Общие сведения
С точки зрения философов, человечество переживает сегодня третью научно-техническую революцию, которую иначе называют информационной революцией. В её фундаменте лежат три гениальных изобретения: изобретение биполярного транзистора, изобретение полевого транзистора и создание на их основе интегральных микросхем.
По своим последствиям информационная революция превосходит все предыдущие этапы развития человечества, кардинально меняя не только технологии промышленного производства, но и методы обработки информации, которая становится главным ресурсом развития человеческого общества.
И что удивительно, основой этого грандиозного реформирования стали идеи изменения объёмной плотности заряда в крошечном кристаллике полупроводника под действием электрического поля или за счёт инжекции зарядов.
Это привело к существенному изменению структуры самого общества: исчезают профессии, связанные с монотонным механическим повторением рутинных операций, которые возлагаются ныне на промышленных роботов. Появление персональных компьютеров произвело революцию утомительного конторского труда. Уже сейчас роботы собирают автомобили и другую бытовую технику; с успехом заменяют человека на опасных и вредных производствах, автоматика выполняет функции диспетчеров и секретарей.
Уже существуют целые заводы по сборке смартфонов, где пара десятков инженеров, контролирующих работу автоматизированных линий сборки роботизированного завода, обеспечивают замену нескольких тысяч человек. И заметьте, при существенном снижении производственного брака!
Роботы научились пилотировать самолёты и водить автомобили, не сегодня-завтра компьютерные программы заменят переводчиков-синхронистов. Последнее связано с тем что, в отличие от письменных переводчиков, у синхронистов нет времени на обдумывание и, тем более, на поиск информации в словарях и справочниках или в поисковых системах. Из-за этого, в отличие от переводчиков, которые переводят письменно, они допускают довольно много ошибок, особенно если у них не было возможности заранее ознакомиться с информацией, которую предстоит переводить или если они не владеют в достаточной степени обсуждаемой темой (человек не может знать всё!). Поэтому в не очень далеком будущем компьютерная программа-переводчик, работающая где-то на удалённом сервере с огромным количеством ресурсов и высоким быстродействием, будет делать меньше ошибок, чем их делают люди. Если роботы уже сейчас иногда заменяют танцоров на сцене, то вполне возможно, что в недалёком будущем они заменят - увы! - даже журналистов и писателей.
Подобно тому, как предыдущие научно-технические революции устранили необходимость неквалифицированного ручного и механизированного труда, породив спрос на квалифицированный труд, информационная революция рождает потребность в творческом труде, при котором отсутствует условие обязательного присутствия человека на своём рабочем месте, позволяющая человеку свободно развивать и применять свои способности. Это кардинальным образом меняет саму философию труда, как такового: он становится свободным трудом свободных людей творческих профессий.
Историческая справка
Понятие объёмной плотности заряда непосредственно связано с понятием электрических зарядов. Первые теории электричества основывались на представлении о заряде, как об особой жидкости, причём учёные полагали, что таких жидкостей должно быть не менее двух. Отсюда и произошли многочисленные термины, как отголоски жидкостных теорий: перетекание зарядов, электрический ток, электрическая ёмкость конденсатора и т.д.
Честь открытия электрона принадлежит британскому учёному сэру Дж. Дж. Томпсону, это открытие он совершил 1897 году, изучая катодные лучи. Американский физик Роберт Милликен в серии опытов по установлению заряда электрона в 1909-1913 годах установил дискретность любого заряда и вычислил заряд электрона, как элементарной отрицательной частицы заряда.
Источниками электронов служат термоэлектронная и фотоэлектронная эмиссия. Термоэлектронная эмиссия иначе называется эффектом Эдисона (1883 год), по имени первооткрывателя эффекта американского изобретателя Томаса Эдисона, или эффектом Ричардсона, по имени британского физика Оуэна Виллэнса Ричардсона, который сформулировал законы термоэмиссии в 1901 году. Систематическое описание фотоэлектронной эмиссии было сделано русским учёным Александром Григорьевичем Столетовым, который сформулировал первый закон фотоэффекта в 1890 году. Теорию фотоэффекта разработал в 1906 году знаменитый немецкий физик Альберт Эйнштейн.
Элементарную положительную частицу заряда - протон - являющуюся также ионом водорода, открыл в 1898 г. немецкий физик Вильгельм Вин, изучавший так называемые канальные лучи, возникающие на аноде при бомбардировке его достаточно быстрыми электронами в атмосфере сильно разреженного газа водорода. По другим источникам первооткрывателем протона считают английского физика Эрнеста Резерфорда, который обнаружил протон в ходе опытов по облучению ядер азота альфа-частицами в 1919 году.
Источниками протонов в химии являются минеральные и органические кислоты, образующие в водных растворах ионы водорода за счёт диссоциации. И в самой воде имеются ионы водорода, получаемые за счёт термической диссоциации молекулы воды.
