Referat Electrostatica
Mai jos puteti citi fragmente din
Referat Electrostatica si de asemenea puteti face
Download Referat ElectrostaticaCiteste fragmente din Referat Electrostatica
Electrostatica
TOT CEEA CE ESTE NECESAR DE STIUT
DESPRE ELECTROSTATICA!!!
Introducerea...
Istoria catorva descoperiri si Aplicatiile electrostaticii:
-inventia pilei
-laserul si aplicatiile lui
-laserul cu semiconductori
-imprimanta laser
-fenomene naturale
-Filtre electrostatice
-Fotocopiatorul
-Generatorul van de Graaff
-Aplicatii tehnice ale electrostaticii
Introducere în electrostatica
ELECTRONUL CONSTITUENT UNIVERSAL AL SUBSTANTEI
Exista in natura o particula identificabila prin urmatoarele marimi
caracteristice invariabile:
me = 9,1091 * 10-31 kg
e = -1,6022 * 10-19 C
e/me = -1,7589 * 1011 C/kg
Aceste valori se obtin intotdeauna cand se efectueaza masuratori asupra
electronului. Astfel toti electronii sunt identici.Se cunosc astazi
nenumarate fenomene care dovedesc ca electronul este nelipsit din
constitutia substantei. Prezenta electronului se manifesta in toate
fenomenele electrice. El poate fi scos din substanta printr-un numar
mare de metode:
Electrizarea corpurilor, cunoscuta inca din antichitate, este un proces
prin care se transfera, prin frecare, electroni de la un corp la altul.
Acest proces poate sa electrizeze picaturile de ulei in timp ce este
privita la microscop. Poate fi folosit si pentru detectarea si masurarea
intensitatii luminoase.
Efectul termoelectronic consta in emisia de electroni din corpurile
incalzite la incandescenta. Fenomenul este prezent in toate becurile
electrice cu incandescenta si este utilizat in tuburile electronice din
aparatele de radio si T.V.
Radioactivitatea. Exista unele substante, denumite radioactive care emit
radiatii invizibile, dar capabile sa innegreasca hartia fotografica sau
sa ionizeze aerul prin care trece radiatia. S-a dovedit ca aceste
radiatii nu sunt omogene fiind compuse din asa-numitele radiatii a,b si
g. Cercetarile au dovedit ca radiatiile a sunt incarcate cu doua sarcini
electrice elementare pozitive si ca au masa atomica 4,ceea ce le
dezvaluie natura: ioni de heliu dublu ionizati. Radiatia ß este formata
din electroni rapizi. Radiatia g nu este deviata de campurile electrice
si magnetice; ea este neutra din punct de vedere electric si este de
natura electromagnetica (ca si lumina).
Inventia pilei
EXPERIENTELE LUI GALVANI
In 1970, Luigi Galvani (1737-1798) a facut o observatie imtamplatoare pe
care a publicat-o de-abia in 1791 in memoriul De viribus electricitatis
in motu musculari.
"Dupa ce am disecat si preparat o broasca, am pus-o pe o masa pe care se
gasea, la o oarecare distanta, o masina electrica. Din intamplare, unul
dintre asistentii mei a atins cu varful scalpelului nervul crural intern
al broastei: imediat muschii membrelor au fost agitati de convulsii
violente." Unui alt asistent "i s-a parut ca a observat in acelasi
moment cum din conductorul masinii a tasnit o scanteie. Eu eram ocupat
atunci cu altceva, dar cand mi s-a atras atentia asupra acestui fapt,
dorii mult sa incerc eu insumi experienta si sa-i descopar principalul
ascuns."
Deci Galvani si-a dat seama imediat ca fusese o descoperire importanta.
Descoperise un detector extrem de sensibil la curenti, sau la descarcari
electrice, al caror studiu era inca defectuos; acest detector urma sa-i
dezvaluie curand un mod de producere a electricitatii (in afara frecarii
si a influenteielectrostatice, cunoascute pe atunci). El s-a apucat
imediat sa varieze conditiile experimentale.
Intr-o zi bantuita de furtuna, el a constatat ca electricitatea
atmosferica putea produce aceleasi efecte ca si masina sa. Pe vreme
linistita nu a putut observa nici un fenomen, pana intr-o zi, cand, dupa
ce fixase in maduva spinarii unei broaste un carlig de cupru, a inchis
circuitul agatand carligul de un grilaj de fier: spasmele au aparut in
aceeasi clipa.
La inceput, Galvani a atribuit aceste efecte, destul de usor de
reprodus, variatiilor starii electrice a atmosferei "fiindca este destul
de usor ca atunci cand facem experiente sa ne inselam si sa ne inchipuim
ca vedem ceea ce dorim sa vedem."
"Am adus atunci animalul intr-o camera inchisa si l-am pus pe o placa de
fier. Cand am atins placa cu carligul de cupru fixat in maduva spinarii,
am observat aceleasi contractii spasmodice ca si mai inainte. Am
incercat si cu alte metale si am obtinut acelasi rezultat, mai mult sau
mai putin violent. Nu se producea nici un efect atunci cand se foloseau
materiale neconductoare. Acest fapt, destul de surprinzator, m-a facut
sa banuiesc ca electricitatea era inerenta animalului, banuiala care
mi-a fost confirmata cand am observat ca un fel de circuit nervos foarte
fin (asemanator cu circuitul electric al buteliei de Leyda) se inchide
intre nervi si muschi atunci cand se produc contractiile."
Galvani s-a preocupat toata viata lui de teoria electricitatii animale
si de comparatia cu butelia Leyda, nervul fiind armatura interna, iar
muschiul armatura externa.
INTERVENTIA LUI VOLTA
Pe vremea aceea, Alessandro Volta (1745-1827) era, inca din 1779,
profesor la Universitatea din Palvia. El descoperise in 1771
electroforul, prima masina electrica cu influenta - mai comoda din multe
puncte de vedere decat masinile cu frecare - care i-a dat posibilitatea
atat lui, cat si contemporanilor lui, sa faca numeroase experiente noi.
In 1781, Volta construise un electrometru sensibil cu fire de pai, care
nu era decat o perfectionare a unui aparat al lui Dufay si care a fost
transformat, la randul lui, in 1787, de Bennet, intr-un electrometru cu
foite de aur. In 1782, dupa ce a subtiat la extrem lama izolanta a
electroforului, transormand-o intr-un simplu strat de lac care acoperea
o placa metalica, Volta si-a realizat "condensatorul" sau. Cuvantul -
devenit clasic - ii aprtine lui, insa aparatul nu se deosebeste in
principiu de placa de sticla a lui Franklin. Cu ajutorul acestui
condensator asociat cu un electrometru, Volta urma sa puna mai tarziu in
evidenta, in fine, eudiometrul, cu ajutorul caruia s-a facut sinteza
apei prin scantei.
