV RT
M
m
PV m
или
TM
const.
R
(7)
Дж
Где R = kN
= 8,31
A
моль
— универсальная газовая постоянная.
K
В общем случае внутренняя энергия тела U складывается из
кинетической энергии теплового движения его частиц (атомов или молекул)
и потенциальной энергии их взаимодействия [7].
Для идеального газа U = ∑E
проводится по всем частицам от
Средняя кинетическая энергия E
, где суммирование кинетических энергий Ek
ki
= 1 до i = N.
молекул (атомов) идеального
k
одноатомного газа (гелий, неон, аргон), согласно МКТ равна:
3
k
2
.
kT
(8)
3
Тогда
k
2
или с учетом
UNE NkT
NN
m
M
можно
A
получить
3
URT
2
m
M
.
(9)
Таким образом внутренняя энергия идеального газа зависит только от его
абсолютной температуры.
Существует 2 способа изменения внутренней энергии изолированной
термодинамической системы: а) при совершении работы, б) при теплообмене.
Напомним, что количество Q теплоты, необходимое для нагревания тела
массой m определяется по формуле:
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]