Протоны, равно как и другие элементарные частицы, физики получают на различных ускорителях элементарных частиц, самым мощным из которых на сегодняшний момент является Большой адронный коллайдер (БАК).
Так или иначе, оказалось, что заряд протона в точности совпадал с зарядом электрона, но был противоположного знака. Таким образом, все существующие заряды являются кратными к заряду электрона и могут отличаться от него только знаком.
Объёмная плотность заряда. Определение
Объёмная плотность заряда - это скалярная величина, характеризующая заряд, приходящийся на единицу объёма тела. Все тела делятся на положительно заряженные, отрицательно заряженные и электрически нейтральные, в зависимости от соотношения в нём положительно и отрицательно заряженных частиц. Поскольку заряды могут быть как положительными, так и отрицательными, значения их объёмной плотности заряда могут выражаться положительными и отрицательными величинами. Она обозначается греческой буквой ρ (произносится как ро) и рассчитывается исходя из формулы:
ρ = Q/V
где Q - заряд объекта, V - объём объекта
Размерность объёмной плотности заряда в Международной системе единиц СИ выражается в кулонах на кубический метр (Кл/м³).
Помимо основной единицы объёмной плотности заряда используется кратная единица (Кл/см³). В другой системе измерений - СГСМ - применяется единица абкулон на кубический метр (абКл/м³) и кратная единица абкулон на кубический сантиметр (абКл/см³). 1 абкулон равен 10 кулонам.
В странах, где не используются метрические единицы объёма, объёмная плотность заряда измеряется в кулонах на кубический дюйм (Кл/дюйм3) и абкулонах на кубический дюйм (абКл/дюйм3).
Объёмная плотность заряда. Физика явлений
Объёмная плотность заряда используется для проведения физических и инженерных расчётов электрических полей, создаваемых системами зарядов; энергии, запасённой в электрическом поле или при электрохимических преобразованиях; для конструирования и использования различных электронных экспериментальных установок, физических приборов и электронных компонентов.
Все тела, вне зависимости от их состояния, будь-то твёрдое, жидкое, газообразное или состояние плазмы, выполняют условие квазинейтральности - при отсутствии привнесённых зарядов или отсутствии электрических полей. Поскольку избыточные заряды в веществе обычно располагаются по его поверхности, понятие объёмной плотности заряда к ним в полной мере не применимо.
Например, для металлов можно только судить об объёмной плотности ионов, образующих кристаллическую решётку металла, не учитывая наличие свободных электронов, число которых в данном образце может быть меньше числа ионов. Это происходит за счёт выхода электронов в окружающее металл пространство. В целом же заряд образца металла вместе со свободными электронами и электронами из окружающего электронного облака остаётся нейтральным.
Особое место объёмная плотность заряда занимает при расчёте свойств легированных полупроводников, образующих p-n-p или n-p-n переходы, при протекании через переход тока или приложении к нему электрического поля.
Расчёты электрических полей физических объектов ведутся с использованием уравнений электростатики Максвелла и теоремы Гаусса, как составной части общих уравнений Максвелла.
Объёмная плотность заряда диэлектриков
То, что конденсатор не пропускает постоянный ток, общеизвестный факт. То, что конденсаторы пропускают переменный ток, прекрасно знают физики, электротехники, инженеры в области электроники и телекоммуникаций. В то же время большинство людей, может быть, лишь только слышали об этом свойстве конденсаторов, но смутно представляют физические процессы, происходящие при этом.
Понимание этих процессов заложил британский учёный Дж. К. Максвелл, который ввёл в обиход науки об электричестве понятие токов смещения. Суть явления состоит в том, что под действием переменного тока связанные заряды - электроны и ядра - в молекулах диэлектрика колеблются относительно центра молекулы, реагируя на приложенное переменное электрическое поле.
Типичный конденсатор представляет собой два металлических электрода различной геометрии, разделённые слоем диэлектрика. Применение диэлектриков позволяет получить большую ёмкость конденсатора при повышенном допустимом рабочем напряжении.
Прикладывая переменное электрическое поле, мы заставляем полярные молекулы диэлектрика в микроскопических объёмах вещества (они называются доменами), которые в обычных условиях расположены хаотично, выстраиваться вдоль линий электрического поля. При снятии электрического поля прежняя произвольная ориентация молекул восстанавливается.
Однако существует целый класс диэлектриков, которые при снятии внешнего поля отчасти сохраняют упорядоченное построение. Это явление называется поляризацией, а такие диэлектрики называются поляризованными. Диэлектрики с самопроизвольной поляризацией, которая сохраняется в определённом диапазоне температур, называются сегнетоэлектриками.
