В процессе долгого сидения за электронным микроскопом у меня родилось небольшое хобби. Так как много времени смотрю одно и то же - неметаллические включения в металлах, - и исследую их химический состав, волей-неволей, наталкиваюсь на включения причудливой формы и кидаю коллегам. Чаще всего они просто круглые или продолговатые, но иногда бывает что-то интересное. Сегодня покажу одно из лучших, что мне когда-либо попадалось.
Пишите в комментариях, на что это похоже, а может, у кого-то родится, даже сюжет 😁
Если интересно, покажу что-нибудь ещё из своей коллекции
Пишите в комментариях, на что это похоже, а может, у кого-то родится, даже сюжет 😁
Если интересно, покажу что-нибудь ещё из своей коллекции
❤11👍7🔥4😁3🆒1
Сегодня у меня др!
И ровно три года назад накануне дня рождения после полугодового ожидания я получил заветный подарок в виде корочки кандидата наук.
Пока ещё не пожалел, что потратил время и силы на все это, посмотрим как будет дальше)
P.S. завтра будет интересный пост, не пропустите!
И ровно три года назад накануне дня рождения после полугодового ожидания я получил заветный подарок в виде корочки кандидата наук.
Пока ещё не пожалел, что потратил время и силы на все это, посмотрим как будет дальше)
P.S. завтра будет интересный пост, не пропустите!
🍾40🔥10❤7
Голубое свечение – предвестник смерти
Данный заголовок кликбэйтен лишь на 50%. Как вы уже догадались, сегодня поговорим об излучении Вавилова-Черенкова.
В 1958 году трое советских ученых – Павел Черенков, Игорь Тамм и Илья Франк получили нобелевскую премию за открытие и объяснение появления нового вида излучения, имеющего абсолютно другую природу по сравнению с люминесценцией.
Люминесценция возникает, когда при воздействии на атомы вещества каким-либо излучением (заряженными частицами, электромагнитными волнами), они переходят в возбужденное состояние. Т.е. их электроны, получая дополнительную энергию, переходят на более высокоэнергетические уровни, а затем сбрасывают эту энергию, спрыгивая обратно, в виде видимого света. Именно так, например, появляется полярное сияние.
Черенковское излучение не имеет ничего общего с люминесценцией. Оно возникает, когда частица в прозрачной среде двигается (внимание!) быстрее скорости света. Как же так, спросите вы, ведь теория относительности нам говорит, что ничего не может двигаться быстрее этой скорости. Но Эйнштейну в гробу вертеться пока преждевременно. Дело в том, что, согласно теории относительности, невозможно движение быстрее скорости света в вакууме! А вот в более плотных прозрачных средах типа воды или стекла, скорость света значительно меньше своих вакуумных значений. Вспомните пост про мираж. Чем плотнее воздух, тем медленнее свет двигается в нем. В воде он замедляется в 1,33 раза, а в стекле, в среднем, в 1,5. Поэтому при определенных условиях могут возникнуть частицы, двигающиеся быстрее скорости света в данной среде. Такие условия возникают, если рядом происходит ядерная реакция, а частицами, чаще всего являются быстрые электроны.
Есть два наиболее распространенных случая, когда может возникнуть это свечение – в активной зоне работающего ядерного реактора и при ядерной аварии. Когда происходит цепная реакция деления ядер урана или плутония, о которых я рассказывал здесь, образуется много разных радиоактивных элементов, которые, в дальнейшем, претерпевают бета-распад и испускают электроны. Также электроны могут выбиваться из среды гамма-квантами, попутно образовавшимися при реакции деления. Такие электроны могут быть очень высоких энергий и иметь скорость в 90, а то и 99% от скорости света в вакууме, тогда как свет, например, в воде имеет 75% этой скорости. Электроны ведь еще и маленькие и легко могут двигаться в такой среде.
При движении быстрее скорости света, также, как и при движении самолетов быстрее скорости звука, возникает ударная волна (про сверхзвук был пост здесь). Частица, пролетая через среду, передает часть своей энергии атомам среды и расталкивает их. После пролета они возвращаются обратно и сбрасывают лишнюю энергию, излучая кванты света - фотоны. Но если частица двигается медленнее скорости света в среде, эти излучения просто гасят друг друга. При обгоне света частицей она оставляет за собой световой конус, также, как и сверхзвуковой самолет оставляет за собой конус плотного воздуха. И в этом конусе волны не гасят друг друга, а усиливают.
Таким образом, черенковское излучение – это ударная электромагнитная волна от частицы, двигающейся со сверхсветовой скоростью в данной прозрачной среде.
Почему свечение голубое?
Потому что частицы высоких энергий, пролетающие в прозрачной среде, рождают высокоэнергетические электромагнитные волны (закон сохранения энергии никуда не делся). А высокая энергия означает высокую частоту и низкую длину волны. Поэтому в видимом диапазоне мы видим коротковолновые синие волны, а еще не видим ультрафиолетовые.
Данный заголовок кликбэйтен лишь на 50%. Как вы уже догадались, сегодня поговорим об излучении Вавилова-Черенкова.
В 1958 году трое советских ученых – Павел Черенков, Игорь Тамм и Илья Франк получили нобелевскую премию за открытие и объяснение появления нового вида излучения, имеющего абсолютно другую природу по сравнению с люминесценцией.
Люминесценция возникает, когда при воздействии на атомы вещества каким-либо излучением (заряженными частицами, электромагнитными волнами), они переходят в возбужденное состояние. Т.е. их электроны, получая дополнительную энергию, переходят на более высокоэнергетические уровни, а затем сбрасывают эту энергию, спрыгивая обратно, в виде видимого света. Именно так, например, появляется полярное сияние.
Черенковское излучение не имеет ничего общего с люминесценцией. Оно возникает, когда частица в прозрачной среде двигается (внимание!) быстрее скорости света. Как же так, спросите вы, ведь теория относительности нам говорит, что ничего не может двигаться быстрее этой скорости. Но Эйнштейну в гробу вертеться пока преждевременно. Дело в том, что, согласно теории относительности, невозможно движение быстрее скорости света в вакууме! А вот в более плотных прозрачных средах типа воды или стекла, скорость света значительно меньше своих вакуумных значений. Вспомните пост про мираж. Чем плотнее воздух, тем медленнее свет двигается в нем. В воде он замедляется в 1,33 раза, а в стекле, в среднем, в 1,5. Поэтому при определенных условиях могут возникнуть частицы, двигающиеся быстрее скорости света в данной среде. Такие условия возникают, если рядом происходит ядерная реакция, а частицами, чаще всего являются быстрые электроны.
Есть два наиболее распространенных случая, когда может возникнуть это свечение – в активной зоне работающего ядерного реактора и при ядерной аварии. Когда происходит цепная реакция деления ядер урана или плутония, о которых я рассказывал здесь, образуется много разных радиоактивных элементов, которые, в дальнейшем, претерпевают бета-распад и испускают электроны. Также электроны могут выбиваться из среды гамма-квантами, попутно образовавшимися при реакции деления. Такие электроны могут быть очень высоких энергий и иметь скорость в 90, а то и 99% от скорости света в вакууме, тогда как свет, например, в воде имеет 75% этой скорости. Электроны ведь еще и маленькие и легко могут двигаться в такой среде.
При движении быстрее скорости света, также, как и при движении самолетов быстрее скорости звука, возникает ударная волна (про сверхзвук был пост здесь). Частица, пролетая через среду, передает часть своей энергии атомам среды и расталкивает их. После пролета они возвращаются обратно и сбрасывают лишнюю энергию, излучая кванты света - фотоны. Но если частица двигается медленнее скорости света в среде, эти излучения просто гасят друг друга. При обгоне света частицей она оставляет за собой световой конус, также, как и сверхзвуковой самолет оставляет за собой конус плотного воздуха. И в этом конусе волны не гасят друг друга, а усиливают.
Таким образом, черенковское излучение – это ударная электромагнитная волна от частицы, двигающейся со сверхсветовой скоростью в данной прозрачной среде.
Почему свечение голубое?
Потому что частицы высоких энергий, пролетающие в прозрачной среде, рождают высокоэнергетические электромагнитные волны (закон сохранения энергии никуда не делся). А высокая энергия означает высокую частоту и низкую длину волны. Поэтому в видимом диапазоне мы видим коротковолновые синие волны, а еще не видим ультрафиолетовые.
1❤16🔥9👍5🆒3
Forwarded from STOLBOV STUDY | ФИЗИКА для взрослых и детей
Возвращаемся к заголовку⬆️
На самом деле, если вы увидели черенковское свечение в воде через прозрачное стекло работающего ядерного реактора, – это не страшно. Частицы замедляются водой и стеклом и до вас не доходят. А вот если человек рядом с собой увидел его в воздухе – можно считать, что он обречен. В воздухе свет двигается почти с такой же скоростью как в вакууме – где-то 99,97% от скорости света. Для возникновения черенковского излучения частицы должны двигаться быстрее. А возникновение частиц, двигающихся в воздухе с практически световой скоростью – это признак серьезной аварии или взрыва, при которой произошла бесконтрольная цепная реакция деления радиоактивных ядер. И если вы это увидели рядом, и между вами и источником не было никакой защиты, значит, вы получили смертельную дозу радиации.
