Термоэлектрические явления в металлах и полупроводниках.
1. Термоэлектрические явления в металлах и полупроводниках. Зависимость сопротивления металлов и полупроводников от температуры. Контактная разность потенциалов. Термопары как температурные датчики.
Датчик –устройство, преобразующее измеряемую не электрическую величину в электрический сигнал, удобный для дальнейшего усиления, преобразования, передачи и регистрации.
Генераторные (активные) датчики под воздействием измеряемого параметра (температуры, давления) генерируют электрическое напряжение и ток. Бывают:
Пьезоэлектрические преобразуют механическое давление Р в электрическое напряжение U, прямо пропорциональное давлению. Используются в медицине, технике.
Индукционные – явление электромагнитной индукции. Катушка с вставленным в неё ферромагнитным сердечником. При движении сердечника D в катушке возникает ЭДС индукции U, пропорциональная скорости изменения магнитного потока через катушку, и пропорциональна скорости движения сердечника.
Фотоэлектрические используются для измерения световых потоков и основаны обычно на фотогальваническом эффекте, т.е. на возникновении ЭДС на облучаемом светом p-n-переходе в полупроводниках.
Температурные датчики – в технике, медицине. К ним относится ТЕРМОПАРА, действие которой основано на эффекте Зеебека: в цепи, состоящей из двух спаянных концами разнородных металлов, возникает ЭДС, величина которой пропорциональна разности температур спаев. Эти металлы отличаются концентрацией n в них свободных электронов, допустим nA>nB. Из А электроны будут переходить в В. Равновесие между этими двумя потоками электронов будет достигнуто при некоторой разности потенциалов: U=(RT/F)*ln(nA/nB) или U=(kT/e)*ln(nA/nB), R=kNA, F=eNA. Если отношение nA/nB постоянно, то контактная разность потенциалов зависит только от температуры спая: U=αT, где α=(k/e)*ln(nA/nB) – величина, постоянная для данной пары металлов.
Если спаять и вторые концы этих металлов, то в образовавшейся цепи возникнет ЭДС, пропорциональная разности температур спаев: ЭДС=U1-U2=α(T1-T2). Для измерения температуры один спай помещают в этот объект, а второй – в термостат с известной температурой. Эффект Пельтье: если в цепь включить источник постоянного напряжения, то в ней возникнет постоянный ток, то один спай будет нагреваться, а второй – охлаждаться. Будет выделяться и поглощаться теплота пропорциональная силе тока: Q=ПIt, П – зависит от природы металлов.
Параметрические (пассивные) датчики под действием измеряемой величины не генерируют электрический сигнал, но изменяют свои электрические параметры.
Резистивные под действием измеряемого параметра изменяют свое сопротивление. Вводят ТКС (температурный коэф. сопротивления): ТКС=(1/R0)*(dR/dT). Чем больше ТКС, тем чувствительнее датчик.
Сопротивление металлического проводника линейно зависит от температуры: R=R0(1+αt). Зависимость R(t) линейна в широком диапазоне температур, tкр указывает на переход в сверхпроводящее состояние (R=0). Угол β (в точке пересечения ОУ и линии проводим параллель с ОХ) определяет быстроту изменения сопротивления с температурой, определяет чувствительность датчика: tgβ=(dR/dt)αR0.
Термисторы – полупроводниковые температурные пассивные датчики. Сопротивление уменьшается с увеличением их абсолютной температуры по закону: R(T)=AeB/T, где А (Ом) и В (град) – константы, зависящие от материала полупроводника. Зависимость нелинейна, с ростом температуры падает и сопротивление, и ТКС=(-B/T2).
2. Какова должна быть частотная полоса и динамический диапазон для электрокардиографа?
Входные цепи аппарата ЭКГ должны усиливать довольно слабый сигнал — в диапазоне напряжений 0,5–5 мВ в сочетании с постоянной составляющей величиной до ±300 мВ, которая возникает при контакте электрода с кожей (кожно-гальванической реакцией), плюс синфазная составляющая величиной до 1,5 В между электродами и общим (земляным) проводом. Полоса частот, подлежащая обработке и анализу, составляет, в зависимости от вида исследования, от 0,5 Гц до 50 Гц (в устройствах мониторинга при интенсивной терапии), и до 1 кГц при исследовании водителей сердечного ритма (пейсмейкеров). Стандартный клинический аппарат ЭКГ работает с полосой частот 0,05–400 Гц.
3. По данным 1989 года загрязненность радиоактивным 137Сs в городе Брагине составляла 27Ки/км2. Определите какое кол-во 137Сs равномерно распределенного на поверхности 100км2 создаст такую поверхностную активность? Период полураспада считать 109с.
As=A/S; A=27*100=2700Ки*3,7*1010=9990*1010Бк. A=0,69N/T; N=AT/0,69=14478*1019
4. В чем состоит явление оптической активности, как оно описывается и как используется на практике?
