шпори2 / 22-28

22 Початок

23

24 Початок

22. Природа носіїв заряду в металах. Ефект Холла в металах. Основні положення класичної електронної теорії металів. Закони Ома, Джоуля-Ленца та Відемана-Франца. Труднощі класичної електронної теорії металів.

Природа носіїв заряду в металах. Досліди: 1. Рікке (1901) взято 3 циліндри:мідь, алюміній, мідь. Перед проведенням досліду було зважено кожний із циліндрів (мал1). Струм пропускався 0,1А протягом 1 року.q=I*t=0.1*365*24*60*60=3*10⁶ Кл. Після проведення досліду було знову зважено циліндри, але їх маси не змінилися.

Отже, електричний струм в Ме зумовлений не рухом іонів, а чимось іншим. 2. Кетерлінга (1946) була підціплена котушка на довшій нитці, під’єднано джерело і пропускаються імпульси струму(мал2). mVr – момент імпульсу. Якщо всі електрони почнуть рухатись в одну сторону, то момент імпуль =0. Тоді котушкаповинна рухатись в протилежну сторону (до електронів). Цей дослід і ряд других довели, що носіями заряду є електрони.

Основні положення класичної електронної теорії металів. 1. Метали являють собою с-му іонів які утвор. Кристалічну решітку і здійснюютьколивання навколо положення рівноваги-вузлів решітки, а також електронів які вільно рухаються між іонами. Електрони які вільно рухаються між іонами дістали назву електронного газу. 2. Електронний газ веде себе як ідеальний газ, однак зіткнення відбуваються в основному, а не між самими електронами, а між електронами і іонами решітки. 3. Вважається, що електрон набуває енергії впорядкованого руху, тільки на довжині вільного пробігу, а його зіткнення з іонами відбувається абсолютно не пружно,тобто при такому зіткненю відбувається передача енергії іону, однак тільки тієї її частини, яка зумовлена впорядкованим рухом. Позитивні іони створюють перешкоду впорядкованого руху електронів, тобто зумовлюють електричний опір.

Ефект Холла: явище виникнення поперечної різниці потенціалів (називають також холлівською напругою) при приміщенні провідника з постійним струмом у магнітне поле. Відкрито Едвіном Холом в 1879 році в тонких пластинках золота.

В-індукція магнітного поля

Е-напруженість електричного поля

(1), F_k= - eE (2), (3),

, (4) ,

З-н Джоуля-Ленца: ,

23. Низькотемпературна надпровідність та її основні властивості. Діамагнетизм надпровідників. Низькотемпературні надпровідники першого та другого роду. Куперівські пари

Надпровідність-явище майже повного зникнення питомого опору при деякій температурі.

Надпровідністю серед чистих речовин володіють алюміній, кадмій, цинк, індій, галій. Властивість надпровідності залежить від структури кристалічної решітки. Наприклад, біле олово є цьому

надпровідником, а сіре - ні; ртуть має властивість надпровідності тільки в а-фазі.

Явище витиснення магнітного поля з об”му провідника називається ефектом Мейсснера. . Ефект Меисснера й відсутність електричного опору є найважливішими властивостями надпровідника. Поверхневий струм займає деякий тонкий шар поблизу поверхні. Магнітне поле струму знищує усередині надпровідника зовнішнє магнітне поле.

Надпровідники першого і другого роду. Чисті речовини, у яких спостерігається явище надпровідності, нечисленні. Частіше надпровідність буває в сплавів. У чистих речовин має місце повний ефект Меисснера, а в сплавів не відбувається повного виштовхування магнітного поля з об'єму (частковий ефект Меисснера). Речовини, що проявляють повний ефект Меисснера, називаються надпровідниками першого роду, а частковий — надпровідниками другого роду.

В надпровідників другого роду в об'ємі є кругові струми, що створюють магнітне поле, що, однак, заповнює не весь об'єм, а розподілено в ньому у вигляді окремих ниток. Що ж стосується опору, то воно дорівнює нулю, як й у надпровідників першого роду.

24. Відмінність металів, напівпровідників та діелектриків по електропровідності. Власні та домішкові напівпровідники. Донори і акцептори. Температурна залежність провідності власного та домішкового напівпровідників.