Говорят, что такой столб черенковского излучения возник в момент взрыва реактора на Чернобыльской АЭС. Было оно или нет, достоверно сказать нельзя, эта история обросла уже массой сказок. Однако, это могло быть свечение из-за ионизации воздуха, вызванной потоком жёсткого гамма-излучения. Ну то есть, что-то похожее на полярное сияние. Тут уж точно сказать нельзя. А вот аварии, в которых люди видели это излучение, действительно были, но об этом в следующий раз.
На самом деле, если вы увидели черенковское свечение в воде через прозрачное стекло работающего ядерного реактора, – это не страшно. Частицы замедляются водой и стеклом и до вас не доходят. А вот если человек рядом с собой увидел его в воздухе – можно считать, что он обречен. В воздухе свет двигается почти с такой же скоростью как в вакууме – где-то 99,97% от скорости света. Для возникновения черенковского излучения частицы должны двигаться быстрее. А возникновение частиц, двигающихся в воздухе с практически световой скоростью – это признак серьезной аварии или взрыва, при которой произошла бесконтрольная цепная реакция деления радиоактивных ядер. И если вы это увидели рядом, и между вами и источником не было никакой защиты, значит, вы получили смертельную дозу радиации.
Говорят, что такой столб черенковского излучения возник в момент взрыва реактора на Чернобыльской АЭС. Было оно или нет, достоверно сказать нельзя, эта история обросла уже массой сказок. Однако, это могло быть свечение из-за ионизации воздуха, вызванной потоком жёсткого гамма-излучения. Ну то есть, что-то похожее на полярное сияние. Тут уж точно сказать нельзя. А вот аварии, в которых люди видели это излучение, действительно были, но об этом в следующий раз.
Please open Telegram to view this post
VIEW IN TELEGRAM
🔥13❤9👍9
Что мешает току течь по проводам?
Сегодня поговорим о знакомых нам со школы понятиях – электросопротивлении и электрической проводимости.
Многие помнят, что в законе Ома есть ток (I) – двигающиеся в каком-то направлении свободные электроны, напряжение (U) – штука, которая пинает эти электроны, чтобы они двигались (просто путем приложения плюса к одному концу и минуса к другому), и сопротивления (R) – нечто, что мешает этим электронам двигаться по проводнику.
И для последней величины даже есть отдельная формула, которая говорит о том, что чем длиннее проводник, тем больше вероятности электронам столкнуться с чем-то в металле, а, значит, больше сопротивление. Напротив, чем больше площадь сечения проводника, тем большее количество частиц через него проходит, и большее их число дойдет до пункта назначения. Это как в трубе с водой, чем она шире, тем проще в ней воде двигаться. Но там есть еще один коэффициент – удельное электросопротивление, который зависит от типа материала. Вот о нем поговорим подробнее.
Как я уже рассказывал ранее, в металлах положительно заряженные ионы сидят в узлах кристаллической решетки, и весь кристалл наполнен газом из свободных электронов. Так вот, подвижность этих электронов не у всех металлов одинакова, и зависит от того, как устроен тот или иной атом, и структура кристалла.
Я бы выделил четыре основных фактора, влияющие на сопротивление проводника (и на его проводимость, как обратную величину).
1️⃣ Концентрация свободных электронов. Логично, чем больше носителей заряда, тем больше тока будет переноситься. И здесь их количество, как раз связано с плотностью металла и плотностью упаковки атомов в кристалле. Чем больше атомов в единице объема, тем больше и электронов в нем. Кроме этого на концентрацию носителей заряда влияет и то, сколько в принципе свободных электронов содержится в каждом атоме того или иного вещества. Это мы узнаем из таблицы Менделеева.
2️⃣ Тип электронов и их подвижность. Обычно в проводимости тока участвуют электроны, сидящие на внешних электронных оболочках, подальше от ядра, меньше ощущающие его притяжение. Но у нас есть «особенные» металлы – переходные, у которых не заполнена внутренняя d-оболочка. У этих металлов, помимо электронов на внешней оболочке, в переносе заряда участвуют и «внутренние» d-электроны. А они, находясь ближе к ядру, подвергаются его влиянию сильнее, и, поэтому менее подвижны. У таких металлов проводимость меньше.
3️⃣ Чистота и идеальность кристалла. В металлах почти всегда присутствуют примеси или специально внесенные элементы в сплав. А если в кристаллической решетке среди множества ионов одного заряда встречаются ионы другого, то это нарушает баланс и искажает электрическое поле кристалла и саму решетку, тем самым отклоняя электроны от их привычной траектории (рассеивая). Чем больше «чужих» атомов, тем сильнее рассеивание. Также в металлах присутствуют различного рода дефекты. Например, когда в узле атом отсутствует или присутствует между узлами лишний. Могут отсутствовать целые цепочки атомов, и присутствовать много других дефектов, которые также искажают кристаллическую решетку и рассеивают электроны.
4️⃣ Внешние условия. Помимо рассеивания электронов на каких-то локальных центрах, описанных в п.3, на движение электронов могут влиять тепловые колебания решетки. Всегда энергия и скорость атомов и молекул пропорциональна температуре, только в газах они двигаются куда угодно, а в кристалле жестко привязаны к своему месту и колеблются вокруг него. Эти колебания тоже рассеивают электроны, и, чем больше температура, тем сильнее. Такие колебания, кстати, условно считают частицами под названием фононы. Когда мы греем металл до температуры плавления, то там вообще порядок разрушается, и сопротивление резко падает. Также на сопротивление может влиять пластическая деформация металла. Здесь мы просто увеличиваем количество дефектов в кристалле, искажаем решетку сильнее и появляется больше локальных центров рассеяния электронов.
Сейчас пока речь идет только про металлы, хотя к проводникам относятся не только они. Но это уже другая история.
Сегодня поговорим о знакомых нам со школы понятиях – электросопротивлении и электрической проводимости.
Многие помнят, что в законе Ома есть ток (I) – двигающиеся в каком-то направлении свободные электроны, напряжение (U) – штука, которая пинает эти электроны, чтобы они двигались (просто путем приложения плюса к одному концу и минуса к другому), и сопротивления (R) – нечто, что мешает этим электронам двигаться по проводнику.
И для последней величины даже есть отдельная формула, которая говорит о том, что чем длиннее проводник, тем больше вероятности электронам столкнуться с чем-то в металле, а, значит, больше сопротивление. Напротив, чем больше площадь сечения проводника, тем большее количество частиц через него проходит, и большее их число дойдет до пункта назначения. Это как в трубе с водой, чем она шире, тем проще в ней воде двигаться. Но там есть еще один коэффициент – удельное электросопротивление, который зависит от типа материала. Вот о нем поговорим подробнее.
Как я уже рассказывал ранее, в металлах положительно заряженные ионы сидят в узлах кристаллической решетки, и весь кристалл наполнен газом из свободных электронов. Так вот, подвижность этих электронов не у всех металлов одинакова, и зависит от того, как устроен тот или иной атом, и структура кристалла.
Я бы выделил четыре основных фактора, влияющие на сопротивление проводника (и на его проводимость, как обратную величину).
Сейчас пока речь идет только про металлы, хотя к проводникам относятся не только они. Но это уже другая история.
Please open Telegram to view this post
VIEW IN TELEGRAM
1❤13👍7🔥6
Почему медь и серебро – лучшие проводники?
В предыдущем посте я говорил о факторах, влияющих на электропроводность металлов. Там мы говорили об особенностях переходных металлов. О том, что их сопротивление ниже из-за участия в переносе заряда малоподвижных d-электронов с незаполненных внутренних оболочек. Но вот парадокс: медь и серебро, которые всем известны, как лучшие в мире проводники, тоже являются переходными металлами!
У нас тут, вроде бы физика, но еще и химию с таблицей Менделеева вспоминать приходится.
В переходных металлах внешняя оболочка, как правило, полностью заполнена, а внутренняя нет. Но среди них есть несколько исключений, когда энергетически выгодно быстрее наполовину или полностью заполнить эту d-оболочку в угоду внешней. Одним из таких исключений является медь, у которой внутренняя d-оболочка полностью заполнена, а внешняя заполнена не до конца.