Оптическая активность – явление поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света при его прохождении через в-во. Она обусловлена тем, что волна, вошедшая в оптически активное в-во, распадается на две когерентные циркулярно поляризованные волны. На выходе эти волны складываются, образуя линейно поляризованную волну, но плоскость поляризации поворачивается на некоторый угол.
Угол поворотаα прямо пропорционален длине пути L света в в-ве:
Для твердых в-в: α=[α0]L, для р-ров α=α0СL. Смесь D- и L-изомеров, не вращающая плоскость поляризации – рацемическая.
5. Что такое число Рейнольдса? Запишите его выражение через гидродинамические параметры. В каких участках сосудистой системы течение крови может иметь турбулентный характер?
Характер течения жидкости – ламинарный или турбулентный – определяется безразмерным числом Рейнольдса. Re=pvd/η, р – плотность жидкости, v- средняя скорость течения жидкости, d – диаметр трубы, η – вязкость жидкости. Существует критическое число Рейнольдса Reкр. Если для текущей жидкости Re<Reкр – ламинарное течение (ньютоновские жидкости в гладкой трубе, Reкр=2300); Re>Reкр – турбулентное течение (для крови, Reкр=1600-900). Оно возможно в полостях сердца, в крупных сосудах (аорте, артериях), в области резкого сужения сосуда.
6. В чем состоит явление электромагнитной индукции? Запишите закон электромагнитной индукции, укажите смысл и единицы измерений входящих в него величин.
Отношение Fmax, действующей на проводник, к произведению силы тока на длину проводника является силовой характеристикой магнитного поля – магнитная индукция: B=Fmax/Il, [1 тесла].
В 1831 Фарадей установил закон электромагнитной индукции: любое изменение магнитного потока (Ф=BScosα) через контур ведет к возникновению в нём электрической ЭДС, равной скорости изменения магнитного потока во времени: ЭДС=(-dФ/dt). Если контур, проводящий и замкнутый, то в нём под действием ЭДС возникает индукционный ток: I=ЭДС/R, где R – электрическое сопротивление контура. Знак «-» отражает правило Ленца: индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, направлен таки образом, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.
Если проводник помещен в переменное магнитное поле B=B0cosωt, то в нем возникает переменная ЭДС индукции: ЭДСi=E0sinωt, под действием которой возникают переменные индукционные вихревые токи Фуко. Они вызывают нагрев проводника, что используется в медицине (индуктотермия) и в технике.
Датчик –устройство, преобразующее измеряемую не электрическую величину в электрический сигнал, удобный для дальнейшего усиления, преобразования, передачи и регистрации.
Генераторные (активные) датчики под воздействием измеряемого параметра (температуры, давления) генерируют электрическое напряжение и ток. Бывают:
Пьезоэлектрические преобразуют механическое давление Р в электрическое напряжение U, прямо пропорциональное давлению. Используются в медицине, технике.
Индукционные – явление электромагнитной индукции. Катушка с вставленным в неё ферромагнитным сердечником. При движении сердечника D в катушке возникает ЭДС индукции U, пропорциональная скорости изменения магнитного потока через катушку, и пропорциональна скорости движения сердечника.
Фотоэлектрические используются для измерения световых потоков и основаны обычно на фотогальваническом эффекте, т.е. на возникновении ЭДС на облучаемом светом p-n-переходе в полупроводниках.
Температурные датчики – в технике, медицине. К ним относится ТЕРМОПАРА, действие которой основано на эффекте Зеебека: в цепи, состоящей из двух спаянных концами разнородных металлов, возникает ЭДС, величина которой пропорциональна разности температур спаев. Эти металлы отличаются концентрацией n в них свободных электронов, допустим nA>nB. Из А электроны будут переходить в В. Равновесие между этими двумя потоками электронов будет достигнуто при некоторой разности потенциалов: U=(RT/F)*ln(nA/nB) или U=(kT/e)*ln(nA/nB), R=kNA, F=eNA. Если отношение nA/nB постоянно, то контактная разность потенциалов зависит только от температуры спая: U=αT, где α=(k/e)*ln(nA/nB) – величина, постоянная для данной пары металлов.
Если спаять и вторые концы этих металлов, то в образовавшейся цепи возникнет ЭДС, пропорциональная разности температур спаев: ЭДС=U1-U2=α(T1-T2). Для измерения температуры один спай помещают в этот объект, а второй – в термостат с известной температурой. Эффект Пельтье: если в цепь включить источник постоянного напряжения, то в ней возникнет постоянный ток, то один спай будет нагреваться, а второй – охлаждаться. Будет выделяться и поглощаться теплота пропорциональная силе тока: Q=ПIt, П – зависит от природы металлов.