Метали—речовини які в конденсованому стані характеризуються великою питомою електропровідністю. З підвищенням температури електропровідність металів зменшується. Ме—це переважна більшість хімічних елементів. У твердому стані Ме є кристалами переважно з щільною упаковкою атомів. При внесені металів в електричне поле електрони легко зміщуються утворюючи струм. Напівпровідники - широкий клас речовини, які за своєю електропровідністю займають проміжне місце між металами і діелектриками. Н/п мають такі основні властивості:1.їхня електропровідність, а отже і концентрація носіїв струму сильно залежить від зовнішніх впливів (температури, випромінювання, домішки та ін.)2.3 підвищенням температури електропровідність н/п різко зростає; 3.Електропровідність не пов'язана з перенесенням речовини і має електронний механізм. Провідність н/п залежить, як від концентрації дірок або електронів так і від їх рухливості. Н/п досить поширенні у природі. Поділяються на: атомарні (германій, алмаз) іонні (сульфіди свинцю або цинку) молекулярні (селен, нафталін). Серед н/п можуть бути рідини і аморфні речовини. Застосовуються у техніці (діоди, тріоди, терморезистори, детектори, підсилювачі).Зміст ел-ної теор. полягає у поясненні різних властивостей речовини існуванням і рухом у ній електронів. У клас. теор. Ме припускається, що рух ел. підлягає законам клас, механіки Ньютона. Далі в цій теорії нехтують взаємодією електронів між собою, а взаємодію ел. з позитиви, іонами зводять тільки до співударів. Інше кажучи, ел. провідн. розгл. як електронний газ. При внесені Ме в електричне поле електрони легко зміщуються утворюючи струм. В металах концентрація електронів практично не звдежить від Т. Однак поряд з металами зустрічаються провідники у яких з підв. Т дуже збільшується концентрація носіїв заряду. Такі речовини наз. напівпровідниками. Можна зробити висновок, що в н/п. ел. пров. виникають під дією теплового руху. В н/п атомна взаємодія сама по собі ще

24 Продовження

22 Продовження

недостатня для того, щоб електрони відщепилися від атомів і перетворилися в ел. пров. Для цього навіть найб. слабко зв"яз. електронам треба надати деякої додаткової енергії W -енергії іонізаиіи яка й запозичується з енергії теплового руху тіла.Якщо вел. єн. іонізації W велика порівняно з сер. єн. теплового руху (пор. кТ) при всіх температурах в області існування певного кристала, то ел. провідн. в помітній к-сті не утворюються і такий кристал буде ізолятором Ще більше на електропровідність напівпровідників впливають домішки: донори й акцептори. Завдяки доволі великій діелектричній проникності домішкові рівні в забороненій зоні розташовані дуже близько до зони провідності чи до валентної зони (< 0.5 еВ), й легко іонізуються, віддаючи електрони в зону провідності чи забираючи їх із валентної зони. Леговані напівпровідники мають значну електропровідність. Невелика ширина забороненої зони також сприяє фотопровідності напівпровіників.В залежності від концентрації домішок напівпровідники діляться на власні (без домішок), n-типу (донори), p-типу (акцептори) і компенсовані (концентрація донорів урівноважує концентрацію акцепторів, й напівпровідник веде себе, як власний). При дуже високій концентрації домішок напівпровідник стає виродженим і веде себе, як метал. У напівпровідникових приладах використовуються унікальні властивості контакту областей напівпровідника, одна з яких належить до n-типу, інша до p-типу — так званих p-n переходів. p-п переходи проводять струм у лише в одному напрямку. Схожі властивості мають також контакти між напівпровідниками й металами — контакти Шоткі.

(1)

- енергія яку 1 електрон передає іону при зіткненні. - к-сть зіткнень за одиницю часу. (2)

Співвідношення Відемана-Франца: , ,

,

= - співвідношення Відемана-Франца.

Закон Ома сила струму пропорційна прикладеній напрузі і обернено пропорційна опору провідника.. Закон Ома для повного кола: сила струму в замкненому колі = електрорушійній силі, поділеній на загальний опір кола: . В диференціальній формі з-н Ома: j=λΕ (λ=1/r; λ-питома првідність).При русі зарядів по неоднорідній ділянці треба записати: j=λ(Е_к+Е_ст)-з-н Ома в диференц. формі. IR=φ₂- φ₁+ε – з-н Ома в інтегральній ф-мі.