In 1792, Volta intelege importanta descoperirii lui Galvani, ii reface
experientele si ii accepta teoria. Precizand observatiile facute in 1754
de elvetianul Sulzer, el observa, in 1793, ca daca se pune limba intre
doua rondele metalice de natura diferita, legate printr-un fir metalic,
se simte o senzatie acida sau alcalina (dupa ordinea celor doua metale)
si ca senzatiile sunt aceleasi daca se pune limba pe un conductor care
comunica cu polul negativ sau pozitiv al unei masini electrice. Aceste
experiente foarte simple i-au permis sa schiteze o clasificare
"electrica" a metalelor.
Toate acestea l-au determinat ca la sfarsitul anului 1793 sa respinga
complet teoria "electricitatii animale" a lui Galvani. El demonstreaza
ca muschii broastei nu se contracta daca "arcul" care inchide circuitul
este construit dintr-un singur metal bine recopt.
PRIMA PILA ELECTRICA
Expresia cea mai clara a ideilor pe care le avea Volta, cu putin inainte
de inventarea pilei, o gasim intr-o scrisoare adresata lui Green, scrisa
in 1796:
"Atingerea diferitilor conductori, in special metalici..., pe care i-as
numi conductori uscati, sau de prima categorie, cu conductorii umezi,
sau de categoria a doua, provoaca fluidul electric si ii imprima un
anumit impuls, sau o anumita incitare. N-am posibilitatea sa explic
deocamdata cum de se-ntampla acest lucru, dar este de ajuns ca avem de-a
face cu un fapt, si inca un fapt general. Aceasta incitare - fie ea ca o
atractie, o repulsie sau un impuls oarecare - este variata si inegala
atat in raport cu diferenta dintre metale, cat si cu diferitii
conductori umezi... In felul acesta, ori de cate ori se asaza intr-un
sir complet de conductori fie un conductor de a doua categorie intre cei
doi conductori de categoria intai, diferiti intre ei, fie un conductor
din prima categorie intre doi conductori din a doua categorie de
asemenea diferiti intre ei, se stabileste - la dreapta sau la stanga,
dupa forta predominanta - un curent electric sau o circulatie a acestui
fluid, care nu inceteaza decat rupand sirul si care se restabileste
imediat, de fiecare dat cand sirul este refacut."
Principiul nu putea fi degajat mai limpede, insa efectele observate
continuau sa ramana reduse: muschii de broasca si senzatia gustului pe
limba erau deocamdata detectorii cei mai folositi. In acelasi an insa,
in 1796, Fabbroni din Florenta observa ca daca se scufunda in apa doua
lame din metale diferite care se ating intre ele, atunci una din ele -
zincul de exemplu - se oxideaza. El a inteles ca intre cele doua
fenomene, electric si chimic, trebuia sa existe o legatura.
La inceputul anului 1800, Volta si-a inventat pila. Intensitatea
fenomenelor observate devenea sperctaculoasa si urma sa atraga atentia
lumii intregi. Prima publicare a descoperirii sale a fost facuta intr-o
scrisoare adresata in martie 1800 lui Sir Joseph Bancks, presedintele
lui Royal Society. Se stie ca aparatul lui era o pila din perechi de
discuri zinc-cupru in contact direct, fiecare pereche fiind separata de
urmatoarea prin carton umed.
Laserul si Aplicatiile lui
Dispozitivul cu denumirea de LASER (obtinuta din reunirea imitialelor
cuvintelor Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation:
amplificare de lumina prin emisie simulata de radiatie) este sursa care
realizeaza emisia unei radiatii I.R. vizibile sau U.V. de cea mai mare
monocromaticitate posibila.
Sa consideram o multime de atomi de sisteme cuantice care pentru
simplificare, presupunem ca au doar doua nivele de energie. Toti atomii
fiind identici, au aceeasi distanta intre cele doua nivele de energie
(DE). Presupunem de asemenea pentru inceput ca toti atomii se gasesc in
stare fundamentala. Inexistenta atomilor pe starea superioara face ca la
o iradiere cu radiatia de rezonanata (perturbare) n=1/h*DE sa se
petreaca numai tranzitii de jos in sus. Rezulta o absorbtie de energie,
fasciculul ce strabate aceasta colectie de atomi va iesi atenuat. Daca
am presupune ca am reusit sa ducem toti (sau cel putin majoritatea
atomilor) pe nivelul superior, atunci radiatia incidenta, de frecventa
de rezonanta, va determina tranzitii stimulate, de sus in jos. Va
rezulta astfel un fascicul de radiatie mai intens decat cel incident.
Obtinem astfel un fenomen de amplificare a radiatiei.
Problema cheie este deci realizarea situatiei in care in starea
superioara sa se gaseasca un numar mai mare de atomi decat in starea
inferioara. Aceasta corespunde unei situatii de neechilibru si deci nu
poate sa persiste decat daca se consuma energie pentru mentinerea ei.
Procesul prin care se realizeaza aceasta situatie de neechilibru
(denumita si inversiune de populatie - inversiune a numarului de atomi,
dintr-un ansamblu de atomi identici, care se gasesc intr-o stare
determinata de energie) se numeste pompaj. Am putea compara procesul de
pompaj cu procesul chimic dintr-o pila electrica, care mentine o stare
de dezechilibru prin continua separare a purtatorilor de sarcina
electrica din interiorul ei.
Dezvoltand analogia, putem spune ca mentinerea unei tensiuni constante
la bornele pilei se realizeaza doar daca "viteza de separare" a
purtatorilor din pila este mai mare ca viteza de revenire a lor prin
circuitul exterior. La fel si aici, procesul de pompare va trebui sa fie
mult mai intens decat cel de dezexcitare. Aceasta conditie se poate
asigura daca unul dintre nivelele atomului (sa sistemului cuantic) este
un nivel metastabil, care in consecinta determina o dezexcitare mai
lenta (viata medie mai ridicata ca cea normala).
PRINCIPIUL DE FUNCTIONARE AL LASERULUI:
Orice corp iradiat va emite o putere mai mica decat puterea incidenta,
datorita pierderilor, care pana la urma, duc la incalzirea corpului. Sa
examinam insa cu mai multa atentie bilantul energetic al fenomenelor.
