Порядок вимірювань. Порядок розрахунків. Модуль 6. 8. Молекулярна фізика і термодинаміка. 8.1. Основні параметри та закони.

Порядок вимірювань.

1. Під’єднати провідники від діода Д₄, який знаходиться в сушильній шафі, до клем “Вих” на панелі стенда у відповідності з полярністю діода.
2. Перемикач П₁ поставити в положення “0”, а потенціометри R₁, R₂, R₃ i R₄ – в крайнє ліве положення.
3. Вставити виделку шнура живлення в розетку мережі 220 В.
4. Підключити блок І до досліджуваного діода (за вказівкою викладача), повернувши перемикач П₁ у відповідне положення, позначене червоними літерою і цифрою.
5. Потенціометрами R₁ і R₂ встановити прямий струм через діод І_пр = 0, 01 А (10 мА), контролюючи його величину по міліамперметру А₁, і виміряти з точністю до 0, 01 В пряме падіння напруги U_пр. Дані занести до таблиці вимірювань.
6. Вимірювання по п. 6 провести по черзі при значеннях прямого струму 0, 02 А; 0, 03А; 0, 04 А; 0, 05 А; 0, 06 А; 0, 07 А; 0, 08 А; 0, 09 А; 0, 10 А; 0, 15 А; 0, 20 А; 0, 25 А; 0, 30 А.
7. Зменшити прямий струм до нуля.
8. Підключити блок ІІ до досліджуваного діода, повернувши перемикач П₁ у відповідне положення, позначене чорними літерою і цифрою
9. Перемикач границь вольтметра V₂ перевести в положення 0, 1 В, а міліамперметра А₂ – в положення 100 мкА.
10. Потенціометрами R₃ i R₄ встановити на діоді зворотну напругу U_звор = 0, 01 В, контролюючи його величину по вольтметру V₂, і виміряти з точністю до 1× 10^-6 А (1 мкА) з допомогою мікроамперметра А₂ зворотний струм діода. Дані занести до таблиці вимірювань.
11. Вимірювання по п. 10 провести при значеннях зворотної напруги 0, 02 В; 0, 03 В; 0, 04 В; 0, 05 В; 0, 06 В; 0, 07 В; 0, 08 В; 0, 09 В.
12. Перемкнувши вольтметр V₂ на границю 1 В, а потім відповідно – 10 В, провести вимірювання по п. 10 при значеннях зворотної напруги U_звор = 0, 1 В; 0, 2 В; 0, 3 В; 0, 4 В; 0, 5 В; 0, 6 В; 0, 7 В; 0, 8 В; 0, 9 В; 1 В; 2 В; 3 В; 4 В; 5 В; 6 В; 7 В; 8 В; 9 В; 10 В.
13. Зменшити напругу до нуля, а вольтметр V₂ перевести знов на границю 1 В.
14. Перемикач П₁ перевести в положення Д₄, позначене чорними літерою і цифрою – підключити блок ІІ до діода Д₄, який знаходиться в сушильній шафі. Шнур живлення сушильної шафи вставити в розетку мережі 220 В, включити шафу тумблером і трохи пересунути важіль його реостата з крайнього лівого положення праворуч.
15. Встановити потенціометрами R₃ i R₄ зворотну напругу на діоді Д₄, рівну 1 В, і в міру нагрівання діода, провести вимірювання зворотного струму приблизно через кожні 5 К: для германійового діода - від кімнатної температури до 70°С, а для кремнійового діода - від 90°С до 140°С. Якщо зворотний струм перевищує 100 мкА, перевести мікроамперметр А₂ на границю 1 мА. Дані вимірювань температури по термометру і зворотного струму занести до таблиці вимірювань в Кельвінах (К) і Амперах (А).
16. Зменшити зворотну напругу до нуля, мікроамперметр А₂ перевести на границю 100 мкА, перемикач П₁ в положення “0”, знеструмити стенд і сушильну шафу і відкрити дверцята для охолодження.
17. Записати тип діода, для якого знімалась вольт-амперна характеристика, і діода, для якого проводилось дослідження температурної залежності дрейфового струму ( Д₄ ), а також їх паспортні дані.

