Kontakt- vagy érintkezési feszültségek
A jelenség: Két különböző „ A’ ” felület mentén összeérintett 1. és 2. fém A és B pontjai között 𝑼𝒌 nagyságú ún. kontakt- vagy érintkezési feszültség lép fel.
A kvalitatív kimutatás történhet pl. így: szétválasztás
szétválasztás
Az elektrométer feszültséget jelez.
Értelmezés (Volta-feszültség): A két különböző minőségű fém érintkezési felületéhez közeli külső pontok között fellépő feszültséget Volta-feszültségnek nevezzük. Értelmezés (Galvani-feszültség): Az érintkező fémek belsejében, a határfelülethez közeli belső pontok között fellépő feszültséget Galvani-feszültségnek nevezzük. Volta-feszültség
Galvani-feszültség
Magyarázat a fémek sávelmélete alapján egyszerű: Összeérintés előtt a különböző – így különböző kilépési munkájú – fémek Fermi-nívói nem esnek egybe. Összeérintés után a magasabb Fermi-nívójú és kisebb kilépési munkájú 1. fémből elektronok mennek át a 2. fémbe. A negatív elektronok átlépésével az 1. fémben az eredeti semleges állapothoz képest elektron hiány (látszólagos pozitív többlet) keletkezik, ezért annak potenciálja pozitívabbá válik és az energiaszintjei – köztük a Fermi-nívója is – lesüllyednek. Eközben a 2. fém elektronokat kap, benne elektron többlet keletkezik, potenciálja negatívabbá válik, és a Fermi-szintje pedig megemelkedik. Az elektronátlépés addig tart, amíg a két fém között kialakuló elektromos kettősréteg 𝑈𝑘 = 𝜙1 − 𝜙2 kontaktfeszültséggel jellemezhető elektromos tere a további elektronmozgást meg nem akadályozza.
VOLTA olasz fizikusnak sikerült a fémeket és néhány más megvizsgált anyagot kontaktfeszültségi sorba állítania: (+) Al – Zn – Pb – Sn – Sb – Bi – Fe – Cu – Ag – Au – Pt – C (-) Értelmezés (Volta-féle feszültségi sor): A fémek Volta által történt kontaktfeszültségi sorba állítását – azaz a fenti sort – Volta-féle feszültségi sornak nevezzük. Értelmezés (elsőfajú vezető): A Volta-féle feszültségi sor szerint viselkedő anyagokat elsőfajú vezetőknek nevezzük.
Néhány érdekesség: (1) Ha egy 𝜙1 kontaktpotenciálú 1. fém és egy 𝜙2 kontaktpotenciálú 2. fém közé egy 𝜙3 kontaktpotenciálú 3. fémet teszünk úgy, hogy azok érintkezzenek, akkor az A-B pontok közötti kontaktfeszültség ugyanakkora, mintha csak az 1. és a 2. fém lenne jelen.
(2) Különböző kontaktpotenciálú vezetőkből álló zárt körben a kontaktfeszültségek összege nulla, és ennek eredményeképpen a körben áram nem folyhat.
Termoelektromos jelenségek Seebeck-effektus Peltier-effektus
Seebeck-effektus Az effektus felfedezője Thomas Johann Seebeck (1770 - 1831) tette közzé 1821ben. Értelmezés (Seebeck-effektus ): Ha két különböző 1. és 2. fémből álló vezetőkör A és B érintkezési pontjai között hőmérsékletkülönbséget hozunk létre, akkor a körbe iktatott galvanométer áramot jelez, vagyis a vezetőkörben az A és B érintkezési pontok hőmérsékletkülönbsége hatására elektromos áram folyik. A keletkezett áramot termoáramnak, a két fémből álló zárt kört pedig termoelemnek vagy hőelemnek nevezzük. Ez a jelenség a Seebeck-effektus. A jelenség magyarázata a kontaktfeszültség hőmérséklet-függésével adható meg.
Seebeck-effektus magyarázata Legyen pl. 𝑡𝐴 > 𝑡𝐵 és 𝑊𝑘1 < 𝑊𝑘2 . Ekkor az A ponthoz tartozó felületen a kisebb kilépési munkájú 1. fémből elektronok mennek át a 2. fémbe. Az A helyhez tartozó elektromos kettősréteg 𝑈𝑘𝐴 kontaktfeszültsége nagyobb lesz, mint a hidegebb B helyhez tartozó 𝑈𝑘𝐵 kontaktfeszültség. Mivel az A és a B helyekhez tartozó kontaktfeszültségek ellentétes „irányúak”, ezért megjelenik az 𝑈𝑡 = 𝑈𝑘𝐴 − 𝑈𝑘𝐵 ún. termofeszültség. Ez a termofeszültség tartja fenn az R ellenállású körben az 𝐼𝑡 =
𝑈𝑡 𝑅
=
𝑈𝑘𝐴 −𝑈𝑘𝐵 𝑅
erősségű termoáramot. Itt: 𝑈𝑡 = 𝛼 ∙ (𝑡𝐴 − 𝑡𝐵 ) 𝑉
Ahol 𝛼 = ℃ a Seebeck-együttható, 𝑡𝐴 és 𝑡𝐵 a kontaktpontok hőmérsékletei ℃ban.