Sa presupunem ca trimitem asupra unui corp o radiatie electromagnetica
ai carei fotoni au energie h*n, egala cu diferenta dintre energiile E2
si E1 (E2>E1) a doua nivele. daca notam cu In numarul de fotoni
incidenti, de energie h*n, in unitatea de timp, atunci puterea radiatiei
incidente este Pinc.=In*h*n. O parte din acesti fotoni vor fi absorbiti
de atomii aflati pe nivelul inferior E1, provocand tranzitia acestora pe
nivelul E2. Desigur, numarul tranzitiilor E1-->E2 in unitatea de timp va
fi proportional cu numarul fotonilor incidenti In si cu numarul N1 de
atomi aflati in starea E1. Notand coeficentul de proportionalitate cu
B12, puterea absorbita (consumata pentru excitarea atomilor) este
Pinc.=B12*In*N1*h*n. O parte din atomii aflati in starea energetica E2
vor reveni spontan pe nivelul E1 fie radiativ, fie neradiativ. Pentru
simplificare, vom analiza numai dezexcitarile radiative. Fotonii emisi
cu aceasta ocazie au aceeasi energie h*n, iar numarul lor va fi evident
proprtional cu numarul N2 de atomi aflati pe nivelul enrgetic E2. Daca
vom nota cu A21 coeficientul de proportionalitate, atunci puterea emisa
de corp prin dezexcitarea spontana va fi Pinc.=A21*N2*h*n. Ea nu depinde
de intensitatea radiatiei incidente In. O alta parte din atomii de pe
nivelul E2 se vor dezexcita in urma actiunii fotonilor incidenti (emisie
stimulata). Luand tot numai cazul radiativ, numarul fotonilor astfel
formati va fi proprtional de asemenea cu N2, dar si cu numarul In al
fotonilor ce provoaca aceasta emisie stimulata. Notand cu B21
coeficientul de proportionalitate, puterea emisa prin tranzitii induse
va fi Pinc.=B21*In*N2*h*n. Marimile B12, A21, B21 se numesc coeficientii
lui Einstein si au, printre altele, proprietatea B21=B12.
Puterea emisa de sistemul iradiat este: Pemis.= Pinc. + Pspont.+ Pind.-
Pexcit.,
de unde Pemis.= Pinc.+ A21*N2*h*n+ B21*In*(N2 - N1)*h*n.
In cazul surselor obisnuite (corpuri incandescente, descarcari in gaze,
flacari etc.), cel mai important termen este cel corespunzator emisiei
spontane. Insa pentru a realiza o sursa in care puterea emisa sa fie mai
mare decat puterea incidenta, in primul rand trebuie ca ultimul termen -
singurul care ar putea aduce o contributie negativa la suma - sa fie
pozitiv adica N2>N1; cu alte cuvinte, este necesar in primul rand sa se
realizeze o inversiune a populatiilor intre cele doua nivele. In al
doilea rand, pentru a avea, practic, numai emisie stimulata sau, cu alte
cuvinte pentru ca emisia spontana sa fie neglijabila, trebuie ca
termenul A21*N2*h*n sa fie neglijabil fata de ultimul. Aceasta se poate
realiza marind considerabil internsitatea radiatiei incidente In.
Valoarea lui In pentru care se realizeaza conditia de mai sus se numeste
intensitate de prag. Ea se calculeaza pentru fiecare dispozitiv in
parte, iar in calculul ei intra si coeficientii de reflezie ai
suprafetelor. Asadar, daca folosim o anumita sursa de energie, realizam
inversiunea de populatie intre doua nivele energetice ale atomilor unui
mediu dat (care in acest caz se mai numeste si mediu activ), iar
intensitatea radiatiei incidente depaseste internsitatea de prag,
puterea radiata de mediu activ poate deveni mai mare decat puterea
incidenta si obtinem in acest fel un amplificator cuantic de radiatie
prin emisie stimulata (LASER). Daca in urma iradierii mediului activ cu
o radiatie de o anumita frecventa, el furnizeaza o radiatie laser de o
alta frecventa (in genral mai mica) insa de asemenea mult mai intensa,
dispozitivul se numeste generator cuantic de radiatie.
Scurt istoric. Introducere in problematica LASER.
Despre efectul LASER se cunosc deja foarte multe. Aceasta ramura a
stiintei s-a dezvoltat foarte mult de la inceputurile sale (1955-1965)
si pana in ziua de astazi. Desi bazele teoretice erau mai mult sau mai
putin stabilite, primii care reusesc sa concretizeze toate teoriile si
presupunerile au fost doi rusi si un american.
INCLUDEPICTURE d "p1.GIF" INCLUDEPICTURE d "p2.GIF"
INCLUDEPICTURE d "p3.GIF"
In ordine sunt prezentati Charles H. Townes (Massachusetts Institute of
Technology (MIT), Cambridge, MA, USA; nascut in 1915), Nicolay
Gennadiyevich Basov (Lebedev Institute for Physics Akademija Nauk
Moscow, USSR; nascut in 1922) si Aleksandr Mikhailovich Prokhorov
(Lebedev Institute for Physics Akademija Nauk Moscow, USSR; nascut in
1916). Cei trei au impartit premiul Nobel atribuit in 1964 pentru
"cercetarile fundamentale in domeniul electronicii cuantice care au
condus la construirea oscilatoarelor si a amplificatorilor bazati pe
principiul maser-laser".
Partea teoretica este usor de gasit in majoritatea manualelor,
cursurilor si compendiilor de fizica existente asa ca lucrarea de fata
nu se va concentra asupra acestui aspect. Principiul LASER consta in
faptul ca atomii elibereaza energie sub forma de fotoni atunci cand
parcurg tranzitia de pe un nivel de excitare metastabil spre un nivel de
echilibru. Aceasta tranzitie se face sub influenta unui factor
declansator si de aceea emisia de energie se numeste emisie stimulata
sau emisie indusa. Odata pornita reactia aceasta se propaga sub forma
piramidala astfel, un foton emis de un atom dezexcitat va declansa
reactia la altul, acesta la randul lui va emite un foton si il va
elibera si pe cel incident. Avem doi fotoni care se vor inmulti
exponential. Astfel se produce o amplificare a radiatiei luminoase.
Realizarea practica a dispozitivelor LASER. Tipuri de laser.
Partile constituente ale unui laser sunt : mediul activ, sistemul de
excitare si rezonatorul optic. Partea esentiala a unui dispozitiv laser
o constituie mediul activ, adica un mediu in care se gasesc atomii
aflati intr-o stare energetica superioara celei de echilibru. In acest
mediu activ se produce amplificarea radiatiei luminoase (daca avem o
radiatie luminoasa incidenta) sau chiar emisia si amplificarea radiatiei
luminoase (daca nu avem o radiatie luminoasa incidenta). Sistemul de
excitare este necesar pentru obtinerea de sisteme atomice cu mai multi
atomi intr-o stare energetica superioara. Exista mai multe moduri de a
realiza excitarea atomilor din mediul activ, in functie de natura
mediului. Rezonatorul optic este un sistem de lentile si oglinzi
necesare pentru prelucrarea optica a radiatiei emise. Desi la iesirea
din mediul activ razele laser sunt aproape perfect paralele rezonatorul
optic este folosit pentru colimarea mult mai precisa, pentru
concentrarea razelor intr-un punct calculat, pentru dispersia razelor
sau alte aplicatii necesare.