Помимо сегнетоэлектриков имеются многочисленные кристаллы, на поверхности которых при деформациях их объёмов возникают электрические заряды (прямой пьезоэлектрический эффект). Такие кристаллы называются пьезоэлектриками. Возникающие при деформации поверхностные заряды имеют различные знаки на различных частях поверхности. К пьезоэлектрикам относят кварц, турмалин, сегнетову соль, и многие другие.
Возникающую разность потенциалов можно измерить, а по её значению сделать заключение о величине деформаций и приложенных силах, что находит многочисленные практические применения. Например, существуют пьезоэлектрические датчики для измерения переменных давлений, которые широко применяются в автоматике и телемеханике. В звукотехнике раньше применялись пьезоэлектрические звукосниматели для электрофонов, также существуют пьезоэлектрические микрофоны и излучатели звука, применяемые в игрушках, часах, микроволновых печах, различных сигнализаторах и везде, где нужно получить звуковой сигнал. В излучателях звука применяется обратный пьезоэлектрический эффект, описанный ниже.
Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в деформации объёма кристалла при подаче электрического поля. Этот эффект широко используется в кварцевых излучателях ультразвука. Безусловно, надо понимать, что поверхностные электрические эффекты являются следствием микроскопических изменений распределения связанных объёмных зарядов в доменах.
Физики, которые обожают придумывать новые термины для объяснения и так понятных вещей, любят говорить в этом случае о деформации ионных подрешёток ионов разного знака.
Электреты
Электретами называют класс сегнетоэлектриков, способных длительное время (до десятка лет) создавать в окружающем пространстве электрическое поле, подобно тому, как магнит создаёт магнитное поле.
Достигается такое состояние сегнетоэлектриков глубокой и устойчивой перестройкой доменов материала, что и приводит к желаемому эффекту. В зависимости от того, каким способом получается такой результат, различают электреты, которые приводятся в такое состояние воздействием электрического поля (электроэлектреты), термическим воздействием (термоэлектреты), воздействием света (фотоэлектреты), магнитного поля (магнитоэлектреты) и даже воздействием ускоренных частиц и ионизирующего излучения (радиоэлектреты).
Отдельным классом электретов являются электреты, получаемые за счёт механического воздействия, среди которых различают трибоэлектреты, получаемые за счёт трения, и механоэлектреты, получаемые за счёт объёмной деформации исходного материала.
В природе существуют и биоэлектреты - достаточно вспомнить о способностях электрических скатов и угрей - эти уникумы создают электрическое поле, эквивалентное генератору с напряжением в 1000 вольт!
Совершенно не удивительно, что на базе электретов создаются разнообразные датчики и устройства: преобразователи механических, акустических, оптических и электрических сигналов. Электреты, благодаря своим уникальным свойствам, находят применение в электродвигателях, системах торможения и даже - снимаем шляпу перед изобретателями - антитромбогенных имплантатов.
Но самое широкое применение электреты нашли в качестве микрофонов: любой из нас, разговаривая по мобильному телефону, использует электреты. Электреты взлетели высоко в небо и далеко в космос - их используют пилоты летательных аппаратов и астронавты для связи с Землей. Даже голоса наших любимых исполнителей, не считая миллионов любителей караоке, записываются или воспроизводятся с помощью электретов.
Объемная плотность заряда в полупроводниках и p-n переходах
В конечном счёте, полупроводниковые приборы работают за счёт изменения объёмной плотности зарядов. Биполярные транзисторы работают за счет инжекции (привнесения) дополнительных носителей тока, повышающих объёмную плотность зарядов в области p-n перехода. Полевые транзисторы работают за счёт открытия/закрытия канала проводимости электрическим полем, обедняющим канал носителями тока (то есть снижающим их объёмную плотность заряда).
Напомним читателям, что, в зависимости от внедрения тех или иных легирующих добавок, чистые полупроводники становятся полупроводниками p- или n-типа. В простейшем случае, добавление в кристаллическую решётку полупроводника, состоящую из четырёхвалентных атомов кремния (Si), атомов с большей (P - фосфор) или меньшей валентностью (B - бор), превращает их в полупроводники с избыточным (n) или недостаточным количеством электронов (p), т.н. «дырок».
За последние десятилетия усилия физиков, схемотехников и технологов микроэлектронных производств привели к небывалому скачку миниатюризации, порой опережающему закон Мура, гласящему об удвоении количества транзисторов в интегральных микросхемах каждые два года. Мы имеем сейчас широчайший набор полупроводников для всех мыслимых практических приложений, обладающих нужными техническими качествами. Способы производства интегральных схем из биполярных и полевых транзисторов также значительно изменились; миниатюризация полупроводниковых приборов уже вошла в стадию нанотехнологий. Последние новости с рубежей науки и техники приносят нам сведения о реализации полупроводниковых приборов, состоящих из единственной химической молекулы и нескольких атомов, а применение 2D-материалов на основе графена уже заставляет атомы в двухмерном слое генерировать свет.