Seebeck-effektus alkalmazásai 1.
Termomágnes:
2.
Termoelem:
3.
Termokereszt:
Peltier-effektus A jelenséget Jean Charles Athanase Peltier (1785 - 1845) fedezte fel. Értelmezés (Peltier-effektus): Ha két különböző fém egymással érintkezik, és az érintési- vagy forrasztási ponton I erősségű egyenáram folyik át, akkor – a Joule-hőn kívül – az I áram irányától függően az érintkezési- vagy forrasztási pont felmelegszik, vagy lehül. A mérések szerint az érintkezési helyen 𝜏 idő alatt fellépő Peltier-hő: 𝑸=𝝅∙𝑰∙𝝉 𝑱
ahol a 𝝅 = 𝑨𝒔 = 𝑽 a Peltier-együttható. Kimutatható, hogy:
𝝅=𝜶∙𝒕
A Seebeck-effektus fordítottja!!
Ahol 𝛼 a Seebeck-együttható, 𝑡 pedig a hőmérséklet ℃-ban.
Peltier-effektus magyarázata A Peltier-effektus a kontaktfeszültséggel magyarázható: Álljon pl. a vezetőrendszer 1.-2.-1. fémekből, az ábra szerint. A fémek kontaktpotenciáljai legyenek 𝜙1 , 𝜙2 , 𝜙1 , továbbá legyen 𝜙2 > 𝜙1 . Ekkor az elektronok a B forrasztási helyhez tartozó 𝑈𝑘 kontaktfeszültségű elektromos térben felgyorsulnak és energiájuk megnő. Az így nyert energia többlet a fémrács ionjaival való ütközések révén a B hely felmelegedésében nyílvánul meg. Az A helyhez tartozó 𝑈𝑘 kontaktfeszültségű ellentérben viszont az elektronok lelassulnak, energiájuk kisebb lesz, és ennek következtében az A érintkezési hely lehül. A Peltier-effektus haszna óriási! A jelenséget hűtésre lehet felhasználni, pl. érzékeny elektronikák (CCD kamerák) chipjeinek hűtésére.
Szilárdtestek mágneses tulajdonságai Dia-, para-, ferromágnesség
Szilárdtestek mágneses tulajdonságai A Bohr-modell szerint az elektronok jól meghatározott körpályákon keringenek az atommag körül. A körmozgást végző elektron keringési ideje, legyen 𝑇, 𝑇 = 𝑠. Ekkor az elektron a mozgása során köráramot kelt. A köráram maga körül – a jobbkéz szabálynak megfelelően – mágneses teret hoz létre. A keltett mágneses tér megfelel egy mágneses dipólus terének. 𝒒
A köráram erőssége: 𝑰 = 𝒆𝒍𝒆𝒌𝒕𝒓𝒐𝒏 , 𝑻 ahol 𝑞𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛 az elektron töltése. Az 𝒎 mágneses dipólmomentum nagysága: 𝒒𝒆𝒍𝒆𝒌𝒕𝒓𝒐𝒏 𝟐 𝒎=𝑰∙𝑨= ∙𝒓 𝝅 𝑻 A köráram felülete: 𝐴 = 𝑟2𝜋
Értelmezés (mágnesezettség): Az egységnyi térfogatra jutó mágneses momentum a mágnesezettség. Ennek vektori formája vagy alakja: 𝒎 𝑴= 𝑽
Szilárdtestek mágneses tulajdonságai Az anyag jelenléte (tehát nem vákuumban vizsgálva a leírást) megváltoztatja a mágneses indukciót a vákuumbeli értékéhez képest. Vákuumban: 𝐵 = 𝜇0 𝐻 Anyagban (nem vákuumban): 𝐵 = 𝜇0 𝜇𝑟 𝐻 (1) Az anyagban a mágneses indukció a mágnesezettségi vektorral felírható: 𝐵 = 𝜇0 𝐻 + 𝑀 (2). Akkor az (1) és (2) alapján: 𝜇0 𝜇𝑟 𝐻 = 𝜇 0 𝐻 + 𝑀 𝜇0 𝜇𝑟 𝐻 − 𝜇 0 𝐻 = 𝑀 𝜇0 𝐻 𝜇𝑟 − 1 = 𝑀 Értelmezés (mágneses szuszceptibilitás): A 𝜅 = 𝜇𝑟 − 1 mennyiséget mágneses szuszceptibilitásnak nevezzük. Így a fenti egyenlet alakja: 𝝁𝟎 𝑯𝜿 = 𝑴
Szilárdtestek mágneses tulajdonságai A 𝜅 bevezetése itt azért előnyös, mert segítségével könnyen csoportosítani lehet a szilárdtesteket mágneses tulajdonságuk alapján: Értelmezések (dia-, para-, ferromágneses anyag): 1.