Порядок розрахунків.

1. Побудувати на аркуші міліметрового паперу вольт-амперну характеристику діода в масштабах: по U_пр – 0, 1 В в1 см, по І_пр – 0, 02 А в 1 см, по U_звор – 1 В в 1 см, по і_звор – 4× 10^-6 А в 1 см.
2. Побудувати на аркуші міліметрового паперу зворотну гілку вольт-амперної характеристики діода у збільшеному масштабі: по U_звор – 0, 02 В в 1 см, по і_звор – 1× 10^-6 А в 1 см.
3. Визначити напругу відсічки прямої гілки вольт-амперної характеристики діода, продовживши її прямолінійну частину до перетину з віссю абсцис, а по нахилу визначити R_{д пр}.
4. Провести дослідження зворотної гілки вольт-амперної характеристики, побудованої в збільшеному масштабі, дотичну в точці з координатами (0, 0) і по її нахилу визначити в омах динамічний зворотний опір в нулі R_{д звор}.
5. Визначити в амперах (А) зворотний струм насичення германійового діода при кімнатній температурі, а кремнійового – при температурі 110°С або 120°С за вказівкою викладача. Визначити по вольт-амперній характеристиці величину прямого струму при класифікаційному прямому спаді напруги в А, визначити коефіцієнт випрямлення діода по формулі k = і_{пр кл}/і_s.
6. По формулі (7. 22) розрахувати ширину забороненої зони напівпровідника, з якого виготовлений діод Д₄, з точністю до 0, 01 еВ.
7. Як кінцеві результати привести напругу відсічки, динамічний опір в прямому і зворотному напрямках і коефіцієнт випрямлення першого з досліджуваних діодів, а також ширину забороненої зони напівпровідника, з якого виготовлений другий з досліджуваних діодів ( Д₄ ).

Таблиця вимірювань.

Діод типу ______

 

іпр, А	0, 01	0, 02	0, 03	0, 04	0, 05	0, 06	0, 07	0, 08	0, 09	0, 10	0, 15	0, 20
Uпр, В

 

Uзвор, В	0, 01	0, 02	0, 03	0, 04	0, 05	0, 06	0, 07	0, 08	0, 09	0, 1	0, 2	0, 3
ізвор, А
Uзвор, В	0, 4	0, 5	0, 6	0, 7	0, 8	0, 9
ізвор, А
Uзвор, В
ізвор, А

 

 

t, °С

T, K

iзвор, А

 

 

х, К-1

y

Модуль 6

8. Молекулярна фізика і термодинаміка

8. 1. Основні параметри та закони.

Внутрішній стан тіла як сукупності частинок досліджують термодинаміка, молекулярна фізика, фізика твердого тіла. При цьому термодинаміка вивчає перетворення енергії і її передачу у вигляді теплоти і роботи при різних процесах, самі процеси і стани, між якими процеси йдуть. Вона оперує параметрами стану і функціями стану тіла. Параметри стану - це перелічені нижче макроскопічні величини, які знайдені або експериментально, або розраховуються через інші параметри стану. До них відносяться тиск Р, об’єм V, температура Т, кількість речовини ν виміряна в молях ν = m/M,  маса m, молярна маса M, густина r.

Тиском Р називають фізичну величину, яка дорівнює відношенню сили F , що діє на елемент поверхні нормально до неї, до площі S цього елемента:

.                                                              (8. 1)

Тиск газу чи рідини на стінки судини обумовлений ударами молекул об стінки і дорівнює відношенню сумарного імпульсу, переданого молекулами за 1 секунду (сили тиску), до площі стінок S. Виміряється тиск у паскалях: 1 Па = 1 Н/м².