Уже приходят известия о создании квантовых компьютеров на особых квантовых состояниях вещества и о тестировании систем передачи данных на основе связанных (запутанных) фотонов, которые абсолютно защищены от попыток взлома, перехвата или расшифровки сообщения.
В конечном итоге, все эти новации уже не связаны с применением объёмной плотности зарядов, а с состояниями вещества на атомном, субатомном и квантовом уровне.
Электронно-вакуумные приборы СВЧ
В современной радиотехнике и электронике для усиления или генерации сигналов сверхвысокой частоты используют модуляцию и группировку пучка электронов (изменение объёмной плотности) в вакууме за счёт их взаимодействия с электрическими, магнитными и электромагнитными полями, что приводит к изменению объёмной плотности заряда пучка. Промодулированный по объёмной плотности заряда пучок электронов, в свою очередь, индуцирует на выходе прибора электромагнитное поле СВЧ большей мощности. Примером приборов такого типа могут служить так называемые лампы бегущей и обратной волны, клистроны и магнетроны различных типов.
Примером использования понятия объёмной плотности заряда при явно дискретном его характере, является рассмотрение электрических полей в электронной лампе. В вакуумном приборе (лампе) поле определяется не только заданными потенциалами электродов, но и облаком электронов, эмитируемых накалённым катодом. Так как наблюдаемый эффект зависит от поля всех электронов, вполне достаточно заряд облака характеризовать усреднённой объёмной плотностью, определяемой количеством электронов, отнесенным к единице объема. Очевидно, эта плотность может меняться от точки к точке облака и с течением времени.
Первые образцы электронно-вакуумных приборов СВЧ были созданы в 20-30-х годах прошлого столетия учеными и изобретателями различных стран. Широкое распространение приборы СВЧ получили в 40–50-е года прошлого столетия в связи с внедрением в военную и гражданскую практику методов радиолокации воздушных, морских и космических целей; для геофизического изучения атмосферы Земли и даже для генерации ионосферных возмущений, создающих условия, способствующие сверхдальнему распространению радиоволн.
Базовым принципом работы приборов СВЧ является взаимодействие пучка электронов с замедленной электромагнитной волной. При этом происходит перегруппировка электронов в пространстве и передача их энергии электромагнитной волне. Для пояснения этих эффектов придётся прибегнуть к аналогиям и эффектам из другого раздела физики, а именно оптики.
Из школьного курса физики нам известен гениальный опыт английского учёного Ньютона по разложению белого света на его цветовые составляющие. Любое оптически прозрачное вещество обладает своим коэффициентом преломления (коэффициентом замедления скорости света) по отношению к различным частотам оптических волн, а применение определённой оптической структуры с заданной геометрией (в случае опыта Ньютона это была призма), позволяло получить эффективное разложение света на его составляющие. Также, трудами русских физиков Вавилова и Черенкова, нам теперь известен эффект излучения света электронами в тормозящем электромагнитном поле. Из основ радиотехники известен способ замедления распространения электромагнитной волны - обычная спирально-цилиндрическая катушка индуктивности, ранее широко применявшаяся в качестве линий задержки в телевизорах.
В принципе этих знаний вполне достаточно, чтобы сконструировать так называемую лампу бегущей волны типа О: имеем источник электронов, эмитируемых разогретым катодом, анод, напряжение на котором будет разгонять электроны до фазовых скоростей СВЧ-излучений, которые будут вводиться и выводиться через входной и выходной волноводы, внешний электромагнит, который будет продольным магнитным полем искривлять траектории электронов, фокусируя их пучок для эффективного взаимодействия с электромагнитным полем замедляющей решётки, и, внимание(!), главный элемент - замедляющую систему электромагнитной волны, снижающую фазовую скорость её распространения до скорости разогнанных электронов.
Магнетрон, используемый в бытовой микроволновой печи
Остаётся дело только за малым - подобрать рабочие электрические напряжения, равно как и магнитное поле. Эти параметры подбираются таким образом, чтобы электроны, пролетая мимо замедляющей решётки, группировались в компактные сгустки (ленивых подгоняем ускоряющим полем, торопыг усмиряем тормозящим полем). На выходе имеем промодулированный по скорости и объёмной плотности пучок электронов, который способен усилить исходный сигнал в широком диапазоне частот (от 1 до 100 ГГц).
Помимо ламп бегущей волны типа О, были разработаны лампы с повышенным коэффициентом усиления типа М (магнетронного типа) за счёт формирования сгустков электронов одновременно в двумерном или трёхмерном пространстве за счёт применения электромагнитных полей сложного вида. Для физиков нового поколения этот принцип звучит проще - нужного эффекта добиваемся за счёт 2D и 3D-модуляций объёмной плотности пучка электронов.
