96166204 Raspunsuri Subiecte de Promovare Materiale Electrotehnice

7/31/2019 96166204 Raspunsuri Subiecte de Promovare Materiale Electrotehnice

1/12

1. Ce este o retea cristalina ideala? Definirea defectelor de retea. Expresiaconcentratiei de defecte Schottky.

O retea cristalina ideala reprezinta o reproducere la mare distanta a unitatiistructurale. (atom, ion, molecula sau grupuri de atomi) la 0 K.Orice abatere de la structura ideaa a retelei cristaline este un defect de retea.

Concentratia de defecte Schottky:kTw

Sds

NeN/

= , unde:- N -concentratia de noduri ][

3m

- dsw -energia medie necesara unui defect Schottky [J]

-k-constanta lui Boltzman-T-temperatura [K]

2. Importanta undei asociate electronuluiRaspuns:Conform principiului de Brogle fiecarei unde I se asociaza o microparticula sifiecarei microparticule I se asociaza o unda.

3. Teoriile electronilor legati, liberi si cvasiliberi: ipoteze de plecare siinformatiile finale privind valorile energiei electronilor.

Raspuns:Electronii legati -nu se deplaseaza in interstitii

-au stari care se presupun a fi descrise de functii de undaHestler

-energia electronilor puternic legati este situata doar inbenzile permiseElectronii liberi -se considera electronii care au parasit atomii si sedeplaseaza in interstitii care formeaza gazul electronilor liberi

-nu interactioneaza cu ionii pozitivi din retea-se deplaseaza in cristal-energia unui electron liber variaza parabolic cu numarul de

unde (nr de unde ia doar valori discrete)Electronii cvasiliberi -interactioneaza cu ionii din nodurile retelei

-starile lor sunt descrise de functia de unda Bloch-au valori constante in interstitii si valori mai mari in

vecinatatea nodurilor

4. Care sunt electronii din cristale ce pot participa la procesul de conductieelectrica?

Raspuns:Electronii care pot participa la procesul de conductie electrica sunt aceia care auenergia cuprinsa in intervalul limita fermi.

]2

;2

[F

wF

ww FF

+

5. Care este structura benzilor de energie ale conductoarelor,semiconductoarelor si izolatoarelor?


2/12

Raspuns:Izolatoarele: -banda interzisa fermi foarte mare >9eV

-nu au electroni disponibili la un proces de conductieSemiconductoarele: intrinseci -benzile de energi asemanatoareizolatoarelor

- iFb este ingusta eV2

10

pentru a putea fi usorescaladata de un numar mare de electroni,stabilindu-se un curent electric neglijabil princorp

Extrinseci - iFb larga(1.1eV-siliciu, 0.7eV-germaniu)

-prin dopare cu atomi de impuritati se potrealiza niveluri permise aditionale

(donor/receptor) situate in iFb

Conductoarele: -nivelul Fw trece prin mijlocul unei benzi permise, deci

contine electroni de conductie.

6. Expresia conductivitatii electrice a metalelor:Raspuns:

*

0

2

00

m

qN = , unde: - -conductivitatea electrica

m

S

- 0N -concentratia electronilor liberi [ ]3m- 0q -modulul sarcinii electronului [C]

- -durata de relaxare a electronului [S]

- 0m -masa efectiva a electronului [Kg]

- ][106.119

0 Cq=

7. Variatia conductivitatii electrice a metalelor cu temperatura, cu starea deagregare, cu solicitarile mecanice si cu continutul de impuritati.

Raspuns:a) cu temperatura

Fv

l

m

qN

~

*

0

2

00

=

=

Fvm

lqN*

0

2

00

~

= , l~

-intervalul parcurs de un electron intre doua ciocniri.

Daca distanta dintre particule scade, benzile permise se latesc, si invers.Daca temperatura creste, variatia energiei creste iar unda reflectata

creste, deci probabilitatea de ciocniri a electronilor e mai mare, drumul libermijlociu scade, timpul de relaxare al electronilor scade, conductivitatea scade.

b) Cu continutul de impuritati introducerea unei impuritati a generat 2ciocniri

suplimentare => o reducere a drumului mijlociu si a conductivitatii.


3/12

c) Cu starea de agregare daca rezistivitatea creste, drumul mijlociuscade,

numarul de ciocniri crested) Cu solicitarile mecanice retelele cristaline se deformeaza, particulele

se

apropie (se indeparteaza in cazul alungirii), benzile de energie se deformeaza,deformatiile sunt sesizate de unde care sufera reflexii suplimentare, numarulde ciocniri creste, drumul mijlociu scade, conductivitatea scade.

