Kontakt- vagy érintkezési feszültségek

Átírás

1 Kontakt- vagy érintkezési feszültségek

2 A jelenség: Két különböző A felület mentén összeérintett 1. és 2. fém A és B pontjai között U k nagyságú ún. kontakt- vagy érintkezési feszültség lép fel. A kvalitatív kimutatás történhet pl. így: szétválasztás Az elektrométer feszültséget jelez. szétválasztás

3 Értelmezés (Volta-feszültség): A két különböző minőségű fém érintkezési felületéhez közeli külső pontok között fellépő feszültséget Volta-feszültségnek nevezzük. Értelmezés (Galvani-feszültség): Az érintkező fémek belsejében, a határfelülethez közeli belső pontok között fellépő feszültséget Galvani-feszültségnek nevezzük. Volta-feszültség Galvani-feszültség

4 Magyarázat a fémek sávelmélete alapján egyszerű: Összeérintés előtt a különböző így különböző kilépési munkájú fémek Fermi-nívói nem esnek egybe. Összeérintés után a magasabb Fermi-nívójú és kisebb kilépési munkájú 1. fémből elektronok mennek át a 2. fémbe. A negatív elektronok átlépésével az 1. fémben az eredeti semleges állapothoz képest elektron hiány (látszólagos pozitív többlet) keletkezik, ezért annak potenciálja pozitívabbá válik és az energiaszintjei köztük a Fermi-nívója is lesüllyednek. Eközben a 2. fém elektronokat kap, benne elektron többlet keletkezik, potenciálja negatívabbá válik, és a Fermi-szintje pedig megemelkedik. Az elektronátlépés addig tart, amíg a két fém között kialakuló elektromos kettősréteg U k = φ 1 φ 2 kontaktfeszültséggel jellemezhető elektromos tere a további elektronmozgást meg nem akadályozza.

5 VOLTA olasz fizikusnak sikerült a fémeket és néhány más megvizsgált anyagot kontaktfeszültségi sorba állítania: (+) Al Zn Pb Sn Sb Bi Fe Cu Ag Au Pt C (-) Értelmezés (Volta-féle feszültségi sor): A fémek Volta által történt kontaktfeszültségi sorba állítását azaz a fenti sort Volta-féle feszültségi sornak nevezzük. Értelmezés (elsőfajú vezető): A Volta-féle feszültségi sor szerint viselkedő anyagokat elsőfajú vezetőknek nevezzük.

6 Néhány érdekesség: (1) Ha egy φ 1 kontaktpotenciálú 1. fém és egy φ 2 kontaktpotenciálú 2. fém közé egy φ 3 kontaktpotenciálú 3. fémet teszünk úgy, hogy azok érintkezzenek, akkor az A-B pontok közötti kontaktfeszültség ugyanakkora, mintha csak az 1. és a 2. fém lenne jelen. (2) Különböző kontaktpotenciálú vezetőkből álló zárt körben a kontaktfeszültségek összege nulla, és ennek eredményeképpen a körben áram nem folyhat.

7 Termoelektromos jelenségek Seebeck-effektus Peltier-effektus

8 Seebeck-effektus Az effektus felfedezője Thomas Johann Seebeck ( ) tette közzé ben. Értelmezés (Seebeck-effektus ): Ha két különböző 1. és 2. fémből álló vezetőkör A és B érintkezési pontjai között hőmérsékletkülönbséget hozunk létre, akkor a körbe iktatott galvanométer áramot jelez, vagyis a vezetőkörben az A és B érintkezési pontok hőmérsékletkülönbsége hatására elektromos áram folyik. A keletkezett áramot termoáramnak, a két fémből álló zárt kört pedig termoelemnek vagy hőelemnek nevezzük. Ez a jelenség a Seebeck-effektus. A jelenség magyarázata a kontaktfeszültség hőmérséklet-függésével adható meg.

