Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 1493 dotazů
865) Vlastní polovodič a Fermiho hladina
18. 11. 2003
Dotaz: Dobrý deň, chcel by som sa spytat ako to je s Fermiho hladinov pri
polovodičoch. Pravdepodobnost obsadenia Fermiho hladiny je 0,5. Ak sa Fermiho
hladina nachádza v intrinzickom polovodiči niekde v strede zakázaného pásma,
ako može byt pravdepodobnost jej obsadenia 50%? (Igor)
Odpověď: Intrinsický (neboli vlastní) polovodič je polovodič bez příměsí a vlastních
defektů. Poloha Fermiho hladiny
Ef = -Eg/2+1/2kT ln(mh/me), kde Eg je šířka
zakázaného pásu a mh(me) je
efektivní hmotnost děr (elektronů).
Tato hladina má pravděpodobnost obsazení 1/2. Koncentrace např. elektronů
je však dána součinem pravděpodobnosti obsazení a hustoty stavů. V
zakázaném pásu je hustota stavů nulová.
Na Ef se může vyskytovat elektron, pokud existuje nějaká hladina, která
splývá s Ef.
Dotaz: Je v černé díře, tedy v onom zvláštním místě vesmíru (pokud skutečně existuje)
skutečně díra- otvor?Je-li, co je v tomto v tomto prostoru?Podle toho, co
jsem dosud četl, by gravitace v takovém místě spíše znamenala "absolutní"
koncentraci hmoty. Není tedy černá díra spíše černý bod?Děkuji za odpověď (Pavel Dombrovský)
Odpověď: Vysoká koncentrace hmoty v černé díře může vyvolat tak velké
zakřivení prostoročasu, že se jeho část jako by uzavře a oddělí od
zbytku, takže "zevnitř" nemůže žádný případný pozorovatel vyslat
signál, který by dosáhl vnějšího pozorovatele a zprostředkoval mu jakoukoli
zprávu. (Pohyb světelných fotonů rovněž podléhá vlivu gravitace.)
Nicméně obrácený směr pohybu hmoty možný je - černá díra je obklopena
horizontem, který se chová jako jednocestná membrána. Hmota padající
dovnitř končí v singularitě, kterou si vskutku lze v jistém pohledu
představit jako bod (i když ani to není přesné). V černé díře je však
tato singularita obklopena zmíněným horizontem, a ten představuje
hranici černé díry pro vnějšího pozorovatele.
Dotaz: V literatuře jsem našel okrajovou zmínku,že malá část vesmírných
objektů (cca 4%) vykazuje ve spektru nikoli rudý, ale modrý posuv, tedy se k
nám přibližuje. Jak se to vysvětluje? Nějaké lokální exploze?
(Václav Kadlec)
Jak je to se zakřivením časoprostoru v oblasti velmi hmotných těles, jako jsou
např. černé díry? Jak je to s rozpínáním vesmíru? Rozpíná se veškerý prostor,
tedy např. i prostor ohraničený hmotnou slunce, či planet?
(Jiří Holinka)
Odpověď: Gravitaci popisuje v klasické (nekvantové) fyzice Einsteinova obecná
teorie relativity. Podstatnou součástí této teorie je soustava rovnic,
která určuje, jak je časoprostor působením přítomné hmoty zakřiven, a
zároveň jakým způsobem se hmota v zakřiveném prostoročase pohybuje.
Řešení těchto rovnic je v obecnosti složité právě z důvodů jejich
vzájemného propojení: rozmístění těles i struktura polí (např.
elektromagnetického) určují zakřivení prostoročasu, toto zakřivení
zároveň určuje jejich pohyb a vývoj, atd atd.
V limitě velmi slabých gravitačních polí se problematika redukuje na
jednodušší Newtonovu teorii gravitace. Naopak v případě velmi silných
gravitačních polí je třeba použít úplnou Eisteinovu teorii. To je i
případ černých děr.
Z hlediska globálního (kosmologického) popisu vesmíru jsou černé díry
pouze místními, poměrně dobře ohraničenými objekty, podobně jako např.
hvězdy. Celkový pohyb všech kosmických těles je rovněž popsán
relativistickou teorií gravitace, nicméně není snadné říci, jak se
gravitace jednotlivých objektů kombinuje do výsledného gravitačního pole
celého vesmíru. V jistém "zprůměrovaném" popisu vesmíru (a rovněž ve
skutečných astronomických pozorováních) se ukazuje, že vesmír celkově
expanduje a vzdálenosti mezi tělesy se zvětšují. Toto zprůměrované
řešení ovšem není možné použít k popisu místních nerovnoměrností na
skalách jednotlivých kosmických těles, a ty tedy zmíněná kosmická
expanze neovlivňuje. Rovněž některé poměrně blízké galaxie se k naší
Galaxií přibližují, protože kosmologická expanze převládá až na skutečně
velkých, kosmologických měřítkách, a je tedy patrná až při sledování
pohybu vzdálených galaxií mimo naši místní skupinu.