++=++=

mecimpT

mecimpTqN

m

1112

00

*

0

-in urma trefilarii, mec scade, iar el creste

-daca temperatura creste, proprietatile mecanice ale corpului se reduc.

8. Definitia starii de supraconductibilitate.Raspuns:

Supraconductibilitatea electrica reprezinta fenomenul de anulare a rezistivitatiielectrice a unui corp atunci cand temperatura e mai mica decat o temperaturacritica, iar campul magnetic este mai mic decat campul electric.

9. Fenomene asociate starii supraconductoare: variatia rezistivitatii electricecu temperatura, anularea starii supraconductoare, efectele Meissner,izotopic si Josephson, cuantificarea fluxului magnetic.

Raspuns:a) variatia rezistivitatii electrice cu temperatura:

Anularea rezistivitatii electrice cu temperatura T 34 1010 intr-un cristal faradefecte.

b) Anularea starii de supraconductibilitate in corpuri magnetice:Un corp aflat in supraconductibilitate isi pierde aceasta stare daca este introdus

intr-un camp magnetic cu CBB > .c) Efectul izotopic

In cazul unui element chimic care are mai multi izotopi, cu cat masa izotopicacreste, cu atat temperatura scade.

d) Efectul Meissner: Consta in expulzarea liniilor de camp magnetic intr-uncorp atunci cand corpul trece in starea de supraconductibilitate.

e) Cuantificarea fluxului magnetic:La anularea fluxului magnetic apare o tensiune electromotoare care genereazacurent electric supraconductor in care produce un flux ce se opune variatiei

fluxului existent.

0

02q

h=

f) Efectul Josephson: Jonctiunea Josephson reprezinta ansamblul de douacorpuri supraconductoare despartite de un strat izolator de grosime

mm3...1=


4/12

-efectul Josephson in c.c.: prin jonctiune trece un curent mai mic decat Ic, iarVab=0

-efectul Josephson in c.a.: pentru U>Uc apare I>Ic, unde tII c sin= .


5/12

10) Ecuatiile London, deducere.Raspuns:

Fie un corp cu:

===

0

000000 |,,

m

qNEq

dt

dvmFamEqFE se

( ) EmqNvqNdtd s 0

2

0000 =

SJ 0/1

0

0

,1

=dt

dJs-constanta lui London

)( 0 sJdt

dE = LEGEA I LONDON

sJjEjdt

dl0; =

0

EjJs =

2

i

ej

=

( )[ ]

t

BErot

Jrotdt

dErot s

=

= 0 ( )[ ] ( )

0

00

=

+==

cdar

cJrotBJrotdt

d

dt

Bdss

( )sJrotB 0=

LEGEA A DOUA A LUI LONDON

11) Teoria BCS (intuitiv, prin deformarea retelei cristaline la temperaturi joase):Raspuns:-explica supraconductibilitatea pe baza interactiunilor dintre electroni si regelelecristaline.-cand T tinde cate 0K apare fenomenul de cuplare intre electroni numit cooperon(o particula formata prin cuplarea electronilor).

-cand T>Tc, kTwion2

3= ; electronii interactioneaza cu ionul prin forta

electrostatica ionww >>int .

12) Aplicatii pe baza supraconductibilitatii electrice:Raspuns:-transportul energiei la distanta-transportul feroviar-trenuri ultrarapide pe perna magnetica-motoare de dimensiuni reduse-generatoare sincrone de puteri f mari pana la 5GW.-campuri magnetice interne pentru cercetare si medicina-electronica-circuite si dispozitive de dimensiuni reduse


6/12

-masurarea campurilor magnetice slabe T1510

13) Supraconductibilitatea la temperaturi ridicate: structura si caracteristicelematerialelor supraconductoare la temperaturi ridicate.Raspuns:

-Tc limita=30K-materialele supraconductoare la temperaturi ridicate sunt cooperoni-Bc sunt reduse-latimea benzii interzise este de 10 ori mai mare decat la metale-sunt greu de realizat=>utilizarea lor este problematica.

14) Expresia conductivitatii intrinseci si extrinseci.Raspuns:

15) Ce sunt electronii liberi si golurile? De unde provin in cazulsemiconductoarelor intrinseci? Dar in cazul celor extrinseci?

Raspuns:Electronii liberi sunt purtatori de sarcina magnetica rupti din legaturiGolurile sunt purtatori de sarcina pozitiva.In cazul semiconductoarelor intrinseci provin de la atomi proprii prin ruperealegaturilor electronilor.La cele extrinseci provin atat de la atomii proprii cat si de la impuritati.