Dupa natura mediului activ deosebim mai multe tipuri de laser. Printre
acestea regasim laserul cu rubin, la care distingem bara de rubin tratat
drept mediul activ iar ansamblul sursa de lumina plus oglinzi poarta
rolul de sistem de excitare. Laserul cu gaz foloseste amestecuri de gaze
rare (He, Ne, Ar, Kr) sau CO2 drept mediu activ si o sursa de curent
electric legata la doi electrozi iau rolul de sistem de excitare.
LASER-ul cu semiconductori. Aprecieri teoretice.
Laserul cu semiconductori este constituit ca si celelalte tipuri de
laser tot pe sablonul mediu activ, sistem de excitare, rezonator optic.
In acest caz un amestec semiconductor este folosit ca mediu activ. Cel
mai adesea se folosesc combinatii de metale din aceleasi perioade ale
grupelor IIIa si Va. Dintre acestea semiconductorul cel mai folosit este
cel format din Galiu si Arsenic (GaAs). Alte medii active au fost
obtinute atat din amestecuri ale elementelor grupelor IIa si Via (Zinc
si Seleniu - ZnSe) cat si din amestecuri de trei sau patru elemente.
Ultimele doua sunt mai ades folosite pentru emisia unor radiatii mult
mai precise din punct de vedere al lungimii de unda. Sistemul de
excitare este constituit din doua straturi de semiconductori, unul de
tip p si unul de tip n. Pentru a intelege mai bine aceste doua notiuni
trebuie amintite cateva considerente teoretice cu privire la fizica
solidului, in special principiul semiconductorilor.
Semiconductorii sunt o clasa de materiale larg folosita in electronica
datorita posibilitatii controlului proprietatilor electrice.
Rezistivitatea electrica a unui semiconductor scade odata cu cresterea
temperaturii iar valoarea ei poate fi modificata in limite foarte largi
(10-2 - 108 W cm). Intr-un semiconductor foarte pur, conductibilitatea
electrica este data de electronii proprii, numita si conductibilitate
intrinseca, iar in cazul materialelor impurificate avem de-a face cu o
conductibilitate extrinseca. Conductibilitatea intrinseca poate fi
explicata pe scurt astfel. La 0K, electronii sunt asezati in legaturile
covalente formate intre atomii semiconductorului intrinsec. Odata cu
cresterea temperaturii unii electroni se rup din legaturi fiind liberi
sa circule in tot volumul cristalului. Se produce un fenomen de
ionizare, iar in locul electronului plecat ramane un gol. Imediat el se
ocupa cu un alt electron alaturat, golul se deplaseaza o pozitie. Daca
aplicam un camp electric in semiconductor, electronii liberi se vor
misca in sens invers campului, dar si golurile vor forma un curent
pozitiv de acelasi sens cu campul. Cel mai interesant fenomen il
reprezinta modificarea spectaculoasa a rezistivitatii electrice a
semiconductorilor prin impurificare. Astfel, daca din 105 atomi de
Siliciu unul este inlocuit cu un atom de Bor, rezistivitatea siliciului
scade, la temperatura camerei, de 1000 de ori !!! Impurificare
reprezinta o problema specifica si fundamentala a fizicii si tehnologiei
semiconductorilor. Daca impurificam Germaniul (grupa IVa, patru
electroni de valenta) cu un element din grupa a 5-a (cinci electroni de
valenta) vom obtine un amestec cu un electron de valenta liber. Aceasta
impuritate constituie un donor. Semiconductorul astfel impurificat este
de tip n, iar nivelul sau de energie este mai aproape de zona de
conductie. Daca impurificarea este facuta cu atomi din grupa a 3-a (trei
electroni de valenta), acesta se va integra in reteaua cristalina cu
doar trei legaturi covalente, ramanand, deci, un gol capabil de a
captura electroni in jurul atomului trivalent. Din aceasta cauza atomii
acestui tip de impuritati au primit numele de acceptori. Intr-un
semiconductor astfel impurificat vor predomina sarcinile pozitive, de
unde numele de semiconductor de tip p. Jonctiunile p - n sunt ansambluri
formate prin alipirea unui semiconductor de tip p cu unul de tip n .
Zona de separare, interfata, are marimi de ordinul 10-4 cm. La suprafata
semiconductorului n apare un surplus de electroni iar la suprafata
semiconductorului p un surplus de goluri. Astfel apare tendinta de
compensare a acestora prin difuzia electronilor de la un semiconductor
la celalalt.
Laserul cu semiconductori. Construire. Consideratii practice.
Revenind la laserul cu semiconductori, avand stabilita o baza teoretica
minimala putem trece la detalierea practica a principiilor enuntate
anterior.
INCLUDEPICTURE d "p4.GIF"
Laserul cu conductori este, de fapt, un sandwich format din 3 straturi
de semiconductori la care se adauga elementele sistemului de excitare.
La acest tip de laser energia necesara excitarii sistemului de atomi din
mediul activ cat si factorul declansator sunt date de curentul electric
care se aplica, conform figurii. Datorita faptului ca acest sandwich
corespunde modelului clasic de dioda, de aici incolo se va folosi si
termenul de dioda.
Randamentul unei astfel de diode este in jurul a 30% dar amplificarea
este destul de mare. Curentul necesar trebuie sa aiba o densitate de
cateva mii de amperi pe centimetru dar avand in vedere ca o dioda laser
are marimi foarte mici, curentul necesar este adesea sub 100mA. Pentru a
obtine rezultate satisfacatoare, in practica se folosesc mai multe
straturi decat se prezinta in figura. Cat priveste stratul activ,
lungimea lui nu depaseste 1 mm, iar grosimea sa este, in functie de
model, de la 200 pana la 10 nm. In general grosimea stratului activ
variaza intre 200 si 100 nm. Datorita faptului ca este atat de subtire,
fascicului emis este foarte divergent (pentru un laser) si astfel
laserul cu semiconductori se bazeaza foarte mult pe rezonatorul optic ce
trebuie ales cu mare grija si trebuie pozitionat foarte precis pentru a
obtine performante maximale. De obicei un sistem format din doua lentile
plan-convexe pozitionate cu fetele convexe una spre cealalta la anumite
distante calculabile este suficient pentru a obtine un fascicul destul
de bine colimat cu razele aproape perfect paralele.