25

26

27 Початок

25. Магнітне поле в магнетиках. Класифікація магнетиків. Діамагнетики. Парамагнетики..

Магіштное поле, яке створюється молекулами (атомами, іонами) речовини, називаються власними або внутрішнім маєнітним полем. Це поле обумовлене існуванням у атомів (молекул, іонів) магнітних моментів і характеризується вектором магшітной індукциї Ввнутр.

Вектор В індукції результуючого магнітного поля в магнетіке рівний векторній сумі магнітних індукцій зовнішнього (що намагнічує) і внутрішнього полів:

У = В₀ + Ввнутр.

де В₀ - магнітна індукція поля у вакуумі;

В₀ = ₀Н (у СІ) і Во=Н (у гауссової системі).

Магнітна індукція Ввнутр внутрішнього поля для неферомагнітних речовин пропорційна вектору інтенсивності намагнічуваності І:

Ввнутр = (у СІ)

Ввнутр = (у гауссової системі).

Магнетиками назнвається всі середовища, здатні намагнічуватися в магнітному полі, тобто створювати власне магнітне поле. По магнітним властивостях магнетики поділяються на три основні групи: діамагнетики, парамагнетики і фероматетики

Для характеристики намагнічення речовини вводиться вектор інтенсивності намагніченості {намагніченість) І — векторна сума магнітних моментів атомів (молекул), що знаходяться в одиниці обьема:

де N — число частинок, що містяться в об”ємі V магнетика, Р_mi - магнітний момент i-й молекули (атома). Для магнетиків, що знаходяться в не дуже сильних магнітннх полях, , де Хт — магнітна сприйнятливість речовини. У діамагнетиків х_т < 0, а у парамагнетнків х_т > 0.

Діамагнетики поділяються на «класичні», «аномальиі» і надпровідники. До першої підгрупи відносяться інертні газн, деяких металлі (цинк, золото, ртуть і ін.), елементні типу кремнію і фосфору, багато органічних сполук. Для цих речовин хт < 0 і має мале абсолютне значень, порядку (0,1/10)*10^-6, і не залежить від темпєратури. До другої підгрупи відносяться бісмут, галій, сурма, графить. і ін. Для цих речовин х_т > 0, залежить від температури і має абсолютні значення порядна (1/100)*10^-6.

Парамагнетики поділяються на нормальні парамагнетики, парамагнітні метали з магнітною сприйнятливістю, не залежною від температури, і антиферомагнетики. Нормальними парамагнетиками є гази О2, N0 і ін., платина, паладій, солі желіза, кобальту і нікелю.

26. Феромагнетики та їх основні властивості.. Точка Кюрі. Закон Кюрі-Вейсса. Доменна структура феромагнетиків.

Феромагнетиками назнваются магнітні речовини, в яких власне (внутрішнє) магнітне поле може в сотні і тнсячі раз перевершувати викликане його зовнішнє магнітне поле.

Велика величина намагніченості феромагнетиків пояснюється існуванням в них «молекулярного» магнітного поля, обумовленого особливою квантовомеханічною (обмінною) взаємодією низькомпенсуючих магнітних моментів спинових електронів атомів в кристалічних граток феромагнетиків. В результаті цієї взаємодії стійким і енергетично вигідним станом системи електронів в кристалі є впорядкований стан з паралельною (феромагнвтизм) або антипаралельною [антиферомагнетизм) орієнтацією магнітних моментів спинів сусідніх атомів в гратах.

Особливі властивості феро- і антиферомагнетиків виявляючихся тільки при температурах, менших відповідно і назнваються точками Кюрі (температуру часто назнвают точкою Нєєля). При Т< феромагнітне тіло розбите на доменні -малі обпасті мимовільною (спонтанної) намагніченістю до повного насичення. У відсутність зовнішнього магнітного поля направлення векторів намагніченості деяких доменів не співпадають і результуюча намагніченість всього тіла може бути рівна нулю.