Dotaz: Rád bych se dozvěděl správnou odpověď na následující otázku. Jakou sílu
vynakládam, když pomocí kladky zvedám nějaký předmět a jakou sílu vynakládám,
když pomocí kladky zvedám sám sebe? Děkuji! (Petr)
Odpověď: Pokud máte na mysli jednoduchou kladku, tak při zvedání tělesa si fyzikální
práci neulehčíte. Zvedáte celou tíhu tělesa, výhoda je jen ve směru, kterým
působíte - člověku se přece jen snáze tahá za provaz, než když má s kbelíkem
malty vyběhnout do třetího patra.
Stejné je to, pokud byste chtěl vytáhnout sám sebe.
Mohl byste se přivázat na jeden konec lana a tahat za ten volný (pokud to
budete zkoušet,
nepřivazujte se za nohy - mohl byste skončit v nemocnici s rozbitou hlavou).
Ale nebude to vůbec jednoduché - budete muset po laně vlastně šplhat,
tedy zvedat sám sebe. Ovšem mohlo by se to hodit například v extrémní situaci,
když spadnete do ledovcové trhliny, váš partner je sice technicky schopný,
ale ne moc silný. Trivální varianta, že vylezete po laně sám, je docela
nešikovná. Když vám ale partner nahoře naaranžuje kladku třeba na druhé lano,
tak sám sebe vytáhnete asi nejsnadněji a nejrychleji...
Pokud byste použil kladku volnou, případně kladkostroj, tak už si fyzickou
práci ušetříte. Fyzikálně je ovšem vykonaná práce stále stejně velká.
Taháte sice delší kus lana, ale díky tomu můžete působit menší silou.
U každé kladky je také důležité,
aby měla dostatečně velké tření. Prokluzování provazu by v tomto případě bylo
hodně nežádoucí.
Dotaz: Zajímalo by mě, jakým způsobem se v kovu přenáší el. proud, nechápu pojem
"vodivostní pás". Znamená to, že elektrony se pohybují jen z jednoho vodivostního
pásu do druhého, kde "vyrazí" další elektron, a to je přenos proudu? (Jana Šupíková)
Odpověď: Elektrický proud v kovech vedou elektrony, které se téměř volně pohybují v
mřížce atomů kmitajících kolem rovnovážných poloh. Tyto elektrony se
oddělily od atomů, které mají tím pádem kladný náboj a elektronům
znesnadňují pohyb. Kov má proto elektrický odpor. K tomu, aby tekl kovovým
drátem elektrický proud, musí se na jeho konce přiložit elektrické napětí.
Jak se s klesající teplotou zmenšují kmity atomů mřížky, klesá i elektrický
odpor. Neklesne na nulu, protože elektronům stojí v cestě i nečistoty,
nepravidelnosti a poruchy mřížky, které jsou vždycky přítomny. Tento zdroj
odporu na teplotě nezávisí a projeví se tedy v nízkých teplotách. Čím je
materiál čistší, tím lépe vede elektrický proud.
Toto je tedy klasický pohled na vedení proudu v kovech. Mnohé jevy v
mikrosvětě vysvětlíme však jen s pomoci kvantové teorie. Elektron si nelze
představovat jako přesně ohraničenou kuličku, popisuje se spíše vlnovou
funkc9 a vyskytuje se tam, kde má vlnová funkce velkou hustotu. Podle
kvantové teorie mohou mít elektrony v atomech jen určit0 hodnoty energie.
Fermiho statistika, kterou se elektrony řídí, dovoluje, aby se na jisté hladině
energie nacházely vždy jen dva elektrony a ještě s opačným vlastním
mechanickým a magnetickým momentem (spinem). Přiblíží-li se atomy k sobě tak
blízko, že vytvoří strukturu pevné látky, jejich energetické hladiny se
posunou a promísí tak, že vytvoří pás energií. Volně elektrony opouštějí
vlivem tepelné energie tento pás (nad tzv. Fermiho energií) a podílejí se na
vedení proudu. Pás, o kterém se zmiňujete, není tedy žádná jízdní dráha
nebo kanál, jimiž by elektrony proudily, nýbrž je to pás ve spektru energií.
Vznikne-li přiblížením některých druhů atomů (kondenzací) místo kovů
polovodič, je nad zmíněným valenčním pásem zakázaný pás energií, nad nímž se
nachází vodivostní pás, kam se musí nositelé náboje (elektrony nebo díry po
elektronech) dostat, aby mohly vést proud. Polovodič vede tedy tím lépe, čím
více nositelů náboje může přeskočit z valenčního pásu do vodivostního pásu.
Odpor polovodiče tedy s teplotou klesá.
Materiály, které mají široký zakázaný pás, přes který se elektrony už
nemohou dostat, se chová jako izolátor.
V krátkosti jsem mohl podat jen takovéto hrubé vysvětlení. Nahlédněte do
nějaké učebnice fyziky pevných látek. Dozvíte se tam i o takových
zvláštních vodičích, jako jsou supravodiče.