Температурою тіла Т називається фізична величина, що побічно відбиває інтенсивність внутрішнього хаотичного або теплового руху атомів, іонів, молекул. Одиницею виміру температури в SI є кельвін (К). Якщо за нуль температурної шкали прийняти температуру, при якій припиняється хаотичний рух частинок (за винятком нульових коливань), то температура стану рівноваги між водою, її парою і льодом складе 273, 16 К точно. Температура по шкалі Цельсія складе при цьому 0 °C, a тиск 609 Па. При вимірі різниці температур один кельвін дорівнює одному градусу Цельсія.

Кількість речовини n виміряється в молях. Один моль дорівнює кількості речовини тіла, що містить стільки ж структурних елементів (атомів, молекул чи іонів, інших частинок), скільки міститься атомів у вуглеці - 12 масою 0, 012 кг, тобто N_A = 6, 02´ 10²³ частинок/моль (число Авогадро). Якщо тіло містить N молекул чи атомів, іонів, то кількість речовини в ньому дорівнює n  = N/N_A моль. Помножуючи N  i N_A на масу однієї молекули:   m =N m₀, M = N_A m₀ , можна одержати визначення числа молів n, приведене вище.

Параметри стану тиск, температура і густина речовини зв'язані між собою рівнянням стану тіла. Найпростішим є рівняння Клапейрона - Менделєєва для ідеального або дуже розрідженого газу малої густини.

Функції стану тіла - макроскопічні величини, які описують теплові властивості: внутрішня енергія U, ентропія S, е тальпія I=U+РV, вільна енергія Гельмгольца F=U-Ts і вільна енергія Гіббса G =I-TS. Ентропія вимірюється в Дж/К, інші - у Дж.

Термодинаміка ґрунтується на трьох експериментальних законах, які називаються принципами термодинаміки.

Всі функції стану тіла, які називаються також “термодинамічними потенціалами”, не відносяться до числа величин, які можна виміряти в досліді. Вони містять ентропію S і внутрішню енергію U, які визначають не лише тепловий стан тіла в даний момент часу t, але й спрямованість всіх довільних нерівноважних і необоротних процесів, шо протікають в ньому. Згідно з другим законом або принципом термодинаміки будь-які види вказаних процесів в ізольованій системі із сталим значенням U (система із сталою масою називається “замкненою”, а система, яка не обмінюється теплом з оточенням, – “адіабатичною”) здійснюються так, що загальна ентропія S збільшується і в кінцевій точці процесу – стані рівноваги – досягає максимального значення. Зростання ентропії відповідає збільшенню хаотичної (броунівської або невпорядкованої) складової руху молекул і тому S часто називають “мірою невпорядкованості” в системі частинок.

Стан рівноваги в термодинаміці визначається параметрами: Р – тиску, Т – температури і μ – хімічного потенціалу. Якщо вони однакові для всіх частин (підсистем) тіла, то в системі відсутні процеси переносу: маси і імпульсу речовини конвективним потоком (механічна рівновага), тепла тепловим потоком (термічна рівновага) і маси молекулярним потоком (хімічна рівновага). Ці три види рівноваги об’єднуються поняттям термодинамічної рівноваги. Порушення хоча б однієї з перелічених вище умов приводить до протікання нерівноважних процесів конвекції, теплопровідності і самодифузії ( в сумішах - дифузії), відповідно.

Згідно з першим законом або принципом термодинаміки всі нерівноважні процеси взаємодії системи з оточуючим середовищем взаємнопов’язані: кількість тепла Q, переданого тілу як замкненій системі, витрачається на виконання роботи А по зміненню об’єму V і на змінення внутрішньої енергії U:

                                                        Q = A + Δ U.                                           (8. 2)

На відміну від Q і A, які є функціями процесу передачі тепла і виконання роботи, змінення внутрішньої енергії Δ U = U₂  – U₁ залежить лише від кінцевого і початкового стану тіла. Гіббс запропонував записувати діференціальну форму першого начала у вигляді:

                                              TdS = pdV + dU,                                                    (8. 3)