Магнітна сприйнятливість залежить від температури за законом Кюрі: або закону Кюрі-Вейсса:, де С і — постійні Кюрі. Константа може бути позитивна, негативна або рівна нулю.

27. Характеристика оптичного діапазону електромагнітних хвиль. Фазова і групова швидкості світла в середовищі. Ефект Вавілова-Черенкова. Поляризація електромагнітних хвиль. Основні фотометричні поняття та величини.

Ефект Вавілова — Черенкова (випромінювання Вавілова — Черенкова) — свічення, що викликається в прозорому середовищі зарядженою частинкою, яка рухається з швидкістю, що перевищує фазовую скорость розповсюдження света у цьому середовищі. Черенковськоє випромінювання широко використовується у фізиці високих енергій для реєстрації релятивістських частинок і визначення їх швидкостей.У 1934 року Павел Черенков проводив в лабораторії Сергея Вавилова дослідження люмінесценції рідин під впливом гамма-випромінювання і знайшов слабке блакитне свічення, викликане швидкими електронами, вибитими з атомів середовища гамма-випромінюванням. Пізніше з'ясувалося, що ці електрони рухалися з швидкістю вище швидкості світла в середовищі. Вже перші експерименти Черенкова, зроблені за ініціативою З. І. Вавілова, виявили ряд характерних особливостей випромінювання: свічення спостерігається у всіх чистих прозорих рідин, причому яскравість мало залежить від їх хімічного складу, випромінювання має поляризацію з переважною орієнтацією електричного вектора уздовж напряму первинного пучка, при цьому на відміну від люминесценции не спостерігається ні температурного, ні домішкового гасіння. На підставі цих даних Вавіловим було зроблене основоположне твердження, що знайдене явище — не люмінесценція рідини, а світло випромінюють рухомі в ній швидкі електрони. Фотометричена величина — адитивна фізична величина, що визначає тимчасовий, просторовий, спектральний розподіл енергії оптичного випромінювання і властивостей речовин, середовищ і тіл як посередників перенесення або приймачів енергії (визначення узяте з ГОСТ 26148—84). Фотометричні величини використовуються в фотометрії і інших галузях науки. По кількісному виразу фотометричні величини можна розділити на наступні групи:

• енергетичні фотометричні величини

• Фотонні фотометричні величини

• Редуцировані фотометричні величини

• Світові величини

Розподіли фотометричних величин в часі, просторі і по спектру описуються з допомогою:

Розподіли фотометричної

27 Продовження

• величини в часі

• Індикатриси фотометричної величини

• Спектрального розподілу фотометричної величини

Засобом вимірювання фотометричних величин служать фотометри. Терміном поляризація електромагнітної хвилі або поляризація світла описується просторова орієнтація електричної складової електромагнітної хвилі - вектора напруженості електричного поля. Електромагнітна хвиля в порожнечі завжди поперечна, тобто вектор напруженості електричного поля перпендикулярний до напрямку розповсюдження хвилі. Однак, при цьому залишаються ще дві різні незалежні можливості орієнтації напруженості. Більш того, цей вектор може змінювати свою орієнтацію з часом. Електромагнітні хвилі в залежності від виду поляризації поділяються на

• неполяризовані

• лінійно-поляризовані

• циклічно-поляризовані

• еліптично поляризовані

При падінні хвилі на плоску поверхню розділу двох середовищ зручно виділити s-поляризацію й p-поляризацію.

Фазова і групова швидкості світла в речовині.

Швидкість переміщення заданої фази хвилі у будь-якому напрямі називають фазовою швидкістю . Якщо у вакуумі швидкості різних частот однакові, то у будь якому середовищі вони для різних частот різні. Виникає необхідність розрізняти фазову та групову швидкість світла.

Швидкість передавання енергії, а отже і швидкість переміщення максимуму амплітуди світлового пучка називають груповою швидкістю світла.

Залежність між груповою і фазовою швидкістю світла: - групова швидкість.