Ha 𝜿 < 𝟎, 𝜿 ≪ 𝟏 ⇒ 𝝁𝒓 ≈ 𝟏 ⇒ az ilyen anyagból készült kis rúd a mágneses tér ellenébe fordul DIAMÁGNESES anyag
2.
Ha 𝜿 > 𝟎, 𝜿 ≪ 𝟏 ⇒ 𝝁𝒓 ≈ 𝟏 ⇒ az ilyen anyagból készült kis rúd beáll a mágneses tér irányába PARAMÁGNESES anyag
3.
Ha 𝜿 ≫ 𝟏 és függ a mágneses térerősségtől. 𝝁𝒓 ~ 𝟏𝟎𝟑 nagyságrendbe esik. az ilyen anyag a paramágneses anyaghoz hasonlóan viselkedik FERROMÁGNESES anyag
Hiszterézis („emlékezési görbe”) 2. A zérusra csökkentett külső térerősség esetén is van az anyagban indukció: REMANENS INDUKCIÓ 3. A külső térerősséget nulláról nagatív irányban növelve érhető el, hogy az anyagban a mágneses indukció nulla legyen.
5. Tovább növelve negatív irányban a külső mágneses tér értékét, az anyagban a mágneses térerősség negatívba megy át és telítésig csökkenő értékű.
1. Külső térerősség növelése kezdetben gyorsan növekvő mágneses indukció, majd telítés. SZŰZGÖRBE A görbe által bezárt terület az átmágnesezéshez szükséges munka számértékét adja. Kis terület lágy mágnes Nagy terület kemény mágnes
6. A külső teret negatív értékéről a pozitív értékek felé növelve, egy adott külső térerősségnél az anyagban a mágneses indukció ismét nulla lesz, majd irányt váltva pozítívvé válik végül egy nagyobb külső téterősségnél telítődik.
4. Értelmezés (koercitív erő): Azt a külső térerősséget, amely értéknél az anyagban a mágneses térerősség nullára csökken koercitív térerősségnek, vagy más szóval koercitív erőnek nevezzük:
Állandó mágnesként a nagy koercitív erejű és a nagy remanenciájú ferromágneses anyagok használhatók. A hőmérséklet növekedésével a ferromágneses anyag egyszer csak paramágneses anyaggá válik. Értelmezés (Curie-pont): Azt a legalacsonyabb hőmérsékletet, amelyen a ferromágneses anyag paramágnessé válik, Curie-pontnak nevezzük. Magnetosztrikció: Nagyfeszültségű transzformátorok mellett zümmögő hang hallható. Ez a magnetosztrikció jelensége. Lényege: változó mágneses térben a fémlemezek (transzformátorban), vagy a vezetékek mérete (vezetékeknél) megváltozik. A megváltozáskor a levegőben nyomásváltozások is létrejönnek. A nyomásváltozások, mint a levegőben terjedő longitudinális zavar, hangként jelennek meg.
Ferroelektromosság, Piezoelektromosság, Elektrosztrikció
Ferroelektromosság Értelmezés (ferroelektromosság): Bizonyos szigetelőanyagok vagyis dielektrikumok villamos térbe helyezve úgy viselkednek, mint a vas külső mágneses térben. Ezt a jelenséget nevezzük ferroelektromosságnak. Értelmezés (ferroelektromos kristály): Azokat a dielektrikum anyagokat, amelyek külső villamos térben ferroelektromos tulajdonságot mutatnak ferroelektromos kristályoknak nevezzük. Ezeknél az anyagoknál a 𝐷 elektromos eltolás vagy eltolódás vektor ugyanolyan hiszterézis (emlékező) tulajdonságot mutat, mint a ferromágneses anyagok esetében látható volt. Az elektromos eltolás vektora: 𝑫 = 𝜺𝟎 𝜺𝒓 𝑬 Itt az 𝜀𝑟 relatív permittivitás nem állandó, hanem a külső villamos térrel változik és akár 104 nagyságrendű is lehet.