Din desenul de mai sus se poate observa ca emisia laser se face in doua
directii. Acest fenomen este tratat in mod diferit in functie de
necesitati. Se poate crea o cavitate rezonanta prin pozitionarea unei
oglinzi perfecte si a uneia semitransparente, se poate folosi emisia
"din spate" pentru a masura proprietatile fasciculului principal, se
poate folosi aceeasi emisie din spate pentru a masura si controla
curentul ce trece prin dioda. Diodele laser sunt foarte sensibile la
curenti si de aceea controlul strict asupra acestora este absolut
necesar. Uneori este necesara doar o variatie mica a tensiunii sau a
puterii si dioda se va arde. INCLUDEPICTURE d "p5.GIF"
Diodele laser sunt poate, cele mai fragile dispozitive de emisie laser.
Faptul ca stratul activ are, de fapt, marimea unei bacterii este cel ce
sta la baza afirmatiei anterioare. Acest strat poate fi usor distrus
prin supunerea la curenti neadecvati, prin influente electrostatice,
prin incalzire excesiva. Stratul activ se poate autodistruge chiar si
fara prezenta vre-unuia din factorii enumerati mai sus. Simpla emisie a
luminii poate vaporiza acest strat minuscul daca lumina emisa este prea
puternica.
O dioda, desi minuscula, poate dezvolta puteri ale luminii de pana la
3-5 mW. Desi sunt mai rare si mult mai scumpe, diodele ce dezvolta zeci
de mii de mW exista si se gasesc in inscriptoarele de CD si in alte
instrumente si aparate de profil. In ceea ce priveste divergenta
fasciculului, in prezent, majoritatea pointerelor reusesc performanta de
a pastra divergenta la sub un mm la fiecare 5 metri. Spectrul de culori
acoperit de laserii cu semiconductori este in zona rosie 630-780 nm dar
nu este limitat numai aici.
Laseri verzi sau chiar albastri exista si sunt intens cercetati.
Problema este ca diodele de verde si albastru au o viata efemera (cele
mai performante ating doar cateva sute de ore) si functioneaza la
temperaturi scazute (apropiate de 0K). Fata de clasicul GaAs (care emite
in rosu-IR), pentru laserii albastri se prefera ZnSe si GaN. Primul a
fost exclus treptat din cercetari datorita rezistivitatii mari,
consumului mare de energie, randamentului mic si a multor altor factori
descoperiti experimental.
INCLUDEPICTURE d "p6.GIF"
Ultimele cercetari s-au concentrat pe GaN, iar de cand prof. Shuji
Nakamura a realizat primul montaj practic si fiabil pentru generarea
laserului albastru, cercetarile au luat amploare. Un fapt inedit, la
data realizarii diodei pentru laserul albastru, in 1993, Shuji Nakamura
nu avea nici macar un doctorat in buzunar, era doar un simplu cercetator
pierdut intr-un laborator al unei firme japoneze obscure. Recent, prof.
Nakamura s-a alaturat colectivului profesoral de la Colegiul de
Inginerie al Universitatii Californiene din Santa Barbara, SUA.
Revenind la laserii uzuali, trebuie mentionate si o serie de pericole ce
pot apare chiar si pe langa laserii cu semiconductori care sunt
cunoscuti a fi mai putin puternici. S-a calculat ca o dioda obisnuita
are o putere mult mai mare chiar si decat a soarelui la ecuator. Toate
amestecurile din stratul activ au o putere de emisie mult mai mare decat
a aceleiasi cantitati de suprafata solara. Diodele prezente pe piata fac
parte din clasele II si IIIa, ceea ce inseamna ca prezinta risc scazut
de vatamare la operarea conforma cu manualul si la expunerea fugara,
efemera a ochiului in raza laser. Totusi, trebuie avut in vedere ca
orice expunere indelungata produce vatamari punctiforme ale retinei si
nu este nevoie de efecte immediate pentru ca retina sa fie vatamata.
Regula numarul unu in lucrul cu laserii, nu se priveste direct in raza
laser chiar daca nu se simte nici o durere sau chiar daca raza este
palida. CULOAREA SI STRALUCIREA RAZELOR LASER NU AU NICI O LEGATURA CU
PUTEREA RADIATIEI. Aceste doua proprietati sunt date de lungimea de unda
a radiatiei care nu influenteaza in mod decisiv puterea laserului. Pot
exista laseri cu o culoare roz palida care sa fie mai nocivi decat cei
mai aprinsi si rosiatici laseri. Intre "laseristi" exista o gluma:
"Regula numarul unu in lucrul cu laserii: Nu te uita niciodata direct in
raza laser cu unicul ochi ramas intreg !".
Utilizarea laserilor cu semiconductori. Aspecte pozitive si negative ale
acestei tehnologii.
Diodele sunt larg raspandite. Faptul ca sunt ieftin de produs, usor de
folosit si foarte ieftin de folosit duce la producerea lor in masa si
includerea lor in cele mai multe aparate electronice ce au nevoie de
laseri.
Lecturatoarele de cd, fie ele CD-ROM-uri sau CD-playere, sunt toate
prevazute cu diode laser. Playerele DVD au, deasemenea, diode laser,
doar ca acestea emit fascicule mult mai fine. CD-Writer-ele si
CD-ReWriter-ele folosesc diode ce emit laseri apropiati de IR (800 nm)
si puteri de cativa W. Aceleasi diode, dar de puteri ceva mai mici, sunt
prezente si in imprimantele cu laser. Alte produse care folosesc laseri
emisi de diode sunt cititoarele de coduri de bare (Bar-Code Readers),
unele Scannere, Pointerele etc. Poate cel mai important folos, dupa
CD/DVD-playere, este cel adus in comunicatiile prin fibra optica. In
cadrul fiecarui emitator pe fibra optica se afla o dioda laser. Mai nou
s-a inceput folosirea diodelor si in medicina si in holografie. Diodele
nu sunt folosite in aplicatiile militare (Radar, ghidare rachete,
transmisiuni de date prin eter etc.), aplicatiile astronomice (distante
cosmice si determinari de compozitii), efectele speciale de anvergura si
holografia de mare intindere datorita puterii limitate relativ mici pe
care o dezvolta.
Concluzii.
Laserul cu semiconductori este o alternativa ieftina si fiabila la
laserii cu gaz. Marimile reduse, costurile mici de fabricatie si
utilizare cat si longevitatea lor confera diodelor atuuri importante in
"lupta" cu celelalte dispozitive de emisie laser. Singurele dezavantaje
fiind puterile relativ mici si fragilitatea, diodele sunt si vor fi
cercetate extensiv pentru a fi imbunatatite. Pentru noi este important
sa intelegem cum functioneaza un astfel de dispozitiv, la ce este
folosit si incotro se indreapta cercetarile pentru a ne familiariza inca
de pe acum cu acest tip de laser pe care il vom intalni din ce in ce mai
des in viata noastra de zi cu zi. Este important sa cunoastem pericolele
pe care le aduce cu sine o dioda laser precum si factorii care pot
perturba buna functionare a acesteia pentru a sti cum sa ne aparam si
cum sa o protejam.