У меди из-за достижения энергетически выгодного положения внутренней оболочки d-электроны уже перестают участвовать в проводимости и своей малоподвижностью негативно влиять на способность переносить заряд. Более того, эта заполненная внутренняя оболочка, как будто, экранирует положительное ядро от внешнего отрицательно заряженного электрона и еще больше ослабляет кулоновское притяжение, давая больше свободы переносчику тока. Добавим к этому всему тот факт, что в кристаллической структуре меди атомы упакованы наиболее плотным образом, а значит, концентрация свободных электронов высокая. По этим причинам, при прочих равных, медь хорошо проводит ток.
Аналогичным строением электронных оболочек обладает серебро. А оно является рекордсменом по электропроводности. Ее сопротивление даже меньше, чем у меди. У серебра атом больше, и внешняя электронная оболочка, на которой сидит свободный электрон, находится дальше от ядра. Тем самым, помимо того же самого «экранирования» ядра внутренними оболочками, сила притяжения к нему еще слабее, из-за увеличенного расстояния. Поэтому серебро – лучший проводник из всех металлов. Правда дорогой.
Есть еще парочка металлов с хорошей проводимостью. В комментариях можете написать, какие.
В предыдущем посте я говорил о факторах, влияющих на электропроводность металлов. Там мы говорили об особенностях переходных металлов. О том, что их сопротивление ниже из-за участия в переносе заряда малоподвижных d-электронов с незаполненных внутренних оболочек. Но вот парадокс: медь и серебро, которые всем известны, как лучшие в мире проводники, тоже являются переходными металлами!
У нас тут, вроде бы физика, но еще и химию с таблицей Менделеева вспоминать приходится.
В переходных металлах внешняя оболочка, как правило, полностью заполнена, а внутренняя нет. Но среди них есть несколько исключений, когда энергетически выгодно быстрее наполовину или полностью заполнить эту d-оболочку в угоду внешней. Одним из таких исключений является медь, у которой внутренняя d-оболочка полностью заполнена, а внешняя заполнена не до конца.
У меди из-за достижения энергетически выгодного положения внутренней оболочки d-электроны уже перестают участвовать в проводимости и своей малоподвижностью негативно влиять на способность переносить заряд. Более того, эта заполненная внутренняя оболочка, как будто, экранирует положительное ядро от внешнего отрицательно заряженного электрона и еще больше ослабляет кулоновское притяжение, давая больше свободы переносчику тока. Добавим к этому всему тот факт, что в кристаллической структуре меди атомы упакованы наиболее плотным образом, а значит, концентрация свободных электронов высокая. По этим причинам, при прочих равных, медь хорошо проводит ток.
Аналогичным строением электронных оболочек обладает серебро. А оно является рекордсменом по электропроводности. Ее сопротивление даже меньше, чем у меди. У серебра атом больше, и внешняя электронная оболочка, на которой сидит свободный электрон, находится дальше от ядра. Тем самым, помимо того же самого «экранирования» ядра внутренними оболочками, сила притяжения к нему еще слабее, из-за увеличенного расстояния. Поэтому серебро – лучший проводник из всех металлов. Правда дорогой.
Есть еще парочка металлов с хорошей проводимостью. В комментариях можете написать, какие.
👍11❤6🔥6🆒2
Как тела проводят тепло?
Если уже затронули тему электропроводности, то давайте поговорим и о теплопроводности, ведь бывает так, что эти две величины связаны.
Как я уже говорил, и многим это давно известно, кинетическая энергия атомов пропорциональна температуре. При нагревании твердых тел атомы не могут свободно двигаться, поэтому им остается только колебаться вокруг своего положения, и, чем больше температура, тем больше амплитуда этих колебаний. Такие колебания для упрощения можно считать условными частицами под названием фононы. Они являются одними из переносчиков тепла в твердых телах.
Так как атомы в кристаллической решетке расположены довольно близко друг к другу, во время колебаний каждый атом оказывает влияние на соседние, тоже приводя их в движение (см. анимацию). Таким образом, возникает волна тепловых колебаний атомов, которая может распространяться по всему кристаллу, перенося, тем самым, тепло.
Но все бы хорошо, но при таких условиях, если бы все атомы совершали синхронные колебания и такие тепловые волны не встречали бы никаких препятствий, то тепло распространялось бы со скоростью звука и теплопроводность была бы бесконечно большой.
Однако, как мы знаем, в реальных кристаллах этого не происходит, как раз из-за того, что никакой синхронности колебаний атомов в них нет. Это значит, что колебания атомов взаимодействуют друг с другом, где-то усиливая, а где-то ослабляя самих себя. Вообще этот процесс можно описать, представив, что кристалл – это ящик с фононами, которые беспорядочно двигаются, сталкиваясь друг с другом, изменяя свою скорость и направление, или вообще могут размножиться при столкновении. Такое явление носит название ангармонизм колебаний атомов или фонон-фононное рассеяние. Из-за таких вот непростых взаимодействий между фононами происходит замедление передачи тепла из одной части кристалла в другую, и мы наблюдаем реальную теплопроводность.
Фононная или решеточная теплопроводность присутствует во всех кристаллах, но металлы, как всегда, снова отличились. В них же есть свободные электроны, а чем они не переносчики тепла? При нагреве дополнительная энергия переходит в колебания атомов решетки, а те, в свою очередь, могут передавать энергию свободным электронам или забирать ее. Свободные электроны дают дополнительный вклад в перенос тепла, и именно поэтому металлы обладают высокой теплопроводностью.
Я думаю, вы уже догадались, что физика процесса здесь схожа с электрическим сопротивлением. Мы уже знаем, что свободным электронам в металле мешают двигаться примеси, дефекты или сами колебания атомов (фононы). Поэтому теплопроводность в металлах прямо пропорциональна электрической проводимости. Это называется законом Видемана-Франца.
Удивительно, фононы проводят тепло и одновременно мешают ему распространяться. Здесь все зависит от амплитуды тепловых колебаний. При низких температурах колебания слабые, и фононы практически не мешают электронам проводить тепло, а при высоких их амплитуда такая большая, что электроны на них тормозятся.
Такие вот привычные нам свойства веществ скрывают в себе много интересного. Ну и, если вы читали предыдущие посты, наверное догадались, у какого металла самая высокая теплопроводность.
Если уже затронули тему электропроводности, то давайте поговорим и о теплопроводности, ведь бывает так, что эти две величины связаны.
Как я уже говорил, и многим это давно известно, кинетическая энергия атомов пропорциональна температуре. При нагревании твердых тел атомы не могут свободно двигаться, поэтому им остается только колебаться вокруг своего положения, и, чем больше температура, тем больше амплитуда этих колебаний. Такие колебания для упрощения можно считать условными частицами под названием фононы. Они являются одними из переносчиков тепла в твердых телах.
Так как атомы в кристаллической решетке расположены довольно близко друг к другу, во время колебаний каждый атом оказывает влияние на соседние, тоже приводя их в движение (см. анимацию). Таким образом, возникает волна тепловых колебаний атомов, которая может распространяться по всему кристаллу, перенося, тем самым, тепло.
Но все бы хорошо, но при таких условиях, если бы все атомы совершали синхронные колебания и такие тепловые волны не встречали бы никаких препятствий, то тепло распространялось бы со скоростью звука и теплопроводность была бы бесконечно большой.
Однако, как мы знаем, в реальных кристаллах этого не происходит, как раз из-за того, что никакой синхронности колебаний атомов в них нет. Это значит, что колебания атомов взаимодействуют друг с другом, где-то усиливая, а где-то ослабляя самих себя. Вообще этот процесс можно описать, представив, что кристалл – это ящик с фононами, которые беспорядочно двигаются, сталкиваясь друг с другом, изменяя свою скорость и направление, или вообще могут размножиться при столкновении. Такое явление носит название ангармонизм колебаний атомов или фонон-фононное рассеяние. Из-за таких вот непростых взаимодействий между фононами происходит замедление передачи тепла из одной части кристалла в другую, и мы наблюдаем реальную теплопроводность.
Фононная или решеточная теплопроводность присутствует во всех кристаллах, но металлы, как всегда, снова отличились. В них же есть свободные электроны, а чем они не переносчики тепла? При нагреве дополнительная энергия переходит в колебания атомов решетки, а те, в свою очередь, могут передавать энергию свободным электронам или забирать ее. Свободные электроны дают дополнительный вклад в перенос тепла, и именно поэтому металлы обладают высокой теплопроводностью.
Я думаю, вы уже догадались, что физика процесса здесь схожа с электрическим сопротивлением. Мы уже знаем, что свободным электронам в металле мешают двигаться примеси, дефекты или сами колебания атомов (фононы). Поэтому теплопроводность в металлах прямо пропорциональна электрической проводимости. Это называется законом Видемана-Франца.
Удивительно, фононы проводят тепло и одновременно мешают ему распространяться. Здесь все зависит от амплитуды тепловых колебаний. При низких температурах колебания слабые, и фононы практически не мешают электронам проводить тепло, а при высоких их амплитуда такая большая, что электроны на них тормозятся.