Piezoelektromosság A jelenséget Pierre Curie és Jacques Curie fedezték fel 1880-ban. Értelmezés (piezoelektromosság): Azt a jelenséget, amikor mechanikai deformáció hatására egy anyag elektromos tulajdonságúvá válik piezoelektromosságnak nevezzük. Magyarázata: Deformáláskor a kristály szemben álló lapjain ellentétes előjelű polarizációs töltések jelennek meg. A deformáló erő irányának megváltozásakor pedig a lapokon jelentkező töltések előjelet váltanak. Formái: - a deformáció során dipólok keletkeznek - a deformáció során a meglévő dipólok átrendeződnek Lokálisan negatívabb
Alkalmazás: öngyújtók, gázgyújtók, ...
Lokálisan pozitívabb
Elektrosztrikció A jelenséget Pierre Curie fedezte fel 1881-ben. Értelmezés (elektrosztrikció): Azt a jelenséget, amikor egy kristályt villamos térbe helyezve annak felülete deformálódik, vagy maga a kristály megnyúlik, illetve összenyomódik, elektrosztrikciónak nevezzük. Az elektrosztrikció a piezoelektromosság fordítottja. Váltakozó elektromos térben az ilyen kristály a feszültség váltakozásának megfelelően rezgőmozgást végez. Alkalmazás: kvarcórákban, dízel injektoroknál,...
Folyadékkristályok
1. •
A kezdetek: Friedrich Reinitzer (1857-1927) – Osztrák botanikus – Koleszteril-benzoát kísérlet 1888-ban o KRISTÁLY ZAVAROS ÁTLÁTSZATLAN FOLYADÉK TISZTA ÁTLÁTSZÓ FOLYADÉK
melegítés 145 ℃-ra •
•
2.
melegítés 179 ℃-ra
o Két olvadáspontú anyag Lehman – Zavaros átlátszatlan fázis: optikailag anizotróp tartományok – Új név: folyadékkristály állapot George H. Heilmeyer – 1968: a folyadékkristály mikroelektronikához használható anyag
Halmazállapotok: SZILÁRD FOLYÉKONY LÉGNEMŰ PLAZMA FOLYADÉKKRISTÁLY az 5. halmazállapot (pl. szappanok, mosószerek vizes oldatai, selyemrost, érfal, sejtfal) makroszkópikusan folyékony, mikroszkópikusan szilárdtest
3.
Folyadékkristályok fajtái: a) A tömegközéppontok rendezettsége megmarad, de orientációs rendezetlenség van b) A tömegközéppontok rendezettsége megszűnik, de az orientációsan rendezett
4.
Értelmezés (folyadékkristály): A folyadékkristályok olyan anyagok, amelyekben a molekulák tömegközéppontjainak és a molekulatengelyeknek a teljes, együttes rendezettsége nem valósul meg.
5.
Folyadékkristályok csoportjai: a) Termotrop: Ha a kristályos anyagi állapotból melegítés hatására alakul ki. b) Liotrop: Ha a kristályos anyagi állapotból oldószer hatására jön létre.
3.
Folyadékkristályok csoportosítása G. Friedel (1865-1933) szerint: a) SZMEKTIKUS o Réteges o Rétegekben véletlenszerűen állnak o Rétegek elcsúszhatnak egymáson o Termotrop
b) NEMATIKUS o Fonálszerű láncokba rendeződnek o Tengelyeik párhuzamosak, de nem rendeződnek síkokba o Fogvájó modell
c)
KOLESZTERIKUS o Réteges o Egy rétegben a molekulatengelyek párhuzamosak o Különböző rétegekben a molekulatengelyek irányai különbözőek (ismétlődések) o A fény polarizációját elforgatják
4.
LCD kijelzők fajtái: a) Dinamikus szóráson alapuló LCD-k: o 1968: dinamikus szórás: forgó, mozgó molekulákon a fény szóródást szenved o Feszültség ráadása nélkül átlátszó, feszültségre sötét o Elektromos áram örvénylő ionok fényszóró központok (dinamikus szórás) ionos vezetés, ionokon szóródás (dinamikus szórás)
Transzmissziós, vagy átmenő fényre
Reflexiós, vagy visszavert fényre
b)
Térvezérléses LCD-k, avagy a térvezérelt csavart nematikus cella: o Működési elve: A csavart nematikus cella 90°-kal elforgatja a fény polarizációs síkját
Világos a kijelző
Sötét a kijelző