Для генерации мощных коротких импульсов, применяемых в устройствах радиолокации, используют так называемые пролётные клистроны. Их принцип действия несколько отличается от принципа работы ламп бегущей волны - в них электромагнитный пучок взаимодействует с электромагнитной волной высокодобротного волноводного резонатора. Это взаимодействие длится значительно более короткое время. Из-за высокой добротности резонаторов клистрона, последний может применяться в качестве усилителя только в узком диапазоне частот.
В заключение опишем СВЧ-прибор, входящий в качестве основного элемента в бытовое устройство, ставшего столь привычным на современной кухне. Это магнетрон. К сожалению, физика его работы настолько сложна, что требует специальной инженерной подготовки: проще ознакомиться с его конструкцией и принять на веру утверждения автора. Заметим только, что в магнетроне происходит взаимодействие пучков электронов с электромагнитными полями резонаторов, расположенных по кругу. Орбиты, по которым движутся электроны в магнетроне, называются эпициклическими (только представьте себе орбиту точки обода колеса, обкатывающего цилиндр большего диаметра!).
Для упрощения математических расчетов удобно заменить истинное распределение точечных зарядов фиктивным непрерывным распределением, игнорируя тот факт, что заряды имеют дискретную структуру. Удобно считать, что заряды определённым образом «размазаны» в пространстве. Это позволяет значительно упростить расчёты, не внося в них сколько-нибудь значительной ошибки. При переходе к непрерывному распределению вводят понятия о плотностях зарядов: линейной -l, поверхностной-s, и объёмной -r.
Пусть dq - заряд, заключенный соответственно на длине dl , на поверхности dS и в объеме dV , тогда по определению:
Линейной плотностью электрического заряда называется величина l, численно равная величине электрического заряда, приходящегося на единицу длины заряженной нити (3.1).
Поверхностной плотностью электрического заряда называется величина s, равная величине электрического заряда, находящегося на единице площади поверхности заряженного тела, на 1 м 2 (3.2).
Объемной плотностью электрического заряда называется величина r, численно равная величине электрического заряда, находящегося в единице объема заряженного тела (3.3).
Зная плотность распределения заряда, его величину можно рассчитать по формулам (3.4-3.6.):
В СИ единицами измерения плотностей зарядов являются:
линейной - [l]=Кл/м, поверхностной -[s] = Кл/м 2 , объемной - [r] = Кл/м 3 .
Рассмотрим пример расчета силы взаимодействия между точечным и протяженным зарядами.
Пример 3.1. Тонкая бесконечная нить равномерно заряжена с линейной плотностью l. На расстоянии а от нити, против ее середины, находится точечный заряд q. Вычислить силу, действующую на этот заряд, со стороны заряженной нити.
| Т.к. заряд расположен на бесконечно длинной нити (т.е. геометрическими размерами нити по сравнению с расстоянием до заряда пренебречь нельзя, заряд нити неточечный). Для расчёта силы взаимодействия между протяжённым и точечным зарядами применим метод дифференцирования и интегрирования - метод ДИ. |
|
| Сначала разобьем нить на столь малые участки dl так, что каждый участок можно принять за МТ, а заряд на участке dl - за точечный. Найдем элементарную силу взаимодействия- dF i каждого такого точечного заряда нити dq с зарядом q . Т.к. dF i - вектор, то представим его в виде векторной суммы составляющих: dF x , dF y . dF i = dF x + dF y . Спроецируем силу dF накоординатные оси x и y и найдем модуль элементарной силы кулоновского взаимодействия между зарядами q и dq. Затем найдем проекции вектора dF на координатные оси - dF x , dF y , а затем, просуммировав величины всех соответствующих элементарных проекций сил, найдем и величины суммарных проекций сил, которые соответственно равны: F x = òd F x ,F y = ò dF y . Т.е. задача сводится к нахождению двух интегралов и необходимо выбрать удобную для интегрирования переменную. По закону Кулона: dF = k ½dq ½½q½ / r² 2 , а k = 1 / 4pe 0 . Также учтем, что dq = l dl. Сделаем рисунок. Из рисунка следует: dF = dF x + dF y ; dF x = dF sin a ; dF y = dF cos a ; Восстановим из середины нити перпендикуляр, и на нем, на расстоянии а от нити, поместим заряд q . При перемещении точечного заряда dq , находящегося на участке длиной dl вдоль нити (от ее середины вправо и от ее середины влево), будут изменяться и модуль вектора r и его модуль, а также и величина угла между перпендикуляром, восстановленным из середи -ны нити и вектором r . При движении вправо от середины нити до + ∞ угол a отсчитывается от перпендикуляра, восстановленного из середины нити против часовой стрелки, следовательно, берется со знаком плюс и изменяется от 0 до a 2 = +p /2, а при движении влево до – ∞ угол отсчитывается по часовой стрелке, т.е. берется со знаком минус и изменяется от 0 до a 1 = - p /2. Для всех элементов нити dl взятых справа от ее середины все dF xi будут направлены в отрицательном направлении оси х, а для всех элементов нити dl взятых слева от ее середины все dF xi будут направлены в положительном направлении оси х, и вследствие симметрии нити F x = 0. Осталось найти F y . В качестве переменной интегрирования удобно выбрать угол a, тогда: ò dF y = òdF cos a ; Подставим значение dF в подынтегральное выражение и преобразуем его к виду, удобному для интегрирования. Для этого рассмотрим два подобных треугольника: r d a / dl = a / r Þ dl = r 2 d a / a .
Рис. 3.1. Разбиение нити на точечные заряды Тогда: F y = ò dF cos a = ò (k l r 2 ½q ½cos a d a )/ a r 2 = [ k q l /a ] ò cos a d a . Проинтегрируем это выражение и подставим пределы интегрирования - нижний - (-p /2) и верхний - (p /2). После подстановки пределов интегрирования будем иметь: |
Поверхностный заряд приводит к увеличению или уменьшению толщины перехода. В результате этого на поверхности перехода может наступить пробой при напряженности поля, значительно меньшей той, которая необходима для возникновения пробоя в объеме. Это явление носит название поверхностного пробоя. Для снижения вероятности поверхностного пробоя необходимо применять защитные покрытия с высокой диэлектрической постоянной.
Поверхностный заряд возникает вследствие того, что энергия образования вакансий путем удаления ионов из кристалла на поверхность неодинакова для обоих типов ионов. Поскольку ионов одного типа удаляется несколько больше, то в результате на поверхности кристалла возникает разница в концентрациях ионов М и X, обусловленная различием концентраций вакансий внутри кристалла. Составление уравнений реакций, по которым образуются отдельные вакансии, осложняется тем, что представление об эффективном заряде и вакансии теряет в некоторой степени свой смысл вблизи поверхности.
Заземление шлангов. Поверхностные заряды в больших резервуарах значительно опаснее, чем в малых, так как путь утечки зарядов в них длиннее, а энергии накапливается больше. Резервуары и емкости объемом более 50 м3 должны быть присоединены к заземлителю не менее чем в двух диаметрально противоположных точках.
Поверхностные заряды на органических фото-проводящих изоляторах важны в некоторых методах ксерографии, одного-из видов электрофотографии.
Поверхностные заряды и внутреннее поле Е появляются также у диэлектрика, помещенного между обкладками заряженного плос-кого конденсатора. На этом примере удобно показать, что введение диэлектрика в поле может изменить взаимное расположение зарядов, создающих это поле.
Поверхностные заряды и внутреннее поле Е появляются также у диэлектрика, помещенного между обкладками заряженного плоского конденсатора. На этом примере удобно показать, что введение диэлектрика в поле может изменить взаимное расположение зарядов, создающих это поле. При отсутствии диэлектрика (или когда диэлектрик занимает все поле; рис. III.
Поверхностные заряды могут в некоторых случаях увеличивать напряженность электрического поля в месте выхода электронно-дырочного перехода на поверхность, что призодит к поверхностному пробою.
Поверхностный заряд может возникать и в отсутствие органических пленок, если на поверхности электродов образуется пленка окиси. Это часто случается, если электроды из нержавеющей стали бомбардируются ионами кислорода. Чистые позолоченные поверхности не подвержены действию ионов кислорода.
Поверхностный заряд и поверхностные концентрации (последние выражены в виде ZiFTi) представлены на рис. 51 - 3 и 51 - 4 для двух концентраций NaCl. Потенциалы измерены относительно каломельного электрода в том же растворе, что и идеально поляризуемый электрод, и никаких вопросов о потенциалах жидкостных соединений не возникает.
Поверхностный заряд распределен равномерно с плотностью О по площади круга радиуса а, лежащего в плоскости ж, у. Центр круга совпадает с началом координат.
Поверхностный заряд распределен равномерно по площадке прямоугольной формы. Как ведут себя потенциал и напряженность электрического поля при приближении к краю площадки.
Поверхностный заряд оказывает влияние на скорость утечки заряда в резервуаре и изменяет условия разряда.
Поверхностный заряд вызывается напряженностью электрического поля и косвенно зависит от плотности объемного заряда в нефтепродукте.
Реальные поверхностные заряды, конечно, нельзя расположить в слое нулевой толщины с бесконечно большой объемной плотностью, поэтому наше промежуточное представление более реалистично, чем предельный случай.
Поверхностный заряд шара возрастает. Он может быть рассчитан по закону сохранения заряда или исходя из граничных условий.