Laserul cu semiconductori este un domeniu ale carui orizonturi abia acum
ni se deschid, cu un viitor sigur si cu implicatii puternice in viata de
zi cu zi.
Laserul cu semiconductori
Scurt istoric. Introducere in problematica LASER.
Despre efectul LASER se cunosc deja foarte multe. Aceasta ramura a
stiintei s-a dezvoltat foarte mult de la inceputurile sale (1955-1965)
si pana in ziua de astazi. Desi bazele teoretice erau mai mult sau mai
putin stabilite, primii care reusesc sa concretizeze toate teoriile si
presupunerile au fost doi rusi si un american.
In ordine sunt prezentati Charles H. Townes (Massachusetts Institute of
Technology (MIT), Cambridge, MA, USA; nascut in 1915), Nicolay
Gennadiyevich Basov (Lebedev Institute for Physics Akademija Nauk
Moscow, USSR; nascut in 1922) si Aleksandr Mikhailovich Prokhorov
(Lebedev Institute for Physics Akademija Nauk Moscow, USSR; nascut in
1916). Cei trei au impartit premiul Nobel atribuit in 1964 pentru
"cercetarile fundamentale in domeniul electronicii cuantice care au
condus la construirea oscilatoarelor si a amplificatorilor bazati pe
principiul maser-laser".
Partea teoretica este usor de gasit in majoritatea manualelor,
cursurilor si compendiilor de fizica existente asa ca lucrarea de fata
nu se va concentra asupra acestui aspect. Principiul LASER consta in
faptul ca atomii elibereaza energie sub forma de fotoni atunci cand
parcurg tranzitia de pe un nivel de excitare metastabil spre un nivel de
echilibru. Aceasta tranzitie se face sub influenta unui factor
declansator si de aceea emisia de energie se numeste emisie stimulata
sau emisie indusa. Odata pornita reactia aceasta se propaga sub forma
piramidala astfel, un foton emis de un atom dezexcitat va declansa
reactia la altul, acesta la randul lui va emite un foton si il va
elibera si pe cel incident. Avem doi fotoni care se vor inmulti
exponential. Astfel se produce o amplificare a radiatiei luminoase.
Realizarea practica a dispozitivelor LASER. Tipuri de laser.
Partile constituente ale unui laser sunt : mediul activ, sistemul de
excitare si rezonatorul optic. Partea esentiala a unui dispozitiv laser
o constituie mediul activ, adica un mediu in care se gasesc atomii
aflati intr-o stare energetica superioara celei de echilibru. In acest
mediu activ se produce amplificarea radiatiei luminoase (daca avem o
radiatie luminoasa incidenta) sau chiar emisia si amplificarea radiatiei
luminoase (daca nu avem o radiatie luminoasa incidenta). Sistemul de
excitare este necesar pentru obtinerea de sisteme atomice cu mai multi
atomi intr-o stare energetica superioara. Exista mai multe moduri de a
realiza excitarea atomilor din mediul activ, in functie de natura
mediului. Rezonatorul optic este un sistem de lentile si oglinzi
necesare pentru prelucrarea optica a radiatiei emise. Desi la iesirea
din mediul activ razele laser sunt aproape perfect paralele rezonatorul
optic este folosit pentru colimarea mult mai precisa, pentru
concentrarea razelor intr-un punct calculat, pentru dispersia razelor
sau alte aplicatii necesare.
Dupa natura mediului activ deosebim mai multe tipuri de laser. Printre
acestea regasim laserul cu rubin, la care distingem bara de rubin tratat
drept mediul activ iar ansamblul sursa de lumina plus oglinzi poarta
rolul de sistem de excitare. Laserul cu gaz foloseste amestecuri de gaze
rare (He, Ne, Ar, Kr) sau CO2 drept mediu activ si o sursa de curent
electric legata la doi electrozi iau rolul de sistem de excitare.
LASER-ul cu semiconductori. Aprecieri teoretice.
Laserul cu semiconductori este constituit ca si celelalte tipuri de
laser tot pe sablonul mediu activ, sistem de excitare, rezonator optic.
In acest caz un amestec semiconductor este folosit ca mediu activ. Cel
mai adesea se folosesc combinatii de metale din aceleasi perioade ale
grupelor IIIa si Va. Dintre acestea semiconductorul cel mai folosit este
cel format din Galiu si Arsenic (GaAs). Alte medii active au fost
obtinute atat din amestecuri ale elementelor grupelor IIa si Via (Zinc
si Seleniu - ZnSe) cat si din amestecuri de trei sau patru elemente.
Ultimele doua sunt mai ades folosite pentru emisia unor radiatii mult
mai precise din punct de vedere al lungimii de unda. Sistemul de
excitare este constituit din doua straturi de semiconductori, unul de
tip p si unul de tip n. Pentru a intelege mai bine aceste doua notiuni
trebuie amintite cateva considerente teoretice cu privire la fizica
solidului, in special principiul semiconductorilor.
Semiconductorii sunt o clasa de materiale larg folosita in electronica
datorita posibilitatii controlului proprietatilor electrice.
Rezistivitatea electrica a unui semiconductor scade odata cu cresterea
temperaturii iar valoarea ei poate fi modificata in limite foarte largi
(10-2 - 108 W cm). Intr-un semiconductor foarte pur, conductibilitatea
electrica este data de electronii proprii, numita si conductibilitate
intrinseca, iar in cazul materialelor impurificate avem de-a face cu o
conductibilitate extrinseca. Conductibilitatea intrinseca poate fi
explicata pe scurt astfel. La 0K, electronii sunt asezati in legaturile
covalente formate intre atomii semiconductorului intrinsec. Odata cu
cresterea temperaturii unii electroni se rup din legaturi fiind liberi
sa circule in tot volumul cristalului. Se produce un fenomen de
ionizare, iar in locul electronului plecat ramane un gol. Imediat el se
ocupa cu un alt electron alaturat, golul se deplaseaza o pozitie. Daca
aplicam un camp electric in semiconductor, electronii liberi se vor
misca in sens invers campului, dar si golurile vor forma un curent
pozitiv de acelasi sens cu campul. Cel mai interesant fenomen il
reprezinta modificarea spectaculoasa a rezistivitatii electrice a
semiconductorilor prin impurificare. Astfel, daca din 105 atomi de
Siliciu unul este inlocuit cu un atom de Bor, rezistivitatea siliciului
scade, la temperatura camerei, de 1000 de ori !!! Impurificare
reprezinta o problema specifica si fundamentala a fizicii si tehnologiei
semiconductorilor. Daca impurificam Germaniul (grupa IVa, patru
electroni de valenta) cu un element din grupa a 5-a (cinci electroni de
valenta) vom obtine un amestec cu un electron de valenta liber. Aceasta
impuritate constituie un donor. Semiconductorul astfel impurificat este
de tip n, iar nivelul sau de energie este mai aproape de zona de
conductie. Daca impurificarea este facuta cu atomi din grupa a 3-a (trei
electroni de valenta), acesta se va integra in reteaua cristalina cu
doar trei legaturi covalente, ramanand, deci, un gol capabil de a
captura electroni in jurul atomului trivalent. Din aceasta cauza atomii
acestui tip de impuritati au primit numele de acceptori. Intr-un
semiconductor astfel impurificat vor predomina sarcinile pozitive, de
unde numele de semiconductor de tip p. Jonctiunile p - n sunt ansambluri
formate prin alipirea unui semiconductor de tip p cu unul de tip n .