28Початок

39

40 Початок

Інтерференція світла, Двопроменева інтерференція, що здійснюється поділом амплітуди та хв..фронту.Сх. Юнга…

З повсякденного досвіду відомо, що чим більше за лампочки включено в кімнаті, тим більше освітленість предметів, що знаходяться в ній. Проте виявляєтся, що при зустрічі двох світлових потоків, що витікаючих з одного джерела і розповсюджуються далі по одному направленню, відбувається явище посилення або, ослаблення світла. Така взаємодія двох "проміння носить назву інтерференції світла. Посилення і ослаблення світла відбувається унаслідок того, що світлові хвилі (аналогічно коливанням, що розповсюджуються на поверхні води від двох джерел) можуть зустрічатися так, що їх фази співпадатимуть (рис2), або так, що фази їх будуть протилежні (рис.3; тут А₁ і А₂ — амплітуди коливань, що складаються, А — результуючого коливання). Звичайно, можуть бити і проміжкові випадки.

Явище інтерференції світла (як і інших воля) спостерігається лише тоді, коли частоти у обох проміння однакові і різниця фаз під час взаємодії світла зберігається, тобто має весь час одне і те ж значення. У противному випадку відбувається просте складання коливань

Схема Юнга .

Розглянемо інтерференцію, що виникає в результаті виділення за допомогою щілин S₁ і S₂ 2-х ділянок хвильового фронта випромінення від точкового джерела S. Така схема в перше була здійснена Юнгом в 1801 році.

На малюнку зображено січення хвильового фронту і екрана зі щілинами, площиною ,що проходить через точкове джерело і перпендикулярну екрану і щілинам. Для того ,щоб картина інтерференції була однаковою у всіх площинах паралельних пл.-ні мал. Необхідно замість точкового джерела взяти лінійне джерело у вигляді нескінченної ниточки , перпендикулярної до пл.-ни мал..від якої поширюється хвиля. Але якщо нас цікавить інтерференція тільки в пл.-ні малюнка то джерело може бути і точковим.

Але Юнг обмежився тільки якісними догадками тому його ідей не отримали заг. визнання . Хвильва теорія світла була прийнята тільки після дослідів Френеля.

Для розрахунку інтерференції потрібно знайти різницю ходу променів

У випадку d<1

39 Типи взаємодії та класи елементарних частинок. Методи реєстрації елементарних частинок. Частинки та античастинки. Нейтрино. Кварки.

Елементарна частинка- це найпростіші складові частини матерії. Протон стабільна елементарна частинка позитивно заряджена , з половинчатим спіном. Нейтрон-нейтральна елементарна частинка з S=1/2

M_p=1836m_e

M_n=1.67*10^-27кг~1838.5m_e

Позитрон-елементарна частинка, m_e=9.1*10^-31кг , S=1/2

Античастинка-специфічна партнери елементарних часток . античастинки мають туж масу 0спін ,час життя , але всі заряди квантових числа протилежні за знаком.

Кварки – фундаментальні частинки, ферміони з яких побудовані ввсі адрони.

S=1/2. кварки мають такі кольори : верхній , нижній, чарівний, уявний

40. Силові поля. Рівняння руху. Початкові умови. Задача Кеплера-Ньютона.

Силове поле – це буде таке відображення точок , у множину силових векторів.

х-береться з області, де зосереджене поле, v-береться з множини швидкостей. t-береться з області зміни аргументів.

Потенціальні силові поля:

Стаціонарні і нестаціонарні.

Елементарна робота dA сили F на переміщенні dr.

Стаціонарне потенціальне поле

- умови стаціонарності

rot F = 0 – необхідна і достатня умова стаціонарності потенціального поля.

Нестаціонарне потенціальне поле

rot F(x,y,z,t)=0 – необх. і дост. умова потенціальності поля.

F(x,y,z,t)=-grad U(x,y,z,t)

Приклад потенц. сил:

1. Центральні сили – сила, лінія дії якої під час руху матеріальної точки весь час проходить через нерухому точку, яка називається центром сили.

F(r)=Ф(r)n_r

Ф(r)>0 -відштовхування

Ф(r)<0 – притягання

2. Гіроскопічні сили – це сили, які залежать лінійно від швид. руху частинки і направлені перпендикулярно до цієї швидкості.

3. Дисипативні сили – сили які діють з боку середовища на рухому в цьому середовищі точку, і завжди напрямлені проти шв. руху точки в цьому середовищі.