16) Definitia mobilitatii purtatorilor de sarcina.Raspuns:Prin aparitia unei legaturi libere, electronii cuplati din alti atomi se pot rupe pentrua reface legaturile libere, rezultand astfel o miscare a electronilor legati prin

refacerea legaturilor libere. Aceasta deplasare a electronilor legati se poateechivala cu deplasarea unei sarcini fictive in sens contrar, dar avand semnul +.

17) Dependenta conductivitatii semiconductoarelor de tip n de temperatura.Raspuns:Primii electroni care trec in banda de conductie sunt cei din impuritati, fiind urmatide cei din banda de valenta la o temperatura mai mare.Exista 2 praguri de temperatura:-temperatura la care toti electronii din impuritati trec in banda de conductie (T1este de gradul sutelor de K)-temperatura la care toti electronii din banda de valenta trec in banda de

conductie (T2 este de gradul miilor de K).

18) Ce este efectul Hall? UtilizariRaspuns:Efectul Hall apare in semiconductie si conductie in prezenta campului magnetic.Efectul Hall consta in deformarea liniilor de curent electric la stabilirea unui campmagnetic si in aparitia unei diferente de potential intre 2 puncte ale corpului carear fi avut acelasi potential in absenta campului magnetic.


7/12

19) Explicarea fenomenului de redresare (pe baza jonctiunii p-n).Raspuns:Jonctiunea p-n este o zona izolatoare cuprinsa intre doua semiconductoare denatura diferita.

Jonctiunea prezinta o rezistenta electrica mai mare la aplicatea tensiunii inversedecat la aplicarea tensiunii directe. Acest efect numit unidirectionalitate, estefolosit in circuite electrice pentru redresarea curentului alternativ.Dispozitivele semiconductoare (diode, tranzistoare, triace, etc) functioneaza pebaza acestui efect.

20) Care sunt mecanismele de conductie electrica in izolatori?Raspuns:In izolatori se disting doua tipuri de conductie:-conductie electronica (realizata de electroni)-conductie ionica (realizata de ioni)

Conductia electronica daca cristalul are impuritati care formeaza in bandainterzisa Fermi niveluri aditionale de tip donor/receptor, atunci are loc oconductie.Conductia ionica se realizeaza prin conventia ionilor proprii(daca izolatorul esteun cristal ionic) sau prin ionii de impuritate. Conductivitatea ionica nu depinde deintensitatea campului electric.

21) Expresia conductivitatii ionice a izolatorilor solizi:Raspuns:

=

=

n

j

kT

w

ionion

ij

eC1

22) Explicati mecanismele de strapungere electronica si termica.Raspuns:Se numeste strapungere a unui izolator pierderea subita a proprietatilor izolanteale unui material supus unui camp electric. Altfel zis strapungerea estedeterminata de aparitia brusca a unui curent electric intens pentru o anumitavaloare a intensitatii campului electric.Strapungerea termica apare in corpurile de volum mare care au conductivitateatermica scazuta si conductivitatea electrica ridicataSe datoreaza neputintei izolatorului de a elimina caldura dezvoltata in el. de catrecampul electric (prin pierderile Joule si pierderile prin polarizare electrica).

Strapungerea prin avalansa se datoreaza generarii unei avalanse de electroniliberiStrapungerea intrinseca este datorata aparitiei unui numar mare de electroni inbanda de conductie.

23) Ce este polarizabilitatea electrica? Dar polarizatia electrica?Raspuns:


8/12

Polarizabilitatea electrica caracterizeaza capacitatea unitatii structurale a corpuluide a se polariza.Se noteaza cu si este raportul dintre momentul electric indus si campulelectric.

][ 2

0

Fm

E

P= , P-momentul electric

24) Explicati mecanismele de polarizare electronica, ionica, de orientare si deneomogenitate.Raspuns:Polarizare electronica se realizeza prin deformarea invelisului electronic alstructurii care constituie dielectricul sub actiunea campului electric. Este specificacorpurilor cu structura atomica si gazelor mobile. Este o polarizare temporara.Polarizarea ionica este intalnita, mai ales, in cristalele ionice si rezulta prindeplasarea in sens contrar a ionilor de semne opuse. Acest mecanism depolarizare se stabileste mai lent decat polarizarea electronica si se manifesta

pana la frecvente de domeniu inflarosu.Polarizarea de orientare se realizeaza in moleculele polare (cu moment electricpermanent) prin rotirea acestora in campul electric. O molecula este polara doardaca prezinta moment electri diferit de 0.Polarizarea de neomogenitate este polarizarea suplimentara care apare incampurile neomogene datorata campului electric prdus de sarcinile electriceacumulate pe suprafetele care separa regiunile omogene ale dielectricilor.