Такие вот привычные нам свойства веществ скрывают в себе много интересного. Ну и, если вы читали предыдущие посты, наверное догадались, у какого металла самая высокая теплопроводность.
This media is not supported in your browser
VIEW IN TELEGRAM
🔥12👍8❤7💯2🆒1
Решил я, что мои длинные посты не всегда вовремя прилетают подписчикам, из-за чего некоторые из них кем-то могут быть пропущены, хоть и интересны.
Поэтому периодически буду выпускать дайджесты основных постов, вышедших за какой-то период, чтобы вы могли вспомнить, вернуться и почитать их.
Сегодня предлагаю дайджест постов за сентябрь-октябрь, которые вы можете почитать в эти длинные выходные.
Большой и, как оказалось, достаточно сложный лонгрид про магнитные свойства веществ, который я писал полмесяца) Для тех, кто хочет напрячься.
На контрасте с предыдущим хорошо зашедший пост об особом виде морского миража под названием Фата-Моргана, который родил миф о летучем голландце.
Немного физики домашней электрики: принципы работы приборов, защищающих от короткого замыкания и от удара током.
Кому и за что присудили Нобелевскую премию по физике в 2025 году. Краткий обзор открытия на простом русском языке.
Почему металлы блестят? Взгляд одним глазком в электронную теорию.
Что мешает току течь по проводам? О причинах появления электрического сопротивления, а также продолжение о том, почему медь и серебро - лучшие проводники.
Голубое свечение ядерных реакций. О физике излучения Вавилова-Черенкова. Опасно оно или нет?
Поэтому периодически буду выпускать дайджесты основных постов, вышедших за какой-то период, чтобы вы могли вспомнить, вернуться и почитать их.
Сегодня предлагаю дайджест постов за сентябрь-октябрь, которые вы можете почитать в эти длинные выходные.
Большой и, как оказалось, достаточно сложный лонгрид про магнитные свойства веществ, который я писал полмесяца) Для тех, кто хочет напрячься.
На контрасте с предыдущим хорошо зашедший пост об особом виде морского миража под названием Фата-Моргана, который родил миф о летучем голландце.
Немного физики домашней электрики: принципы работы приборов, защищающих от короткого замыкания и от удара током.
Кому и за что присудили Нобелевскую премию по физике в 2025 году. Краткий обзор открытия на простом русском языке.
Почему металлы блестят? Взгляд одним глазком в электронную теорию.
Что мешает току течь по проводам? О причинах появления электрического сопротивления, а также продолжение о том, почему медь и серебро - лучшие проводники.
Голубое свечение ядерных реакций. О физике излучения Вавилова-Черенкова. Опасно оно или нет?
👍18❤10🔥7🆒3
Все ресурсы, предназначенные для написания постов, в последние недели были потрачены на нахождение в больнице с ребенком. Хотел наперед написать постов, чтобы не отвлекаться здесь на ведение блога, но все случилось немного раньше запланированного, и сильно затянулось.
Только сейчас нашел силы, и завтра будет пост, навеянный пребыванием в этом месте.
Только сейчас нашел силы, и завтра будет пост, навеянный пребыванием в этом месте.
😱14🙏14🤯3❤2
Бактерицидные лампы, как они работают?
Пребывание в последние две недели в больнице навеяло пост про ультрафиолет, который здесь активно используется для обеззараживания помещений.
Все мы знаем, что за фиолетовой частью видимого спектра скрываются невидимые ультрафиолетовые лучи, у которых длина волны меньше, а, значит, выше энергия. Основным источником ультрафиолета на нашей планете, как мы знаем, является Солнце, но не все излучение до нас доходит.
Небольшой экскурс в спектр ультрафиолетового излучения, который делится на три основных части:
UVA с длиной волны 315-400 нм
UVB с длиной волны 280-315 нм
UVC с длиной волны 100-280 нм
Вообще ультрафиолетовый спектр принято считать от 10 нм, но наиболее жесткое излучение с длиной волны 10-100 нм мы рассматривать пока не будем.
От солнца, кстати, до земли доходит только UVA, а UVB и UVC поглощаются озоновым слоем и кислородом.
Теперь поговорим про наиболее старый способ искусственного получения ультрафиолета. В большинстве бюджетных больницах он и применяется.
И тут нам на помощь приходит ни что иное как ртуть – наша палочка-выручалочка в измерениях атмосферного давления, температуры, а теперь еще и в получении ультрафиолета, ее атомы как раз способны излучать в этом диапазоне.
Процессы, происходящие в ртутных лампах, - это газовые разряды, подобные тем, которые возникают при сварке. В стеклянной лампе, к концам которой подключены электроды, находится капля ртути и инертный газ (например, аргон). Когда к концам прикладывают высокое напряжение, возникает газовый разряд – электроны отрываются от катода, и, ускоряясь электрическим полем, двигаются к аноду и сталкиваются с атомами газа, приводя их в возбужденное или ионизированное состояние. Мы уже много раз говорили о том, что в первом случае электрон переходит на уровень с более высокой энергией, а потом спрыгивает обратно, испуская фотон, а при ионизации электрон совсем покидает атом, образуя ион.
Но ртуть изначально в таких лампах находится в жидком состоянии, и ее нужно сначала испарить, а потом возбудить или ионизировать ее атомы (зажечь дугу). Для этого сначала ионизируется аргон. Ионизируясь, он постепенно разогревает каплю ртути и испаряет ее, а также увеличивает количество электронов, повышая их вероятность столкнуться с атомами ртути, которых в лампе достаточно мало. После того, как пары ртути заполняют лампу и рождается достаточное количество электронов для ее возбуждения и ионизации, зажигается ртутная дуга и начинается испускание желаемого ультрафиолета. По сути внутри лампы находятся два типа плазмы: холодная плазма аргона и горячая плазма ртути. Примерно так работают старые ртутные лампы.
В бактерицидных лампах, из-за того, что «рабочих» атомов мало, то и вероятность их возбудить летящими электронами тоже невелика. В таких условиях они передают минимальную энергию атому ртути, требуемую для его возбуждения из основного состояния. И эта энергия соответствует испусканию фотона длиной волны 254 нм (UVC).
А ещё бывает так, что электрону хватает энергии, чтобы дать испустить волну длиной 185 нм. Энергия таких фотонов (где-то 6-7 эВ) больше энергии связи двух атомов в молекуле кислорода, поэтому они могут разрушать молекулу O2 на два атома О, каждый из которых быстренько прикрепляется к другой молекуле О2, образуя молекулу О3 – озон.
О том, как именно ультрафиолетовое излучение разрушает ДНК и РНК бактерий и вирусов, а также о том, как озон может обеззараживать помещение и влиять на организм, предлагаю рассказать в комментариях профильным специалистам или просто биологам, которые тут, вроде как, были.
Пребывание в последние две недели в больнице навеяло пост про ультрафиолет, который здесь активно используется для обеззараживания помещений.
Все мы знаем, что за фиолетовой частью видимого спектра скрываются невидимые ультрафиолетовые лучи, у которых длина волны меньше, а, значит, выше энергия. Основным источником ультрафиолета на нашей планете, как мы знаем, является Солнце, но не все излучение до нас доходит.
Небольшой экскурс в спектр ультрафиолетового излучения, который делится на три основных части:
UVA с длиной волны 315-400 нм
UVB с длиной волны 280-315 нм
UVC с длиной волны 100-280 нм
Вообще ультрафиолетовый спектр принято считать от 10 нм, но наиболее жесткое излучение с длиной волны 10-100 нм мы рассматривать пока не будем.
От солнца, кстати, до земли доходит только UVA, а UVB и UVC поглощаются озоновым слоем и кислородом.
Теперь поговорим про наиболее старый способ искусственного получения ультрафиолета. В большинстве бюджетных больницах он и применяется.
И тут нам на помощь приходит ни что иное как ртуть – наша палочка-выручалочка в измерениях атмосферного давления, температуры, а теперь еще и в получении ультрафиолета, ее атомы как раз способны излучать в этом диапазоне.
Процессы, происходящие в ртутных лампах, - это газовые разряды, подобные тем, которые возникают при сварке. В стеклянной лампе, к концам которой подключены электроды, находится капля ртути и инертный газ (например, аргон). Когда к концам прикладывают высокое напряжение, возникает газовый разряд – электроны отрываются от катода, и, ускоряясь электрическим полем, двигаются к аноду и сталкиваются с атомами газа, приводя их в возбужденное или ионизированное состояние. Мы уже много раз говорили о том, что в первом случае электрон переходит на уровень с более высокой энергией, а потом спрыгивает обратно, испуская фотон, а при ионизации электрон совсем покидает атом, образуя ион.