Zona de separare, interfata, are marimi de ordinul 10-4 cm. La suprafata
semiconductorului n apare un surplus de electroni iar la suprafata
semiconductorului p un surplus de goluri. Astfel apare tendinta de
compensare a acestora prin difuzia electronilor de la un semiconductor
la celalalt.
Laserul cu semiconductori. Construire. Consideratii practice.
Revenind la laserul cu semiconductori, avand stabilita o baza teoretica
minimala putem trece la detalierea practica a principiilor enuntate
anterior.
Laserul cu conductori este, de fapt, un sandwich format din 3 straturi
de semiconductori la care se adauga elementele sistemului de excitare.
La acest tip de laser energia necesara excitarii sistemului de atomi din
mediul activ cat si factorul declansator sunt date de curentul electric
care se aplica, conform figurii. Datorita faptului ca acest sandwich
corespunde modelului clasic de dioda, de aici incolo se va folosi si
termenul de dioda.
Randamentul unei astfel de diode este in jurul a 30% dar amplificarea
este destul de mare. Curentul necesar trebuie sa aiba o densitate de
cateva mii de amperi pe centimetru dar avand in vedere ca o dioda laser
are marimi foarte mici, curentul necesar este adesea sub 100mA. Pentru a
obtine rezultate satisfacatoare, in practica se folosesc mai multe
straturi decat se prezinta in figura. Cat priveste stratul activ,
lungimea lui nu depaseste 1 mm, iar grosimea sa este, in functie de
model, de la 200 pana la 10 nm. In general grosimea stratului activ
variaza intre 200 si 100 nm. Datorita faptului ca este atat de subtire,
fascicului emis este foarte divergent (pentru un laser) si astfel
laserul cu semiconductori se bazeaza foarte mult pe rezonatorul optic ce
trebuie ales cu mare grija si trebuie pozitionat foarte precis pentru a
obtine performante maximale. De obicei un sistem format din doua lentile
plan-convexe pozitionate cu fetele convexe una spre cealalta la anumite
distante calculabile este suficient pentru a obtine un fascicul destul
de bine colimat cu razele aproape perfect paralele.
Din desenul de mai sus se poate observa ca emisia laser se face in doua
directii. Acest fenomen este tratat in mod diferit in functie de
necesitati. Se poate crea o cavitate rezonanta prin pozitionarea unei
oglinzi perfecte si a uneia semitransparente, se poate folosi emisia
"din spate" pentru a masura proprietatile fasciculului principal, se
poate folosi aceeasi emisie din spate pentru a masura si controla
curentul ce trece prin dioda. Diodele laser sunt foarte sensibile la
curenti si de aceea controlul strict asupra acestora este absolut
necesar. Uneori este necesara doar o variatie mica a tensiunii sau a
puterii si dioda se va arde. Mai jos este un prezentat un montaj clasic
de dioda cu posibilitate de control a curentului:
Diodele laser sunt poate, cele mai fragile dispozitive de emisie laser.
Faptul ca stratul activ are, de fapt, marimea unei bacterii este cel ce
sta la baza afirmatiei anterioare. Acest strat poate fi usor distrus
prin supunerea la curenti neadecvati, prin influente electrostatice,
prin incalzire excesiva. Stratul activ se poate autodistruge chiar si
fara prezenta vre-unuia din factorii enumerati mai sus. Simpla emisie a
luminii poate vaporiza acest strat minuscul daca lumina emisa este prea
puternica.
O dioda, desi minuscula, poate dezvolta puteri ale luminii de pana la
3-5 mW. Desi sunt mai rare si mult mai scumpe, diodele ce dezvolta zeci
de mii de mW exista si se gasesc in inscriptoarele de CD si in alte
instrumente si aparate de profil. In ceea ce priveste divergenta
fasciculului, in prezent, majoritatea pointerelor reusesc performanta de
a pastra divergenta la sub un mm la fiecare 5 metri. Spectrul de culori
acoperit de laserii cu semiconductori este in zona rosie 630-780 nm dar
nu este limitat numai aici.
Laseri verzi sau chiar albastri exista si sunt intens cercetati.
Problema este ca diodele de verde si albastru au o viata efemera (cele
mai performante ating doar cateva sute de ore) si functioneaza la
temperaturi scazute (apropiate de 0K). Fata de clasicul GaAs (care emite
in rosu-IR), pentru laserii albastri se prefera ZnSe si GaN. Primul a
fost exclus treptat din cercetari datorita rezistivitatii mari,
consumului mare de energie, randamentului mic si a multor altor factori
descoperiti experimental.
Ultimele cercetari s-au concentrat pe GaN, iar de cand prof. Shuji
Nakamura a realizat primul montaj practic si fiabil pentru generarea
laserului albastru, cercetarile au luat amploare. Un fapt inedit, la
data realizarii diodei pentru laserul albastru, in 1993, Shuji Nakamura
nu avea nici macar un doctorat in buzunar, era doar un simplu cercetator
pierdut intr-un laborator al unei firme japoneze obscure. Recent, prof.
Nakamura s-a alaturat colectivului profesoral de la Colegiul de
Inginerie al Universitatii Californiene din Santa Barbara, SUA.
Revenind la laserii uzuali, trebuie mentionate si o serie de pericole ce
pot apare chiar si pe langa laserii cu semiconductori care sunt
cunoscuti a fi mai putin puternici. S-a calculat ca o dioda obisnuita
are o putere mult mai mare chiar si decat a soarelui la ecuator. Toate
amestecurile din stratul activ au o putere de emisie mult mai mare decat
a aceleiasi cantitati de suprafata solara. Diodele prezente pe piata fac
parte din clasele II si IIIa, ceea ce inseamna ca prezinta risc scazut
de vatamare la operarea conforma cu manualul si la expunerea fugara,
efemera a ochiului in raza laser. Totusi, trebuie avut in vedere ca
orice expunere indelungata produce vatamari punctiforme ale retinei si
nu este nevoie de efecte immediate pentru ca retina sa fie vatamata.