9 Seebeck-effektus magyarázata Legyen pl. t A > t B és W k1 < W k2. Ekkor az A ponthoz tartozó felületen a kisebb kilépési munkájú 1. fémből elektronok mennek át a 2. fémbe. Az A helyhez tartozó elektromos kettősréteg U ka kontaktfeszültsége nagyobb lesz, mint a hidegebb B helyhez tartozó U kb kontaktfeszültség. Mivel az A és a B helyekhez tartozó kontaktfeszültségek ellentétes irányúak, ezért megjelenik az U t = U ka U kb ún. termofeszültség. Ez a termofeszültség tartja fenn az R ellenállású körben az erősségű termoáramot. Itt: I t = U t = U ka U kb R R U t = α (t A t B ) Ahol α = V a Seebeck-együttható, t A és t B a kontaktpontok hőmérsékletei - ban.

10 Seebeck-effektus alkalmazásai 1. Termomágnes: 2. Termoelem: 3. Termokereszt:

11 Peltier-effektus A jelenséget Jean Charles Athanase Peltier ( ) fedezte fel. Értelmezés (Peltier-effektus): Ha két különböző fém egymással érintkezik, és az érintési- vagy forrasztási ponton I erősségű egyenáram folyik át, akkor a Joule-hőn kívül az I áram irányától függően az érintkezési- vagy forrasztási pont felmelegszik, vagy lehül. A mérések szerint az érintkezési helyen τ idő alatt fellépő Peltier-hő: ahol a π = J As Kimutatható, hogy: Q = π I τ = V a Peltier-együttható. π = α t A Seebeck-effektus fordítottja!! Ahol α a Seebeck-együttható, t pedig a hőmérséklet -ban.

12 Peltier-effektus magyarázata A Peltier-effektus a kontaktfeszültséggel magyarázható: Álljon pl. a vezetőrendszer fémekből, az ábra szerint. A fémek kontaktpotenciáljai legyenek φ 1, φ 2, φ 1, továbbá legyen φ 2 > φ 1. Ekkor az elektronok a B forrasztási helyhez tartozó U k kontaktfeszültségű elektromos térben felgyorsulnak és energiájuk megnő. Az így nyert energia többlet a fémrács ionjaival való ütközések révén a B hely felmelegedésében nyílvánul meg. Az A helyhez tartozó U k kontaktfeszültségű ellentérben viszont az elektronok lelassulnak, energiájuk kisebb lesz, és ennek következtében az A érintkezési hely lehül. A Peltier-effektus haszna óriási! A jelenséget hűtésre lehet felhasználni, pl. érzékeny elektronikák (CCD kamerák) chipjeinek hűtésére.

13 Szilárdtestek mágneses tulajdonságai Dia-, para-, ferromágnesség

14 Szilárdtestek mágneses tulajdonságai A Bohr-modell szerint az elektronok jól meghatározott körpályákon keringenek az atommag körül. A körmozgást végző elektron keringési ideje, legyen T, T = s. Ekkor az elektron a mozgása során köráramot kelt. A köráram maga körül a jobbkéz szabálynak megfelelően mágneses teret hoz létre. A keltett mágneses tér megfelel egy mágneses dipólus terének. A köráram erőssége: I = q elektron, ahol q elektron az elektron töltése. Az m mágneses dipólmomentum nagysága: m = I A = q elektron r 2 π T T A köráram felülete: A = r 2 π Értelmezés (mágnesezettség): Az egységnyi térfogatra jutó mágneses momentum a mágnesezettség. Ennek vektori formája vagy alakja: M = m V

15 Szilárdtestek mágneses tulajdonságai Az anyag jelenléte (tehát nem vákuumban vizsgálva a leírást) megváltoztatja a mágneses indukciót a vákuumbeli értékéhez képest. Vákuumban: B = μ 0 H Anyagban (nem vákuumban): B = μ 0 μ r H (1) Az anyagban a mágneses indukció a mágnesezettségi vektorral felírható: B = μ 0 H + M (2). Akkor az (1) és (2) alapján: μ 0 μ r H = μ 0 H + M μ 0 μ r H μ 0 H = M μ 0 H μ r 1 = M Értelmezés (mágneses szuszceptibilitás): A κ = μ r 1 mennyiséget mágneses szuszceptibilitásnak nevezzük. Így a fenti egyenlet alakja: μ 0 Hκ = M

16 Szilárdtestek mágneses tulajdonságai A κ bevezetése itt azért előnyös, mert segítségével könnyen csoportosítani lehet a szilárdtesteket mágneses tulajdonságuk alapján: Értelmezések (dia-, para-, ferromágneses anyag): 1. Ha κ < 0, κ 1 μ r 1 az ilyen anyagból készült kis rúd a mágneses tér ellenébe fordul DIAMÁGNESES anyag 2. Ha κ > 0, κ 1 μ r 1 az ilyen anyagból készült kis rúd beáll a mágneses tér irányába PARAMÁGNESES anyag 3. Ha κ 1 és függ a mágneses térerősségtől. μ r ~ 10 3 nagyságrendbe esik. az ilyen anyag a paramágneses anyaghoz hasonlóan viselkedik FERROMÁGNESES anyag

17 Hiszterézis ( emlékezési görbe ) 2. A zérusra csökkentett külső térerősség esetén is van az anyagban indukció: REMANENS INDUKCIÓ 3. A külső térerősséget nulláról nagatív irányban növelve érhető el, hogy az anyagban a mágneses indukció nulla legyen. 5. Tovább növelve negatív irányban a külső mágneses tér értékét, az anyagban a mágneses térerősség negatívba megy át és telítésig csökkenő értékű. 4. Értelmezés (koercitív erő): 1. Külső térerősség növelése kezdetben gyorsan növekvő mágneses indukció, majd telítés. SZŰZGÖRBE 6. A külső teret negatív értékéről a pozitív értékek felé növelve, egy adott külső térerősségnél az anyagban a mágneses indukció ismét nulla lesz, majd irányt váltva pozítívvé válik végül egy nagyobb külső téterősségnél telítődik. Azt a külső térerősséget, amely értéknél az anyagban a mágneses térerősség nullára csökken koercitív térerősségnek, vagy más szóval koercitív erőnek nevezzük: A görbe által bezárt terület az átmágnesezéshez szükséges munka számértékét adja. Kis terület lágy mágnes Nagy terület kemény mágnes

18 Állandó mágnesként a nagy koercitív erejű és a nagy remanenciájú ferromágneses anyagok használhatók. A hőmérséklet növekedésével a ferromágneses anyag egyszer csak paramágneses anyaggá válik. Értelmezés (Curie-pont): Azt a legalacsonyabb hőmérsékletet, amelyen a ferromágneses anyag paramágnessé válik, Curie-pontnak nevezzük. Magnetosztrikció: Nagyfeszültségű transzformátorok mellett zümmögő hang hallható. Ez a magnetosztrikció jelensége. Lényege: változó mágneses térben a fémlemezek (transzformátorban), vagy a vezetékek mérete (vezetékeknél) megváltozik. A megváltozáskor a levegőben nyomásváltozások is létrejönnek. A nyomásváltozások, mint a levegőben terjedő longitudinális zavar, hangként jelennek meg.

19 Ferroelektromosság, Piezoelektromosság, Elektrosztrikció

20 Ferroelektromosság Értelmezés (ferroelektromosság): Bizonyos szigetelőanyagok vagyis dielektrikumok villamos térbe helyezve úgy viselkednek, mint a vas külső mágneses térben. Ezt a jelenséget nevezzük ferroelektromosságnak. Értelmezés (ferroelektromos kristály): Azokat a dielektrikum anyagokat, amelyek külső villamos térben ferroelektromos tulajdonságot mutatnak ferroelektromos kristályoknak nevezzük. Ezeknél az anyagoknál a D elektromos eltolás vagy eltolódás vektor ugyanolyan hiszterézis (emlékező) tulajdonságot mutat, mint a ferromágneses anyagok esetében látható volt. Az elektromos eltolás vektora: D = ε 0 ε r E Itt az ε r relatív permittivitás nem állandó, hanem a külső villamos térrel változik és akár 10 4 nagyságrendű is lehet.

21 Piezoelektromosság A jelenséget Pierre Curie és Jacques Curie fedezték fel 1880-ban. Értelmezés (piezoelektromosság): Azt a jelenséget, amikor mechanikai deformáció hatására egy anyag elektromos tulajdonságúvá válik piezoelektromosságnak nevezzük. Magyarázata: Deformáláskor a kristály szemben álló lapjain ellentétes előjelű polarizációs töltések jelennek meg. A deformáló erő irányának megváltozásakor pedig a lapokon jelentkező töltések előjelet váltanak. Formái: - a deformáció során dipólok keletkeznek - a deformáció során a meglévő dipólok átrendeződnek Lokálisan negatívabb Alkalmazás: öngyújtók, gázgyújtók,... Lokálisan pozitívabb

22 Elektrosztrikció A jelenséget Pierre Curie fedezte fel 1881-ben. Értelmezés (elektrosztrikció): Azt a jelenséget, amikor egy kristályt villamos térbe helyezve annak felülete deformálódik, vagy maga a kristály megnyúlik, illetve összenyomódik, elektrosztrikciónak nevezzük. Az elektrosztrikció a piezoelektromosság fordítottja. Váltakozó elektromos térben az ilyen kristály a feszültség váltakozásának megfelelően rezgőmozgást végez. Alkalmazás: kvarcórákban, dízel injektoroknál,...

23 Folyadékkristályok

24 1. A kezdetek: Friedrich Reinitzer ( ) Osztrák botanikus Koleszteril-benzoát kísérlet 1888-ban Lehman o KRISTÁLY ZAVAROS ÁTLÁTSZATLAN FOLYADÉK TISZTA ÁTLÁTSZÓ FOLYADÉK melegítés 145 -ra o Két olvadáspontú anyag melegítés 179 -ra Zavaros átlátszatlan fázis: optikailag anizotróp tartományok Új név: folyadékkristály állapot George H. Heilmeyer 1968: a folyadékkristály mikroelektronikához használható anyag 2. Halmazállapotok: SZILÁRD FOLYÉKONY LÉGNEMŰ PLAZMA FOLYADÉKKRISTÁLY az 5. halmazállapot (pl. szappanok, mosószerek vizes oldatai, selyemrost, érfal, sejtfal) makroszkópikusan folyékony, mikroszkópikusan szilárdtest

25 3. Folyadékkristályok fajtái: a) A tömegközéppontok rendezettsége megmarad, de orientációs rendezetlenség van b) A tömegközéppontok rendezettsége megszűnik, de az orientációsan rendezett 4. Értelmezés (folyadékkristály): A folyadékkristályok olyan anyagok, amelyekben a molekulák tömegközéppontjainak és a molekulatengelyeknek a teljes, együttes rendezettsége nem valósul meg. 5. Folyadékkristályok csoportjai: a) Termotrop: Ha a kristályos anyagi állapotból melegítés hatására alakul ki. b) Liotrop: Ha a kristályos anyagi állapotból oldószer hatására jön létre.

26 3. Folyadékkristályok csoportosítása G. Friedel ( ) szerint: a) SZMEKTIKUS o Réteges o Rétegekben véletlenszerűen állnak o Rétegek elcsúszhatnak egymáson o Termotrop

27 b) NEMATIKUS o Fonálszerű láncokba rendeződnek o Tengelyeik párhuzamosak, de nem rendeződnek síkokba o Fogvájó modell

28 c) KOLESZTERIKUS o o o o Réteges Egy rétegben a molekulatengelyek párhuzamosak Különböző rétegekben a molekulatengelyek irányai különbözőek (ismétlődések) A fény polarizációját elforgatják

29 4. LCD kijelzők fajtái: a) Dinamikus szóráson alapuló LCD-k: o o o 1968: dinamikus szórás: forgó, mozgó molekulákon a fény szóródást szenved Feszültség ráadása nélkül átlátszó, feszültségre sötét Elektromos áram örvénylő ionok fényszóró központok (dinamikus szórás) ionos vezetés, ionokon szóródás (dinamikus szórás) Transzmissziós, vagy átmenő fényre Reflexiós, vagy visszavert fényre

30 b) Térvezérléses LCD-k, avagy a térvezérelt csavart nematikus cella: o Működési elve: A csavart nematikus cella 90 -kal elforgatja a fény polarizációs síkját Világos a kijelző Sötét a kijelző