Параметрические (пассивные) датчики под действием измеряемой величины не генерируют электрический сигнал, но изменяют свои электрические параметры.
Резистивные под действием измеряемого параметра изменяют свое сопротивление. Вводят ТКС (температурный коэф. сопротивления): ТКС=(1/R0)*(dR/dT). Чем больше ТКС, тем чувствительнее датчик.
Сопротивление металлического проводника линейно зависит от температуры: R=R0(1+αt). Зависимость R(t) линейна в широком диапазоне температур, tкр указывает на переход в сверхпроводящее состояние (R=0). Угол β (в точке пересечения ОУ и линии проводим параллель с ОХ) определяет быстроту изменения сопротивления с температурой, определяет чувствительность датчика: tgβ=(dR/dt)αR0.
Термисторы – полупроводниковые температурные пассивные датчики. Сопротивление уменьшается с увеличением их абсолютной температуры по закону: R(T)=AeB/T, где А (Ом) и В (град) – константы, зависящие от материала полупроводника. Зависимость нелинейна, с ростом температуры падает и сопротивление, и ТКС=(-B/T2).
2. Какова должна быть частотная полоса и динамический диапазон для электрокардиографа?
Входные цепи аппарата ЭКГ должны усиливать довольно слабый сигнал — в диапазоне напряжений 0,5–5 мВ в сочетании с постоянной составляющей величиной до ±300 мВ, которая возникает при контакте электрода с кожей (кожно-гальванической реакцией), плюс синфазная составляющая величиной до 1,5 В между электродами и общим (земляным) проводом. Полоса частот, подлежащая обработке и анализу, составляет, в зависимости от вида исследования, от 0,5 Гц до 50 Гц (в устройствах мониторинга при интенсивной терапии), и до 1 кГц при исследовании водителей сердечного ритма (пейсмейкеров). Стандартный клинический аппарат ЭКГ работает с полосой частот 0,05–400 Гц.
3. По данным 1989 года загрязненность радиоактивным 137Сs в городе Брагине составляла 27Ки/км2. Определите какое кол-во 137Сs равномерно распределенного на поверхности 100км2 создаст такую поверхностную активность? Период полураспада считать 109с.
As=A/S; A=27*100=2700Ки*3,7*1010=9990*1010Бк. A=0,69N/T; N=AT/0,69=14478*1019
4. В чем состоит явление оптической активности, как оно описывается и как используется на практике?
Оптическая активность – явление поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света при его прохождении через в-во. Она обусловлена тем, что волна, вошедшая в оптически активное в-во, распадается на две когерентные циркулярно поляризованные волны. На выходе эти волны складываются, образуя линейно поляризованную волну, но плоскость поляризации поворачивается на некоторый угол.
Угол поворотаα прямо пропорционален длине пути L света в в-ве:
Для твердых в-в: α=[α0]L, для р-ров α=α0СL. Смесь D- и L-изомеров, не вращающая плоскость поляризации – рацемическая.
5. Что такое число Рейнольдса? Запишите его выражение через гидродинамические параметры. В каких участках сосудистой системы течение крови может иметь турбулентный характер?
Характер течения жидкости – ламинарный или турбулентный – определяется безразмерным числом Рейнольдса. Re=pvd/η, р – плотность жидкости, v- средняя скорость течения жидкости, d – диаметр трубы, η – вязкость жидкости. Существует критическое число Рейнольдса Reкр. Если для текущей жидкости Re<Reкр – ламинарное течение (ньютоновские жидкости в гладкой трубе, Reкр=2300); Re>Reкр – турбулентное течение (для крови, Reкр=1600-900). Оно возможно в полостях сердца, в крупных сосудах (аорте, артериях), в области резкого сужения сосуда.
6. В чем состоит явление электромагнитной индукции? Запишите закон электромагнитной индукции, укажите смысл и единицы измерений входящих в него величин.
Отношение Fmax, действующей на проводник, к произведению силы тока на длину проводника является силовой характеристикой магнитного поля – магнитная индукция: B=Fmax/Il, [1 тесла].
В 1831 Фарадей установил закон электромагнитной индукции: любое изменение магнитного потока (Ф=BScosα) через контур ведет к возникновению в нём электрической ЭДС, равной скорости изменения магнитного потока во времени: ЭДС=(-dФ/dt). Если контур, проводящий и замкнутый, то в нём под действием ЭДС возникает индукционный ток: I=ЭДС/R, где R – электрическое сопротивление контура. Знак «-» отражает правило Ленца: индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, направлен таки образом, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.
Если проводник помещен в переменное магнитное поле B=B0cosωt, то в нем возникает переменная ЭДС индукции: ЭДСi=E0sinωt, под действием которой возникают переменные индукционные вихревые токи Фуко. Они вызывают нагрев проводника, что используется в медицине (индуктотермия) и в технике.