де відмінність функцій процесу і функцій стану стає несуттєвою. Цей перехід дозволив побудувати систему диференціальних співвідношень рівноважної термодинаміки. Перші похідні термодинамічного потенціалу U(S, V) визначають рівноважні параметри системи:

                                                                    (8. 4)

які називаються також термодинамічними “полями”. Другі похідні характеризують реакцію системи на змінення зовнішніх умов і називаються “теплоємностями” C_V і “сприйнятливостями” K_S:

                                                                         (8. 5)

де фіксованою величиною при диференціюванні може бути не лише V і S, але й, наприклад, поля Р і Т, відповідно. Тоді теплоємність стає вже не ізохорною C_V, а ізобарною С_р, а сприйнятливість не адіабатичною K_S, а ізотермічною K_Т. Більш докладно метод визначення даних похідних, який спирається на експеримент, обговорюється в дальших лабораторних роботах.

Рівняння стану системи частинок зв’язує між собою лише виміряні в дослідах величини: f(p, V, T, m) = 0 і тому особливо важливо знати його аналітичний вигляд. Диференціювання і інтегрування такої залежності дозволяє одержати всю необхідну інформацію про рівноважні властивості даної речовини.

Усі тіла складаються з атомів, іонів, молекул. Молекули - це дрібні частинки даної хімічної речовини, що складаються з визначеного числа атомів одного, двох чи декількох елементів. Атоми, іони і молекули знаходяться в безперервному русі й взаємодії. Молекулярна фізика вивчає внутрішню будівлю тіл молекулярної структури (тобто газів і рідин), їхній внутрішній стан і процеси, що відбуваються в них, але інакше, чим термодинаміка - більш детально, на мікроскопічному рівні.

Молекулярні кристали, як і кристали інших типів - атомні, іонні, металеві, вивчає вже фізика твердого тіла.

Так як молекули, за винятком найбільш великих полімерних, неможливо спостерігати навіть за допомогою найсучасніших технічних засобів, то використовуються різні моделі тіл. Згідно з усіма моделями газ чи рідина - це сукупність величезного числа молекул, які або хаотично рухаються, або коливаються. Молекули представляються у вигляді або матеріальних точок, або пружних куль дуже малого діаметра, або гантелей, трикутників, тривимірних фігур із пружними кулями (атомами) у вершинах, або дуже складних квантово-механічних структур.

Основною задачею молекулярної фізики є встановлення зв'язків між параметрами і функціями стану й іншими макроскопічними величинами тіла або процесу, з одного боку, і усередненими значеннями параметрів самих молекул (маса, розміри, швидкість, енергія, концентрація), з іншого боку. Установлення цих зв'язків здійснюється в рамках тієї чи іншої моделі на підставі законів механіки, електродинаміки, квантової механіки, а також спеціально поставлених досвідів (броунівський рух, дифузія та ін. ).

Найпростішою термодинамічною системою (тілом) є ідеальний газ, уявлення про властивості якого можна одержати, вивчаючи властивості повітря, водню, гелію при умовах, близьких до нормальних атмосферних.

Закон Бойля - Маріотта для ізотермічного процесу в ідеальному газі полягає в наступному: для даної кількості газу при постійній температурі добуток тиску на об’єм є величина стала:

T = const, m = const,            (8. 6)

Закон Гей - Люссака для ізобаричного процесу в ідеальному газі говорить, що при постійному тиску об’єм даної кількості газу змінюється прямо пропорційно його температурі:

Р = const, m = const,                         (8. 7)

Закон Шарля є аналогом закону Гей - Люссака для ізохоричного процесу в ідеальному газі: при постійному об’ємі тиск даної кількості газу прямо пропорційний його температурі:

V = const, m = const,                         (8. 8)

Узагальнивши експериментальні газові закони, Клайперон і Менделєєв одержали рівняння стану ідеального газу – рівняння Клапейрона – Менделєєва:

                                           (8. 9)

де R = 8, 314 Дж/моль К – універсальна газова стала.

⇐ Предыдущая34353637383940414243Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: