Раздел 2. Основы взаимодействия физических полейс веществом.

1) Как находится удельное электрическое сопротивление металлических
проводников?

Удельное сопротивление металлических проводников увеличивается при повышении температуры.

В широком температурном диапазоне для описания зависимости удельного сопротивления от температуры используют полиномиальную зависимость:

, (3.9)

где ρ ₀ – удельное сопротивление при t = t ₀; t ₀ – начальное значение температуры в ⁰С; α ₁, α ₂, … – степенные температурные коэффициенты электрического сопротивления данного материала.

2) Что показывает температурный коэффициент удельного сопротивления
вещества?

Температу́ рный коэффицие́ нт электри́ ческого сопротивле́ ния — величина, равная относительному изменению электрического сопротивления участка электрической цепи или удельного сопротивления вещества при изменении температуры на единицу. альфа эль =1/R (дельта R на дельта R)

Температурный коэффициент сопротивления характеризует зависимость электрического сопротивления от температуры и измеряется в кельвинах в минус первой степени (K− 1).

3) Как находится удельная электропроводность у в полупроводниковых
веществах?

Электрическая проводимость в полупроводнике определяется движением как электронов, так и дырок, и плотность тока может быть найдена по формуле:

где е – заряд электрона; n и р – концентрации электронов и дырок; μ _n и μ _p – подвижности электронов и дырок;

– удельная электрическая проводимость.

Концентрации носителей зарядов и их подвижности зависят от напряженности электрического поля.

4) Как связаны между собой температурные коэффициенты удельного
сопротивления материала, температурный коэффициент линейного расширения
материала и температурный коэффициент сопротивления резистора из данного
материала?

Коэффициент теплового расширения — величина, характеризующая относительную величину линейных размеров тела с увеличением температуры на 1 К при постоянном давлении.

Коэффициент линейного теплового расширения показывает относительное изменение длины тела при нагревании на температуру Δ T: альфа эль =1/L (дельта L на дельта T)

Дельта L — относительное изменение линейного размера тела при нагревании его на dT градусов при постоянном давлении.

5) Какие явления наблюдаются при распространения электромагнитной
волны в твердых материалах? Объясните их.

В диэлектрике падающая световая волна передает свою
энергию колебаниям связанных электронов и ионов,
и в результате этой передачи энергии происходит
распространение волны в диэлектрике и ее затухание, но частота электромагнитной волны не изменяется. Диэлектрик при этом только нагревается.

Кроме дисперсии, поглощения, рассеяния при распространении электромагнитных волн в некоторых диэлектриках (например, в оптически анизотропных кристаллах) наблюдается эффект двойного лучепреломления. Явление двойного лучепреломления широко используется для получения поляризованных лучей и для других целей, в частности для измерения различных физических величин, например, деформации.

В проводниках электромагнитная волна взаимодействует с носителями тока. Передавая энергию упорядоченным колебаниям носителей тока, электромагнитная волна затухает по мере проникновения в проводник, т. е. электромагнитная волна, проникая в глубь проводника через его поверхность, постепенно теряет свою энергию.

В полупроводниковых веществах оптическое излучение приводит, как правило, к увеличению электрической проводимости. Явление увеличения электропроводности полупроводников под воздействием электромагнитного излучения называется фотопроводимостью.

6) Объясните зависимость удельного сопротивления проводниковых и
полупроводниковых веществ от температуры.

При изменении температуры полупроводника изменяется концентрация электронов и дырок и их подвижности. Изменение удельного сопротивления полупроводниковых материалов обусловлено, в основном, изменением концентрации носителей заряда. Чем выше температура, тем большее число электронов из валентной зоны преодолевает запрещенную зону и попадает в зону проводимости (в случае чистых полупроводников) или возрастает число активированных донорных или акцепторных атомов (в случае примесных полупроводников).

7) Объясните зависимость удельного сопротивления проводниковых и
полупроводниковых веществ от деформации.

При деформации проводниковых материалов происходят деформационные сдвиги в кристаллической решетке, обусловливающие изменения межатомных расстояний и ее колебаний. При деформации полупроводниковых материалов происходит изменение структуры энергетических зон в кристалле и ширины запрещенной зоны, что приводит к изменению концентрации носителей тока, их эффективной массы, перераспределение их между максимумами в зоне проводимости и минимумами в валентной зоне.

8) Как можно использовать явление интерференции для измерения
различных физических величин: геометрических размеров?

Интерференция волн — взаимное усиление или ослабление амплитуды двух или нескольких когерентных волн, одновременно распространяющихся в пространстве.

Голография широко используется для бесконтактного измерения геометрических размеров, параметров рельефа различных объектов, контроля их состояния и др. Например, для контроля деформации объекта при различных температурах на одну и ту же пластинку последовательно во времени записывают две голограммы контролируемого объекта. Одна голограмма отражает состояние объекта при температуре Т₁, а другая при температуре Т₂. При восстановлении такой «двойной» голограммы формируются две волны, которые интерферируют между собой. Если состояние объекта изменилось при изменении его температуры (изменились его геометрические параметры), то в результате восстановления голограммы получим изображение, покрытое интерференционными полосами, отражающими характер происшедших изменений.

9) Какие законы теплового излучения могут быть использованы для
бесконтактного измерения температуры? Объясните как?

Любой объект, атом и молекула совершают колебательные движения. В свою очередь вибрирующие частицы являются источниками электромагнитного поля, которое распространяется со скоростью света. Таким образом, любой объект является источником электромагнитного излучения. Полный спектр электромагнитного излучения имеет диапазон от радиоволн до γ – излучения.

Так как температура является статистическим выражением средней кинетической энергии, она определяет наиболее вероятную частоту и длину волны колеблющихся частиц. При увеличении температуры максимумы кривых М _{λ, Т} сдвигаются в ультрафиолетовую область спектра.

Спектр излучения, его мощность и пространственные характеристики зависят от температуры тела и его излучающей способности, что позволяет использовать тепловое излучение для измерения и контроля температуры различных объектов бесконтактным методом.