Но ртуть изначально в таких лампах находится в жидком состоянии, и ее нужно сначала испарить, а потом возбудить или ионизировать ее атомы (зажечь дугу). Для этого сначала ионизируется аргон. Ионизируясь, он постепенно разогревает каплю ртути и испаряет ее, а также увеличивает количество электронов, повышая их вероятность столкнуться с атомами ртути, которых в лампе достаточно мало. После того, как пары ртути заполняют лампу и рождается достаточное количество электронов для ее возбуждения и ионизации, зажигается ртутная дуга и начинается испускание желаемого ультрафиолета. По сути внутри лампы находятся два типа плазмы: холодная плазма аргона и горячая плазма ртути. Примерно так работают старые ртутные лампы.
В бактерицидных лампах, из-за того, что «рабочих» атомов мало, то и вероятность их возбудить летящими электронами тоже невелика. В таких условиях они передают минимальную энергию атому ртути, требуемую для его возбуждения из основного состояния. И эта энергия соответствует испусканию фотона длиной волны 254 нм (UVC).
А ещё бывает так, что электрону хватает энергии, чтобы дать испустить волну длиной 185 нм. Энергия таких фотонов (где-то 6-7 эВ) больше энергии связи двух атомов в молекуле кислорода, поэтому они могут разрушать молекулу O2 на два атома О, каждый из которых быстренько прикрепляется к другой молекуле О2, образуя молекулу О3 – озон.
О том, как именно ультрафиолетовое излучение разрушает ДНК и РНК бактерий и вирусов, а также о том, как озон может обеззараживать помещение и влиять на организм, предлагаю рассказать в комментариях профильным специалистам или просто биологам, которые тут, вроде как, были.
👍21❤9🔥8
Ксенон или галоген?
Раз уж затронули тему ламп, давайте продолжим.
Посмотрим, как работают лампы разного типа, а также ответим уже на этот волновавший до недавнего времени автомобилистов вопрос. Сейчас, кстати, данный вопрос уже не особо актуален, т.к. появились светодиоды, которые уничтожили всех своих конкурентов.
Самыми простыми электрическими лампами являются лампы накаливания, который были у всех дома. Там в колбе с откачанным воздухом через вольфрамовую нить пропускается электрический ток, который по закону Джоуля-Ленца нагревает эту нить до высокой температуры. А при нагревании ионы кристаллической решетки совершают колебания интенсивнее и испускают электромагнитные волны. Чем больше температура, тем более энергично колеблются ионы и тем выше энергия и частота излучения. При низких температурах они излучают в инфракрасном диапазоне, а при более высоких – уже в видимом, т.е. светятся. Это и происходит с вольфрамовой нитью в лампе. Тем не менее, лампы накаливания перегорают. И происходит это потому что при высокой температуре вольфрам с нити может потихоньку испаряться (минуя плавление) и осаждаться на более холодных стенках колбы (так появляется почернение на стекле). Через некоторое время нить истончается, рвется, и цепь размыкается.
Галогенные лампы – более усовершенствованные лампы накаливания. В них вместо вакуума накачивают пары галогенов – брома или йода. Эти газы вступают в химическую реакцию с испаряющимися с нити атомами вольфрама, причем этот процесс обратимый и зависит от температуры. Подальше от нити, где похолоднее вольфрам соединяется с йодом и бромом, образуя йодид или бромид вольфрама, а поближе, где пожарче – соединение снова распадается на вольфрам и галоген. Вновь освободившийся вольфрам может снова вернуться на нить. Так галогенный газ не дает вольфраму испаряясь осесть на стенках колбы и возвращает его в работу. Это существенно продлевает срок службы лампы и позволяет немного повысить температуру накала для более яркого света.
Ксеноновые лампы работают по-другому. Это газоразрядные лампы, похожие на бактерицидные, о которых я уже писал. В таких лампах все также, как при сварке – зажигается электрическая дуга и образуется плазма. Электроны, вылетающие с катода, ускоряясь высоким напряжением, сталкиваются с атомами газа и либо возбуждают их, либо ионизируют. При возбуждении, мы уже не раз об этом говорили, электрон переходит на более высокий энергетический уровень, а затем, возвращаясь обратно, испускает фотон. Из-за этого лампа и светится. При ионизации электрон совсем выбивается из атома ксенона и летит дальше. Это нужно, чтобы электроны не заканчивались и ток в газе поддерживался.
Перегорают ксеноновые лампы тоже по-другому. Так как у них нет нити, которая рвется, изнашиваются электроды. Образующаяся дуга очень горячая и постоянно взаимодействует с электродами (которые, кстати, тоже из вольфрама) и потихоньку их съедает (это называется эрозией). Электроды уменьшаются в размерах и увеличивается расстояние между ними, что влияет на стабильность дуги. Дуга становится не той формы, на которую рассчитана лампа, и начинает гаснуть. При сильном износе электродов расстояние становится таким, что напряжения не хватает, чтобы зажечь дугу. В добавление к этому, атомы вольфрама, вышедшие из электродов, попадают в колбу и оседают на ее стенках, что ухудшает световой поток и колба перегревается.
Подведем итог и перечислим плюсы и минусы двух типов ламп для ответа на вопрос из заголовка.
Галогенные лампы хороши своей простотой и дешевизной, имеют приятный цвет и мгновенно включаются (физика довольно примитивная). Но они имеют низкую яркость, по сравнению с газоразрядными лампами и короткий срок службы.
Ксеноновые лампы светят в разы ярче и служат дольше – это их главное преимущество. Но они более сложно устроены, требуют дополнительной электроники для управления, дорогие, и загораются не сразу (требуется время на зажигание дуги).
Для разных целей разные лампы хороши, а на дороге нужно не забывать о тех, кто едет навстречу.
Раз уж затронули тему ламп, давайте продолжим.
Посмотрим, как работают лампы разного типа, а также ответим уже на этот волновавший до недавнего времени автомобилистов вопрос. Сейчас, кстати, данный вопрос уже не особо актуален, т.к. появились светодиоды, которые уничтожили всех своих конкурентов.
Самыми простыми электрическими лампами являются лампы накаливания, который были у всех дома. Там в колбе с откачанным воздухом через вольфрамовую нить пропускается электрический ток, который по закону Джоуля-Ленца нагревает эту нить до высокой температуры. А при нагревании ионы кристаллической решетки совершают колебания интенсивнее и испускают электромагнитные волны. Чем больше температура, тем более энергично колеблются ионы и тем выше энергия и частота излучения. При низких температурах они излучают в инфракрасном диапазоне, а при более высоких – уже в видимом, т.е. светятся. Это и происходит с вольфрамовой нитью в лампе. Тем не менее, лампы накаливания перегорают. И происходит это потому что при высокой температуре вольфрам с нити может потихоньку испаряться (минуя плавление) и осаждаться на более холодных стенках колбы (так появляется почернение на стекле). Через некоторое время нить истончается, рвется, и цепь размыкается.
Галогенные лампы – более усовершенствованные лампы накаливания. В них вместо вакуума накачивают пары галогенов – брома или йода. Эти газы вступают в химическую реакцию с испаряющимися с нити атомами вольфрама, причем этот процесс обратимый и зависит от температуры. Подальше от нити, где похолоднее вольфрам соединяется с йодом и бромом, образуя йодид или бромид вольфрама, а поближе, где пожарче – соединение снова распадается на вольфрам и галоген. Вновь освободившийся вольфрам может снова вернуться на нить. Так галогенный газ не дает вольфраму испаряясь осесть на стенках колбы и возвращает его в работу. Это существенно продлевает срок службы лампы и позволяет немного повысить температуру накала для более яркого света.
Ксеноновые лампы работают по-другому. Это газоразрядные лампы, похожие на бактерицидные, о которых я уже писал. В таких лампах все также, как при сварке – зажигается электрическая дуга и образуется плазма. Электроны, вылетающие с катода, ускоряясь высоким напряжением, сталкиваются с атомами газа и либо возбуждают их, либо ионизируют. При возбуждении, мы уже не раз об этом говорили, электрон переходит на более высокий энергетический уровень, а затем, возвращаясь обратно, испускает фотон. Из-за этого лампа и светится. При ионизации электрон совсем выбивается из атома ксенона и летит дальше. Это нужно, чтобы электроны не заканчивались и ток в газе поддерживался.
Перегорают ксеноновые лампы тоже по-другому. Так как у них нет нити, которая рвется, изнашиваются электроды. Образующаяся дуга очень горячая и постоянно взаимодействует с электродами (которые, кстати, тоже из вольфрама) и потихоньку их съедает (это называется эрозией). Электроды уменьшаются в размерах и увеличивается расстояние между ними, что влияет на стабильность дуги. Дуга становится не той формы, на которую рассчитана лампа, и начинает гаснуть. При сильном износе электродов расстояние становится таким, что напряжения не хватает, чтобы зажечь дугу. В добавление к этому, атомы вольфрама, вышедшие из электродов, попадают в колбу и оседают на ее стенках, что ухудшает световой поток и колба перегревается.
Подведем итог и перечислим плюсы и минусы двух типов ламп для ответа на вопрос из заголовка.
Галогенные лампы хороши своей простотой и дешевизной, имеют приятный цвет и мгновенно включаются (физика довольно примитивная). Но они имеют низкую яркость, по сравнению с газоразрядными лампами и короткий срок службы.
Ксеноновые лампы светят в разы ярче и служат дольше – это их главное преимущество. Но они более сложно устроены, требуют дополнительной электроники для управления, дорогие, и загораются не сразу (требуется время на зажигание дуги).
Для разных целей разные лампы хороши, а на дороге нужно не забывать о тех, кто едет навстречу.
❤14👍11🔥3🆒1
Все наверняка знают, почему именно вольфрам используется в качестве нитей накаливания и в качестве электродов газоразрядных ламп. Это самый тугоплавкий металл на Земле, и выбирают его для того, чтобы нить наверняка не расплавилась при чрезмерном нагревании, т.к. испускание теплого белого цвета происходит при температурах более 2000 градусов.
Но не все так просто. Вольфрам очень сильно любит соединяться с кислородом, особенно при высоких температурах, образуя оксид. Так что, если захотите нагреть до высоких температур на воздухе вольфрам и посмотреть, как он тяжело плавится, спешу вас расстроить – он разрушится уже при температуре около 1000 градусов. Так происходит со многими металлами, высокотемпературная коррозия не щадит почти никого.
Поэтому в колбе обычной лампы накаливания создается вакуум, а в галогенных и газоразрядных лампах воздух сначала откачивается, а на его место закачиваются нужные газы.
Кстати, покопавшись в своих архивах нашел фотки кусочка вольфрама, который я отжигал при температурах 500 и 1100 градусов на воздухе. Если при 500 градусах он просто чернеет, то при 1100 уже от него практически ничего не остается, кроме зеленого рассыпающегося месива. Это я в свои аспирантские годы пытался подобрать стойкий к высокотемпературному окислению материал. Окислял все подряд, что удавалось найти в подвалах и на складах нашей кафедры.
Но не все так просто. Вольфрам очень сильно любит соединяться с кислородом, особенно при высоких температурах, образуя оксид. Так что, если захотите нагреть до высоких температур на воздухе вольфрам и посмотреть, как он тяжело плавится, спешу вас расстроить – он разрушится уже при температуре около 1000 градусов. Так происходит со многими металлами, высокотемпературная коррозия не щадит почти никого.
Поэтому в колбе обычной лампы накаливания создается вакуум, а в галогенных и газоразрядных лампах воздух сначала откачивается, а на его место закачиваются нужные газы.
Кстати, покопавшись в своих архивах нашел фотки кусочка вольфрама, который я отжигал при температурах 500 и 1100 градусов на воздухе. Если при 500 градусах он просто чернеет, то при 1100 уже от него практически ничего не остается, кроме зеленого рассыпающегося месива. Это я в свои аспирантские годы пытался подобрать стойкий к высокотемпературному окислению материал. Окислял все подряд, что удавалось найти в подвалах и на складах нашей кафедры.
🔥22👍15❤8🆒1
Лучший источник света, созданный человеком
Завершаем цикл постов про лампы, и, как вы уже, наверное, поняли, сегодня речь пойдет о светодиодах. Лампы на их основе победили всех своих конкурентов (о них говорили здесь и здесь).
Для начала поймем, что такое диод и как он устроен, ведь светодиод – это тот же самый диод, но он еще и свет испускает.
Для тех, кто хоть немного знаком с электроникой или изучал углубленно физику в школе, диод – слово знакомое. Это устройство, которое пропускает ток в одном направлении, но не пропускает в другом. Давайте разберемся, как он устроен.
Здесь нам пригодится немного знаний о том, как устроены полупроводники. Это такое промежуточное состояние материала, когда он все-таки проводит ток, в отличие от изолятора, но не так сильно, как металл.
Возьмем, например, кремний, у которого все атомы в кристаллической решетке соединены между собой ковалентной связью. Т.е. рядом стоящие атомы имеют общие электроны, за счет которых они и «держатся за ручки», как нам рассказывали на уроках химии. Такое обобществление электронов несколькими атомами приводит к отсутствию у кремния свободных электронов делая его, практически, изолятором.
Но мы можем взять и заменить некоторые атомы кремния на атомы с бОльшим числом электронов. И тогда лишнему электрону этого атома будет не с кем обобществляться, и он становится свободным, имея возможность перемещаться по кристаллу. Такой кристалл со свободными электронами уже будет называться полупроводником n-типа. Наоборот, если некоторые атомы кремния заменить на атомы с меньшим числом электронов, то рядом с ними образуется пустое пространство, где электрона нет – дырка. Эта дырка может перемещаться путем запрыгивания в нее соседнего электрона, на месте которого образуется новая дырка. Прямо как в игре в пятнашки. Такой кристалл называется полупроводником p-типа.
Если соединить два таких полупроводника с разным типом проводимости, то появится возможность свободным отрицательно заряженным электронам из кристалла n-типа через границу прыгнуть в дырку проводника p-типа, которая, условно, положительная. Я говорю «условно», потому что заряженной частицы там нет, а отсутствие «минуса» можно считать «плюсом». Энергия двигающихся свободных электронов в n-проводнике намного больше энергии электрона, который бы находился бы на своем законном обобществленном месте. А так как энергия в природе стремится быть минимальной, то эти свободные электроны перепрыгивают в p-зону и проваливаются в энергетически выгодное вакантное место в дырке, т.е. рекомбинируют, осуществляя np-переход. Из-за того, что разница энергий электронов в этих областях очень большая, назад в n-область эти электроны уже попасть не могут, т.к. для этого им нужна дополнительная энергия. Это как с горки с большой потенциальной энергией спрыгнуть вниз легче, чем запрыгнуть на нее. Поэтому ток в такой конструкции, которая и представляет собой диод, течет только в одном направлении.
После рекомбинации высвобождается энергия, равная разнице энергий электрона до и после прыжка в p-зону. Она выходит в виде тепла в обычном диоде и в виде кванта света – в светодиоде. Каждый прыжок электрона в таком фонарике рождает фотон определенной энергии и длины волны. Чем больше электронов совершит рекомбинацию, тем больше вылетит фотонов, и тем интенсивнее будет светиться лампочка. А, настраивая энергию такого np-перехода, можно регулировать длину волны испускаемого света и получать разноцветные светодиоды.
Почему же светодиоды уничтожили конкурентов?
Конечно, из-за своего КПД. Практически вся энергия, затрачиваемая на np-переход, превращается в свет, в то время как газоразрядные лампы тратят лишнюю энергию на зажигание дуги, а в лампах накаливания вообще большая ее часть уходит в тепло. К тому же, электроны с дырками не заканчиваются, пока лампа включена в сеть, и по этой причине она перегореть не может. К светодиоду по проводам приходят новые электроны в n-зону, и уходят лишние из p-зоны для поддержания нужного количества дырок. Мы получаем яркие, экономичные, управляемые, простые в конструкции и практически вечные лампы.
Завершаем цикл постов про лампы, и, как вы уже, наверное, поняли, сегодня речь пойдет о светодиодах. Лампы на их основе победили всех своих конкурентов (о них говорили здесь и здесь).
Для начала поймем, что такое диод и как он устроен, ведь светодиод – это тот же самый диод, но он еще и свет испускает.
Для тех, кто хоть немного знаком с электроникой или изучал углубленно физику в школе, диод – слово знакомое. Это устройство, которое пропускает ток в одном направлении, но не пропускает в другом. Давайте разберемся, как он устроен.
Здесь нам пригодится немного знаний о том, как устроены полупроводники. Это такое промежуточное состояние материала, когда он все-таки проводит ток, в отличие от изолятора, но не так сильно, как металл.
Возьмем, например, кремний, у которого все атомы в кристаллической решетке соединены между собой ковалентной связью. Т.е. рядом стоящие атомы имеют общие электроны, за счет которых они и «держатся за ручки», как нам рассказывали на уроках химии. Такое обобществление электронов несколькими атомами приводит к отсутствию у кремния свободных электронов делая его, практически, изолятором.
Но мы можем взять и заменить некоторые атомы кремния на атомы с бОльшим числом электронов. И тогда лишнему электрону этого атома будет не с кем обобществляться, и он становится свободным, имея возможность перемещаться по кристаллу. Такой кристалл со свободными электронами уже будет называться полупроводником n-типа. Наоборот, если некоторые атомы кремния заменить на атомы с меньшим числом электронов, то рядом с ними образуется пустое пространство, где электрона нет – дырка. Эта дырка может перемещаться путем запрыгивания в нее соседнего электрона, на месте которого образуется новая дырка. Прямо как в игре в пятнашки. Такой кристалл называется полупроводником p-типа.
Если соединить два таких полупроводника с разным типом проводимости, то появится возможность свободным отрицательно заряженным электронам из кристалла n-типа через границу прыгнуть в дырку проводника p-типа, которая, условно, положительная. Я говорю «условно», потому что заряженной частицы там нет, а отсутствие «минуса» можно считать «плюсом». Энергия двигающихся свободных электронов в n-проводнике намного больше энергии электрона, который бы находился бы на своем законном обобществленном месте. А так как энергия в природе стремится быть минимальной, то эти свободные электроны перепрыгивают в p-зону и проваливаются в энергетически выгодное вакантное место в дырке, т.е. рекомбинируют, осуществляя np-переход. Из-за того, что разница энергий электронов в этих областях очень большая, назад в n-область эти электроны уже попасть не могут, т.к. для этого им нужна дополнительная энергия. Это как с горки с большой потенциальной энергией спрыгнуть вниз легче, чем запрыгнуть на нее. Поэтому ток в такой конструкции, которая и представляет собой диод, течет только в одном направлении.
После рекомбинации высвобождается энергия, равная разнице энергий электрона до и после прыжка в p-зону. Она выходит в виде тепла в обычном диоде и в виде кванта света – в светодиоде. Каждый прыжок электрона в таком фонарике рождает фотон определенной энергии и длины волны. Чем больше электронов совершит рекомбинацию, тем больше вылетит фотонов, и тем интенсивнее будет светиться лампочка. А, настраивая энергию такого np-перехода, можно регулировать длину волны испускаемого света и получать разноцветные светодиоды.
Почему же светодиоды уничтожили конкурентов?
Конечно, из-за своего КПД. Практически вся энергия, затрачиваемая на np-переход, превращается в свет, в то время как газоразрядные лампы тратят лишнюю энергию на зажигание дуги, а в лампах накаливания вообще большая ее часть уходит в тепло. К тому же, электроны с дырками не заканчиваются, пока лампа включена в сеть, и по этой причине она перегореть не может. К светодиоду по проводам приходят новые электроны в n-зону, и уходят лишние из p-зоны для поддержания нужного количества дырок. Мы получаем яркие, экономичные, управляемые, простые в конструкции и практически вечные лампы.
🔥22❤5🆒5👍2
Судя по всему, тема светодиодов оказалась для вас интересной, и в комментариях появилось много логичных вопросов, на которые я и рад был ответить, да не хотелось разбивать пост на несколько частей из-за ограничения по количеству символов. Поэтому дополню свой предыдущий рассказ еще разной информацией про светодиоды.
Как получать светодиоды разных цветов?
Как мы поняли, длина волны излученного фотона зависит от энергии, которую теряет электрон при прыжке из n- в p-зону. Эта энергия называется шириной запрещенной зоны. Регулируя ее, можно регулировать цвет испускаемого света. А регулируется она изменением типа полупроводника, то есть зависит от структуры кристалла. Одним из параметров, влияющих на эту энергию является расстояние между атомами в структуре полупроводника. Картинка 1 показывает, что чем оно больше, тем меньше ширина запрещенной зоны. Это можно объяснить тем, что электроны каждого атома в кристаллической решетке влияют друг на друга. Это же одноименные заряды, которые отталкиваются. И когда свободный электрон хочет перескочит в дырку, окружающие электроны его тормозят, и ему это сделать становится сложнее. А чем дальше атомы друг от друга тем слабее сила отталкивания электронов друг от друга, и тем меньше они мешают этому прыжку. Это объяснение прям совсем на пальцах. Поэтому в разных полупроводниках в зависимости от их состава меняется структура и расстояние между атомами, а, значит, ширина запрещенной зоны.
Картинка 2, как раз наглядно показывает, какие полупроводники дают тот или иной цвет: синий цвет дают нитриды галлия с индием, а желто-красные – фосфиды и арсениды галлия с алюминием. На ней показана такая величина, как светоотдача – это отношение яркости к потребляемой мощности, по сути, аналог КПД, и приведены эти же величины для ламп другого типа. Тут сразу видно, насколько светодиоды энергоэффективны. Также на графике нарисована кривая чувствительности человеческого глаза, которая говорит о том, что мы не все цвета воспринимаем одинаково. Больше всего нам видится зеленый с желтым.
Как получить белый светодиод?
Очевидно, что если энергия излученного светодиодом фотона равна ширине запрещенной зоны кристалла, то излученный свет будет практически одной длины волны – одного цвета. Такие излучения, обычно, называют монохроматическими. Как тогда получить белый цвет, являющийся смешением всех цветов во всем диапазоне длин волн?
Первый способ - смешать три цвета – красный, зеленый и синий (RGB). Вся теория цвета строится на смешении этих трех. Поставив просто рядом три разноцветных светодиода, мы получим один белый. У меня, кстати, есть светодиодная лента, работающая по такому принципу. Если включаешь на контроллере белый свет, загораются все лампочки и издалека он кажется, действительно, белым. Но, подойдя поближе, можно различить разные цвета отдельных диодов.
Второй способ – покрыть прозрачный кожух светодиода люминофором – веществом, способным переизлучать попадающий на него свет. В этом веществе просто происходит люминесценция – перевод попадающим фотоном атома в возбужденное состояние и излучение другого фотона при его возвращении обратно в основное состояние. Обычно синий светодиод покрывают люминофором, который переизлучает желтый цвет. В результате их смешения получается белый.
Как получать светодиоды разных цветов?
Как мы поняли, длина волны излученного фотона зависит от энергии, которую теряет электрон при прыжке из n- в p-зону. Эта энергия называется шириной запрещенной зоны. Регулируя ее, можно регулировать цвет испускаемого света. А регулируется она изменением типа полупроводника, то есть зависит от структуры кристалла. Одним из параметров, влияющих на эту энергию является расстояние между атомами в структуре полупроводника. Картинка 1 показывает, что чем оно больше, тем меньше ширина запрещенной зоны. Это можно объяснить тем, что электроны каждого атома в кристаллической решетке влияют друг на друга. Это же одноименные заряды, которые отталкиваются. И когда свободный электрон хочет перескочит в дырку, окружающие электроны его тормозят, и ему это сделать становится сложнее. А чем дальше атомы друг от друга тем слабее сила отталкивания электронов друг от друга, и тем меньше они мешают этому прыжку. Это объяснение прям совсем на пальцах. Поэтому в разных полупроводниках в зависимости от их состава меняется структура и расстояние между атомами, а, значит, ширина запрещенной зоны.
Картинка 2, как раз наглядно показывает, какие полупроводники дают тот или иной цвет: синий цвет дают нитриды галлия с индием, а желто-красные – фосфиды и арсениды галлия с алюминием. На ней показана такая величина, как светоотдача – это отношение яркости к потребляемой мощности, по сути, аналог КПД, и приведены эти же величины для ламп другого типа. Тут сразу видно, насколько светодиоды энергоэффективны. Также на графике нарисована кривая чувствительности человеческого глаза, которая говорит о том, что мы не все цвета воспринимаем одинаково. Больше всего нам видится зеленый с желтым.
Как получить белый светодиод?
Очевидно, что если энергия излученного светодиодом фотона равна ширине запрещенной зоны кристалла, то излученный свет будет практически одной длины волны – одного цвета. Такие излучения, обычно, называют монохроматическими. Как тогда получить белый цвет, являющийся смешением всех цветов во всем диапазоне длин волн?
Первый способ - смешать три цвета – красный, зеленый и синий (RGB). Вся теория цвета строится на смешении этих трех. Поставив просто рядом три разноцветных светодиода, мы получим один белый. У меня, кстати, есть светодиодная лента, работающая по такому принципу. Если включаешь на контроллере белый свет, загораются все лампочки и издалека он кажется, действительно, белым. Но, подойдя поближе, можно различить разные цвета отдельных диодов.
Второй способ – покрыть прозрачный кожух светодиода люминофором – веществом, способным переизлучать попадающий на него свет. В этом веществе просто происходит люминесценция – перевод попадающим фотоном атома в возбужденное состояние и излучение другого фотона при его возвращении обратно в основное состояние. Обычно синий светодиод покрывают люминофором, который переизлучает желтый цвет. В результате их смешения получается белый.
❤10🔥7🆒1
Как перегорают светодиоды?
В основном, от перегрева. Все-таки не все электронно-дырочные рекомбинации заканчиваются испусканием фотона. Не все свободные электроны имеют энергию строго равную той, что требуется для перескока в дырку, у некоторых эта энергия больше. А так как ширина запрещенной зоны в кристалле настроена так, чтобы испускался свет определенной энергии, энергетический излишек превращается в тепло. То есть слишком энергичный электрон, падая в дырку, испускает фотон и толкает своих соседей, передавая им кинетическую энергию, которая и нагревает кристалл.