25) Expresiile permitivitatii relative in campuri electrice statice pentru polarizarilede deformare si de orientare.Raspuns:

De orientare:000

001

N

Nro

+=

De deformare:ee

eere

N

N

+=

0

1 , 0 - permitivitatea vidului

26) Dependenta pemitivitatii relative a dielectricilor de temperatura si defrecventa campului electric.Raspuns:Influenta intensitatii si a frecventei campului electric:Marind intensitatea campului electric se obtin valori mai mari ale polarizatiilor sideci ale componentelor permitivitatii: Variatii mai importante ale permitivitatii au

loc pentru materialele feroelectrice sau neomogene unde, se produc fenomenenoi, care modifica structura fizico-chimica a corpului.Influenta temperaturii: Polarizaria electronica este putin influentata detemperatura, (prin modificarea concentratiei particulelor), variatii mai importanteale permitivitatii obtinandu-se doar cand corpurile isi schimba starea deagregare. In cazul corpurilor care prezinta doar polarizatie ionica permitivitateacreste cu temperatura deoarece prin intensificarea agitatiei termice, suntfavorizate deplasarile ionilor in camp electric.


9/12

27) Ce este factorul de pierderi? Expresia pierderilor dielectrice specifice si aputerii active si reactive absorbite de un condensator.Raspuns:Daca in interiorul unui dielectric se stabileste un camp electric stationar sau

variabil, se produc dezvoltari de caldura, deci pierderi, prin efectul Joule-Lenz,deoarece conductivitatea materialului este nenula.In campurile electrice variabile,se mai produc pierderi si datorita faptului ca polarizatia electrica nu variaza infaza cu intensitatea campului electric.

Factorul de pierderi se noteaza cu tg si este curba data de valorile permitivitatii

dielectricului aflat intr-un camp electric armonic, variind in functie de .

r

ntgtg'0

+=

Pierderile specifice (suma pierderilor prin histerezis si prin conductie electrica) sepoate scrie astfel:

tgEP efr2'

0=Puterea activa absorbita de un condensator:

tgCUP 2=Puterea reactiva:

2CUQ =

28) Definirea magnetizatiei si a particulei magnetic polare. Conditia de existentaa particulei magnetic polare.Raspuns:Magnetizarea este proprietatea unor materiale care descrie in ce masura suntafectate de campurile magnetice si care determina de asemenea campulmagnetic pe care acestea il produc. Magnetzarea este definita ca fiind momentulmagnetic pe unitatea de volum.

HM

dv

dmM

m=

=, unde:

m-momentul magnetic

m -susceptivitatea magneticaH-campul magneticParticule magnetic polare: Moleculele, atomii sau ionii care prezinta momentemagnetice spontane, adica momente nenule chiar si in absenta campurilormagnetice exterioare se numesc magnetic polare; celalalte se numesc nepolare.Momentul magnetic al unei molecule este egal cu suma momentelor magneticeorbitale si de spin ale electronilor si a momentului magnetic de spin al nucleului.Calitatea unui atom de a fi magnetic polar este determinata de momentelemagnetice de spin ale electronilor din atom. Sunt magnetic polari, adica aumoment magnetic spontan, atomii cu substraturi interioare incomplet ocupate deelectroni (sau in care se produc astfel de substraturi superioare, datoritainteractiunilor atomilor cu alti atomi sau cu campurile exterioare).


10/12

29) Explicarea paroceselor de magnetizare al corpurilor dia-, para-, fero-, siantiferomagnetice.Raspuns:DIAMAGNETISMUL. Reprezinta un proces de magnetizare care apare in toate

corpurile. Consta in introducerea unui moment magnetic de sens contrarcampului magnetizat ca urmare a miscarii de precizie a electronului.Corpurile diamagnetice sunt corpuri care nu prezinta particule cu momentmagnetic propriu.PARAMAGNETISMUL. Materialele paramagnetice (Al, Cr, Na) sunt formate dinparticule magnetic polare (care prezinta deci un moment magnetic spontan).In absenta campului magnetic aplicat din exterior momentele magnetice aleparticulelor mp sunt orientate intr-un mod haotic, aleator, din cauza agitatieitermice si deci materialul nu este magnetizat.Daca aplicam un camp magnetic Ho are are tendinta de a orienta momentele mpdupa directia locala a campului si in acest caz materialul devine magnetizat.