Возникший поверхностный заряд в металле локализован непосредственно на поверхности, тогда как заряд на полупроводнике распределяется между поверхностными уровнями и приповерхностным слоем. Заряд в этом слое можно определить независимо, если только известны характеристики объема полупроводника. Дело в том, что находящиеся у поверхности носители тока, в отличие от неподвижных носителей на поверхностных уровнях, дают вклад в проводимость образца. Измеряя сопротивление образца вдоль слоя при различных приложенных напряжениях, можно определить изменение проводимости, связанное с приповерхностными зарядами. Для повышения точности измерений образец должен быть достаточно тонким, чтобы изменение сопротивления составляло заметную часть полного сопротивления.
Схема прибора для прерывного. Поверхностный заряд наполнителя неизбежно вызывает появление электроосмотического потока жидкости.
Поверхностный заряд струи растекается по поверхности нефтепродукта в резервуаре, увеличивая опасность разряда статического электричества.
Связанными поверхностные заряды называются потому, что они появляются в результате деформации молекул диэлектрика и не могут быть от них оторваны (ср. Связанные заряды не проявляют себя внутри любого объема диэлектрика: суммарный электрический заряд молекул в этом объеме равен нулю. На поверхностях АВ и CD диэлектрика связанные заряды оказываются нескомпенсированными и создают собственное электрическое поле самого диэлектрика.
Связанными поверхностные заряды называются потому, что они появляются в результате деформации молекул диэлектрика и не могут быть от них оторваны (ср. Связанные заряды не проявляют себя внутри любого объема диэлектрика: суммарный электрический заряд молекул в этом объеме равен нулю. На поверхностях АВ и CD диэлектрика связанные заряды оказываются нескомпенсированными и создают собственное электрическое поле самого диэлектрика. Вектор Е; напряженности этого поля направлен внутри объема диэлектрика в сторону, противоположную направлению напряженности внешнего электрического поля, вызвавшего явление поляризации.
Если поверхностный заряд положителен (рис. 1.16 а), то электроны из объема - области притягиваются к поверхности.
Эти поверхностные заряды влияют на поле в паровом пространстве резервуара.
Если поверхностный заряд имеет знак, противоположный знаку основных носителей заряда в полупроводнике, то эти носители притягиваются к поверхности, образуя там обогащенный слой. Это может привести к уменьшению общей толщины области объемного заряда у поверхности и как следствие - к поверхностному пробою.
Вычислите поверхностный заряд, наведенный на внутренней и внешней поверхностях диэлектрика.
Если поверхностный заряд и контактная разность потенциала не равны нулю, а концентрация примесей у поверхности не постоянна, то это сказывается только на значении порогового напряжения, сам же вид формул не изменяется.
Вычислите поверхностный заряд, наведенный на внутренней и внешней поверхности диэлектрика.
Этот поверхностный заряд линейно спадает вдоль провода по направлению тока от положительных значений до отрицательных, или, говоря схематически, от - - со до - оо. Он слабо, а именно логарифмически, зависит от радиуса Ъ внешнего провода. Точка, в которой поверхностный заряд равен нулю, остается неопределенной, так как положение точки z 0 может быть выбрано произвольно. Мы можем лишь отождествить эту координату с серединой провода, которая при бесконечной длине, конечно, также является неопределенной.
Изменение поверхностного заряда за счет захвата компенсируется перераспределением в слое пространственного заряда как избыточных, так и равновесных носителей заряда. Это перераспределение носителей характеризуется новой величиной электростатического поверхностного потенциала.
Плотностью поверхностного заряда о начинается, как известно, заряд, приходящийся на единицу площади данной поверхности.
Влияние поверхностных зарядов, рассмотренное в главе XIX, позволяет предположить особый механизм увеличения скорости при поверхностной диффузии. В частности, разница в энергии образования анионных и катионных вакансий в галогенидах щелочных металлов приводит к положительному поверхностному заряду, который компенсируется пространственным зарядом в приповерхностном слое за счет избытка ионных вакансий металла по сравнению с ионными вакансиями галогена.
Плотностью поверхностного заряда а называется, как известно, заряд, приходящийся на единицу площади данной поверхности.
Природа поверхностного заряда является основой для понимания некоторых свойств системы, например ионного обмена.
Наличие поверхностного заряда вызывает изменения пуазейлевского характера течения жидкостей в порах за счет электрокинетических явлений. В достаточно тонких порах эти процессы осложнены необходимостью учета двух дополнительных эффектов: возможного перекрытия диффузных ионных атмосфер и существования граничных слоев с измененными реологическими свойствами. Для щелевой модели норового пространства получены решения , позволившие оценить относительный вклад этих эффектов. Показано, что в порах шириною h при наличии граничных слоев размерами h0 при условии (h / h0) 50 основным фактором, влияющим на скорость переноса, является изменение реологических свойств. При (h / h0) 50 преобладает влияние электровязкостного эффекта.