Помимо этой причины, есть еще и неидеальность кристаллов, мешающая рекомбинации. Если в полупроводнике есть дефекты в виде искаженной решетки, нехватки тех или иных атомов, и т.д. то электрон, например, идущий к границе между n- и p-зонами, может по пути растерять в виде тепла всю свою энергию, сталкиваясь с такими дефектами, и ему может ее не хватить для np-перехода. Получается, и свет не излучил, и кристалл нагрел. Поэтому те, кто выращивает полупроводниковые кристаллы очень тщательно следят за тем, чтобы они были как можно более идеальными и бездефектными.
При нагреве появляются новые дефекты, с которыми снова сталкиваются электроны, превращая свою энергию в тепло. Увеличивается число таких столкновений, а, значит, и температура. И такой порочный круг приводит к разрушению полупроводника.
Неизбежный нагрев светодиодов, очевидно, требует их нормального охлаждения. Далее все зависит от качества сборки конструкции лампы. Плохой отвод тепла радиаторами, плохая вентиляция, некачественно приклеенные элементы и т.д. – все это может перегреть светодиод, и он «перегорит».
Вот такое длинное получилось изложение про светодиоды, но зато мы теперь знаем все особенности этих интересных устройств.
В основном, от перегрева. Все-таки не все электронно-дырочные рекомбинации заканчиваются испусканием фотона. Не все свободные электроны имеют энергию строго равную той, что требуется для перескока в дырку, у некоторых эта энергия больше. А так как ширина запрещенной зоны в кристалле настроена так, чтобы испускался свет определенной энергии, энергетический излишек превращается в тепло. То есть слишком энергичный электрон, падая в дырку, испускает фотон и толкает своих соседей, передавая им кинетическую энергию, которая и нагревает кристалл.
Помимо этой причины, есть еще и неидеальность кристаллов, мешающая рекомбинации. Если в полупроводнике есть дефекты в виде искаженной решетки, нехватки тех или иных атомов, и т.д. то электрон, например, идущий к границе между n- и p-зонами, может по пути растерять в виде тепла всю свою энергию, сталкиваясь с такими дефектами, и ему может ее не хватить для np-перехода. Получается, и свет не излучил, и кристалл нагрел. Поэтому те, кто выращивает полупроводниковые кристаллы очень тщательно следят за тем, чтобы они были как можно более идеальными и бездефектными.
При нагреве появляются новые дефекты, с которыми снова сталкиваются электроны, превращая свою энергию в тепло. Увеличивается число таких столкновений, а, значит, и температура. И такой порочный круг приводит к разрушению полупроводника.
Неизбежный нагрев светодиодов, очевидно, требует их нормального охлаждения. Далее все зависит от качества сборки конструкции лампы. Плохой отвод тепла радиаторами, плохая вентиляция, некачественно приклеенные элементы и т.д. – все это может перегреть светодиод, и он «перегорит».
Вот такое длинное получилось изложение про светодиоды, но зато мы теперь знаем все особенности этих интересных устройств.
❤14🔥7🆒2
Как окисляются металлы при разной температуре?
В одном из предыдущих постов, к слову о нитях накаливания, я показывал, как при высокой температуре ведет себя на воздухе вольфрам, и стало понятно, почему в лампочке создают вакуум или другую бескислородную среду.
Давайте продолжим тему, и я вам покажу реальные свои аспирантские эксперименты по окислению разных металлов. Ничего сверхъестественного, конечно, я не делал, но, вдруг будет интересно.
Для начала небольшая предыстория. Как я уже упоминал в своих постах про аварию на японской АЭС Фукусима-1, данный инцидент задал новый тренд в научной среде по созданию материалов, стойких к высокотемпературному окислению, так называемого «толерантного топлива» – Accident Tolerant Fuel (толерантного к аварии, конечно же, а не то, что вы могли подумать). Дело в том, что циркониевые оболочки уранового топлива плохо себя ведут в среде пара при высокой температуре. Вступая в реакцию с водой, они сильно окисляются, выделяют водород и очень большое количество энергии. А водород под давлением в корпусе реактора, еще и с какой-то лишней энергией, которую надо куда-то девать, вряд ли приведет к чему-то хорошему.
Поэтому в ходе создания толерантного топлива попытались отойти от взаимодействия циркония с водой, и одним из перспективных и популярных способов стало нанесение на оболочку (тонкую трубку) покрытия из хрома. И это действительно работало, на картинке ниже я приведу этот вариант тоже. На самом деле, ситуация осложняется тем, что работающие в условиях ядерного реактора топливные оболочки подвергаются не только воздействию воды, но и высоким нагрузкам, высокой температуре, радиации и т. д. Поэтому подобрать материал сложно, и цирконий, за исключением вот этой описанной выше неприятности при аварии, удовлетворял всем требованиям. Поэтому лучшим решением, подумали ученые, было бы сохранить его свойства просто оградив его от внешней среды другим материалом.
Но я решил просто ради удовлетворения собственного интереса посмотреть, что будет с другими металлами при окислении. Ну потому что могу: есть печка, в закромах складов кафедры нашел листы разных металлов и пошел изучать. В результате оказалось, что, действительно, хром ведет себя наилучшим образом, он просто чернеет при температуре 1100°С, немного отслаивается, но по сравнению с остальными кандидатами, которые либо рассыпаются, либо плавятся – это небо и земля.
Особенно удивил тугоплавкий молибден (вторая по величине температура плавления после вольфрама – 2623 °С). После отжига при 1100°С я открыл печь, а его там нет. Он просто испарился и оставил вместо себя пятно. Когда температуру снизил до 850, через полчаса было видно, что начала плавиться поверхность. Оказалось, что у него образуется легкоплавкий оксид MoO3, с температурой плавления 801 градус. С ванадием происходит похожая ситуация.
Этот никуда не вошедший свой эксперимент оставлю здесь, как научно-популярный, вдруг кому-то будет интересно и пригодится. Пишите в комментарии, какой больше и при какой температуре металл понравился по виду.
После этого я продолжил изучать нанесение хромовых покрытий на цирконий.
В одном из предыдущих постов, к слову о нитях накаливания, я показывал, как при высокой температуре ведет себя на воздухе вольфрам, и стало понятно, почему в лампочке создают вакуум или другую бескислородную среду.
Давайте продолжим тему, и я вам покажу реальные свои аспирантские эксперименты по окислению разных металлов. Ничего сверхъестественного, конечно, я не делал, но, вдруг будет интересно.
Для начала небольшая предыстория. Как я уже упоминал в своих постах про аварию на японской АЭС Фукусима-1, данный инцидент задал новый тренд в научной среде по созданию материалов, стойких к высокотемпературному окислению, так называемого «толерантного топлива» – Accident Tolerant Fuel (толерантного к аварии, конечно же, а не то, что вы могли подумать). Дело в том, что циркониевые оболочки уранового топлива плохо себя ведут в среде пара при высокой температуре. Вступая в реакцию с водой, они сильно окисляются, выделяют водород и очень большое количество энергии. А водород под давлением в корпусе реактора, еще и с какой-то лишней энергией, которую надо куда-то девать, вряд ли приведет к чему-то хорошему.
Поэтому в ходе создания толерантного топлива попытались отойти от взаимодействия циркония с водой, и одним из перспективных и популярных способов стало нанесение на оболочку (тонкую трубку) покрытия из хрома. И это действительно работало, на картинке ниже я приведу этот вариант тоже. На самом деле, ситуация осложняется тем, что работающие в условиях ядерного реактора топливные оболочки подвергаются не только воздействию воды, но и высоким нагрузкам, высокой температуре, радиации и т. д. Поэтому подобрать материал сложно, и цирконий, за исключением вот этой описанной выше неприятности при аварии, удовлетворял всем требованиям. Поэтому лучшим решением, подумали ученые, было бы сохранить его свойства просто оградив его от внешней среды другим материалом.
Но я решил просто ради удовлетворения собственного интереса посмотреть, что будет с другими металлами при окислении. Ну потому что могу: есть печка, в закромах складов кафедры нашел листы разных металлов и пошел изучать. В результате оказалось, что, действительно, хром ведет себя наилучшим образом, он просто чернеет при температуре 1100°С, немного отслаивается, но по сравнению с остальными кандидатами, которые либо рассыпаются, либо плавятся – это небо и земля.
Особенно удивил тугоплавкий молибден (вторая по величине температура плавления после вольфрама – 2623 °С). После отжига при 1100°С я открыл печь, а его там нет. Он просто испарился и оставил вместо себя пятно. Когда температуру снизил до 850, через полчаса было видно, что начала плавиться поверхность. Оказалось, что у него образуется легкоплавкий оксид MoO3, с температурой плавления 801 градус. С ванадием происходит похожая ситуация.
Этот никуда не вошедший свой эксперимент оставлю здесь, как научно-популярный, вдруг кому-то будет интересно и пригодится. Пишите в комментарии, какой больше и при какой температуре металл понравился по виду.
После этого я продолжил изучать нанесение хромовых покрытий на цирконий.
🔥11❤5👍4