FEROMAGNETISMUL. Materialele feromagnetice au proprietatea de a prezentamagnetizatie spontana chiar si in absenta campurilor magnetice exterioare.Aceasta proprietate se explica prin faptul ca un materialul feromagnetic esteformat din regiuni submicronice numite domenii magnetice sau domenii Weiss.Domeniile magnetice sunt despartite intre ele de zone de tranzitie, numite peretiBloch. In absenta campului magnetic, domeniile Weiss sunt orientate aleator iarcorpul nu este magnetizat. (ex: Fe, Co, Ni, Gd). In absenta unui camp magneticexterior, domeniile Weiss sunt orientate in mod haotic deci corpul nu estemagnetizat.Feri- si ANTIFEROMAGNETISMUL. Corpurile feri si antiferomagnetice suntformate din atomi polari. Ele sunt similare corpurilor feromagnetice, si prezinta

domenii magnetice (domenii Weiss) si sunt separate de pereti Bloch. Spredeosebire, insa, de corpurile feromagnetice, orientarile momentelor magneticeapartinand atomilor diferiti sunt antiparalele.

30) Explicarea formarii domeniilor Weiss si a peretilor Bloch si a deplasariiperetilor Bloch.Raspuns:Formarea domeniilor Weiss: Pe suprafata de frontiera a unui corp magnetizatuniform se pot defini densitati de sarcina magnetica fictiva carora le corespundeproducerea in interiorul corpului a unui camp demagnetizant. Campuldemagnetizant este opus magnetizatiei din interior, iar acesta defavorizeazastabilirea starii de echilibru termodinamic. Divizarea corpului in domenii Weissmicsoreaza energia proprie si reduce astfel campul demagnetizant. Acest lucruse intampla pana cand suma energiei proprii, energiei de schimb si a energiei demagnetostrictiune este minima. In corpurile reale, forma si dimensiuniledomeniilor, precum si orientarile lor depind de defectele retelei cristaline precumsi de impuritati si tensiuni mecanice.Trecerea brusca de la o orientare a magnetizatiei la alta este energeticdefavorabila deoarece duce la marirea energiei de schimb. Din aceasta cauza la


11/12

frontiera dintre domenii se formeaza un strat foarte subtire, denumit perete

Bloch, in care momentele pm ale atomilor sufera rotatii treptate succesive.

Daca avem doua domenii magnetice M1 respectiv M2, orientate diferit, la aparitiaunui camp magnetic paralel cu domeniul M1, peretele Bloch dintre cele douadomenii se deplaseaza astfel incat domeniul M1 se largeste in detrimentul

domeniului M2. In consecinta corpul se magnetizeaza, nu prin rotatia momentelormagnetice ale domeniilor ci prin deplasarea peretiilor Bloch, care este influentatade structura materialului si de prezenta defectelor.La stabilirea unui camp magnetic, peretele Bloch se deplaseaza din dreptul unui

minim al energiei corespunzator echilibrului termodinamic din starea cu 00 =H ,in puncte vecine, escaladand valori ridicate de energie potentiala pana laajungerea intr-un alt punct de minim. La anularea campului magnetic, pereteletinde sa revina in pozitia initiala.

31) Forma curbei de magnetizare a materialelor feromagnetice.Raspuns:

Se considera un cristal unidimensionat, nemagnetizat, format din particulemagnetic polare caruia i se aplica un camp magnetic de directie constanta carecreste pana la o anumita valoare, apoi descreste. Curba de magnetizare arata cain figura.

32) Expresiile susceptivitatilor magnetice ale corpurilor dia-, para-, fero-, feri- si

antiferomagnetice.Raspuns:

Diamagetice: 0


12/12

Feromagnetice:

=T

cm ,

K

Nmc

p

2

0= , c = , unde 0 permeabilitatea

magnetica a vidului, K- constanta Boltzmann, mp momentul magnetic atomic

Feri-, antiferomagnetice: '

'

= Tc

m (valori intre 10-2

si 10-3

)

33) Expresia pierderilor magnetice specifice:Raspuns:Pierderile totale magnetice reprezinta insumarea pierderilor prin histerezis si apierderilor prin curenti turbionari si au urmatoarea expresie:

VBfVBfPPP nfht2

max

222

max6

+=+=

, unde:

=>

96166204 Raspunsuri Subiecte de Promovare Materiale Electrotehnice

Documents

Transcript of 96166204 Raspunsuri Subiecte de Promovare Materiale Electrotehnice