Наличие поверхностного заряда вызывает изменения пуазейлевского характера течения жидкостей в порах за счет электрокинетических явлений. В достаточно тонких порах эти процессы осложнены необходимостью учета двух дополнительных эффектов: возможного перекрытия диффузных ионных атмосфер и существования граничных слоев с измененными реологическими свойствами. Для щелевой модели порового пространства получены решения , позволившие оценить относительный вклад этих эффектов. Показано, что в порах шириною h при наличии граничных слоев размерами h0 при условии (Mh0) 50 основным фактором, влияющим на скорость переноса, является изменение реологических свойств. При (h / h0) 50 преобладает влияние электровязкостного эффекта.
Наличие поверхностного заряда вызывает изменения пуазейлевского характера течения жидкостей в порах за счет электрокинетических явлений. В достаточно тонких порах эти процессы осложнены необходимостью учета двух дополнительных эффектов: возможного перекрытия диффузных ионных атмосфер и существования граничных слоев с измененными реологическими свойствами. Для щелевой модели норового пространства получены решения , позволившие оценить относительный вклад этих эффектов. Показано, что в порах шириною h при наличии граничных слоев размерами hu при условии (h / h0) 50 основным фактором, влияющим на скорость переноса, является изменение реологических свойств. При (h / h0) - 50 преобладает влияние электровязкостного эффекта.
Изменение поверхностного заряда под воздействием хемосорб-ции вызывает два эффекта, наблюдаемых экспериментально: изменение работы выхода и изменение электропроводности.
Изменение поверхностного заряда под воздействием хемосорбции вызывает два эффекта, наблюдаемых экспериментально: изменение работы выхода и изменение электропроводности.
Влияние поверхностного заряда сказывается в основном на области базы, потому что ее удельное сопротивление велико.
Величины поверхностного заряда и скорости поверхностной рекомбинации, которые различны в (разных приборах и меняются со временем, обусловливают распределение величин параметров диодов и транзисторов в широких пределах и вариации этих распределений во времени. Следовательно, для оценки надежности приборов необходимо иметь способы определения распределили параметров поверхности и знать их изменения во времени.
Поле поверхностного заряда уже не может вызвать инверсии этой области. Таким образом, активная плсщадь инверсионного слоя на коллекторе ограничивается охранным кольцом. Электрод соединен с коллектором, поэтому электрическое поле в окисной пленке отсутствует и дрейф положительных ионов сильно замедляется.
Теория поверхностных зарядов основана на замене дефекта эквивалентным диполем и применении законов магнитных изображений для расчета поля возмущения над поверхностью изделия, обусловленного наличием дефекта.
Движению поверхностного заряда на кольце соответствует ток силы J ааф, где а - д / (2тга) - линейная плотность заряда.
Плотностью поверхностного заряда о называется, как известно, заряд, приходящийся на единицу площади данной поверхности.
Изучение поверхностного заряда системы сырая нефть - водная фаза наводит на мысль о том, что природа и величина зарядов на поверхности твердого тела - важный фактор эффективности процесса вытеснения нефти. Вагнер и Лич показали, что обращение смачиваемости поверхности пористого тела (переход от гидрофобной поверхности к гидрофильной) при заводнении приводит к повышению добычи нефти. Правильным выбором ПАВ можно селективно изменить краевой угол смачивания нефтью поверхности твердого тела и создать таким образом более благоприятные условия для вытеснения нефти. Мелроуз и Бранднер , а также Морроу пришли к заключению, что для оптимального извлечения оставшейся нефти с применением ПАВ при заводнении горная порода должна быть гидрофильной. Это дополнительно подтверждает выводы, сделанные нами в главе 1 о влиянии смачиваемости на эффективность вытеснения нефти из пласта. Чтобы извлечь большее количество нефти и уменьшить остаток нефти до величины, близкой к нулю, требуется капиллярное число на 4 порядка выше указанного. Это может быть достигнуто практически лишь уменьшением межфазного натяжения на границе раздела. Проведенное исследование водных растворов нефтяных сульфонатов показывает, что такие низкие значения межфазного натяжения могут быть получены при относительно малых концентрациях ПАВ.
Плотность поверхностного заряда сг можно измерять непосредственно с помощью прибора, схематически изображенного на рис. IV-10. Через раствор пропускается стационарный поток свободно падающих капелек ртути. Поскольку поверхность ртути заряжена положительно, при отрыве капли через внешнюю цепь на ртутный электрод на дне сосуда проходит поток электронов.
Под поверхностным зарядом системы металл-диэлектрик-полупроводник подразумевается полный заряд МДП-системы, состоящей из заряда границы раздела полупроводник-диэлектрик и заряда диэлектрика.