Regula numarul unu in lucrul cu laserii, nu se priveste direct in raza
laser chiar daca nu se simte nici o durere sau chiar daca raza este
palida. CULOAREA SI STRALUCIREA RAZELOR LASER NU AU NICI O LEGATURA CU
PUTEREA RADIATIEI. Aceste doua proprietati sunt date de lungimea de unda
a radiatiei care nu influenteaza in mod decisiv puterea laserului. Pot
exista laseri cu o culoare roz palida care sa fie mai nocivi decat cei
mai aprinsi si rosiatici laseri. Intre "laseristi" exista o gluma:
"Regula numarul unu in lucrul cu laserii: Nu te uita niciodata direct in
raza laser cu unicul ochi ramas intreg !".
Utilizarea laserilor cu semiconductori. Aspecte pozitive si negative ale
acestei tehnologii.
Diodele sunt larg raspandite. Faptul ca sunt ieftin de produs, usor de
folosit si foarte ieftin de folosit duce la producerea lor in masa si
includerea lor in cele mai multe aparate electronice ce au nevoie de
laseri.
Lecturatoarele de cd, fie ele CD-ROM-uri sau CD-playere, sunt toate
prevazute cu diode laser. Playerele DVD au, deasemenea, diode laser,
doar ca acestea emit fascicule mult mai fine. CD-Writer-ele si
CD-ReWriter-ele folosesc diode ce emit laseri apropiati de IR (800 nm)
si puteri de cativa W. Aceleasi diode, dar de puteri ceva mai mici, sunt
prezente si in imprimantele cu laser. Alte produse care folosesc laseri
emisi de diode sunt cititoarele de coduri de bare (Bar-Code Readers),
unele Scannere, Pointerele etc. Poate cel mai important folos, dupa
CD/DVD-playere, este cel adus in comunicatiile prin fibra optica. In
cadrul fiecarui emitator pe fibra optica se afla o dioda laser. Mai nou
s-a inceput folosirea diodelor si in medicina si in holografie. Diodele
nu sunt folosite in aplicatiile militare (Radar, ghidare rachete,
transmisiuni de date prin eter etc.), aplicatiile astronomice (distante
cosmice si determinari de compozitii), efectele speciale de anvergura si
holografia de mare intindere datorita puterii limitate relativ mici pe
care o dezvolta.
Concluzii.
Laserul cu semiconductori este o alternativa ieftina si fiabila la
laserii cu gaz. Marimile reduse, costurile mici de fabricatie si
utilizare cat si longevitatea lor confera diodelor atuuri importante in
"lupta" cu celelalte dispozitive de emisie laser. Singurele dezavantaje
fiind puterile relativ mici si fragilitatea, diodele sunt si vor fi
cercetate extensiv pentru a fi imbunatatite. Pentru noi este important
sa intelegem cum functioneaza un astfel de dispozitiv, la ce este
folosit si incotro se indreapta cercetarile pentru a ne familiariza inca
de pe acum cu acest tip de laser pe care il vom intalni din ce in ce mai
des in viata noastra de zi cu zi. Este important sa cunoastem pericolele
pe care le aduce cu sine o dioda laser precum si factorii care pot
perturba buna functionare a acesteia pentru a sti cum sa ne aparam si
cum sa o protejam.
Laserul cu semiconductori este un domeniu ale carui orizonturi abia acum
ni se deschid, cu un viitor sigur si cu implicatii puternice in viata de
zi cu zi.
Imprimanta laser
Termenul Inkjet printer e un termen foarte descriptiv al procesului
(aceste printere pun o imagine pe hartie folosind mici jeturi de
cerneala). Termenul Imprimanta laser si cum poate o raza laser sa scrie
litere sau sa deseneze imagini pe hartie nu este tocmai inteles de toata
lumea. Acesta este o explicatie a acestui fenomen:
Principiul de baza care lucreaza intr-o imprimanta laser este
electricitatea statica, aceeasi energie care face hainele in masina de
spalat sa stea lipite. Energia statica este o incarcatura electrica a
unui obiect cum ar fi un balon sau propriul corp. Deoarece atomii
incarcati cu sarcini diferite se atrag, obiectele cu energie statica
opusa se atrag. O imprimanta laser foloseste acest fenomen ca un fel de
lipici temporar. Componentul de baza al acestui sistem e fotoreceptorul,
care e de obicei un cilindru. Acest cilindru e facut din un material
foarte fotoconductor care e descarcat de fotoni de lumina.
Initial, clindrului ii este data o incarcatura pozitiva prin un fir prin
care trece curent electric. In timp ce cilindrul se invarte, imprimanta
scoate o raza mica de laser peste suprafata anumitor "puncte" ale foii.
In aceasta faza laserul deseneaza literele si imaginile care trebuiesc
printate ca o matrice de incarcaturi electrice (o imagine
electrostatica). Sistemul poate de asemenea lucra cu incarcaturile
inverse (adica o imagine pozitiv electrostatic pe un fundal negativ).
Dupa ce matricea este setata, imprimanta inveleste cilindrul cu toner
incarcat pozitiv (un praf fin si negru). De vreme ce are o incarcatura
pozitiva, tonerul se atrage de partile descarcate negativ ale
cilindrului, dar nu si de fundalul incarcat pozitiv. Seamana cu scrisul
pe o cutie de cola cu lipici si apoi rostogolind-o prin faina. Faina
doar se lipeste pe partile cu lipici.
Cu matricea setata, cilindrul se rostogoleste pe o foaie de hartie, care
se misca de-a lungul "drumului". Inainte ca hartia sa ajunga sub
cilindru ii este data o incarcatura negativa de la firul de transfer.
Aceasta incarcatura este mai puternica decat incarcatura negativa a
imaginii electrostatice, asa ca hartia poate sa "traga " praful de
toner. Deoarece se misca la aceasi viteza ca cilindrul, hartia ia exact
matricea imaginii, ca sa nu se lipeasca hartia de cilindru este
descarcata de catre firul de descarcare imediat ce ia tonerul.
In final, imprimanta transmite hartia prin "fuser" care topeste tonerul,
acesta intrand in fibrele hartiei. Dupa cest pas hartia este data afara,
fiind gata printata.
Trasnetul, fulgerul si tunetul
Trasnetul, fulgerul si tunetul care insotesc furtunile si care au
ingrozit pe oameni multe secole isi gasesc explicatia stiintifica in
existenta electricitatii in atmosfera.
Trasnetul este o descarcare electrica in scanteie care se produce in
atmosfera terestra, fie intre doi nori, fie intre un nor si pamant.Norii
de furtuna se incarca in partea lor inferioara, in special, cu sarcina
negativa, iar aceasta incarca prin influenta suprafata pamantului cu
sarcina pozitiva.Cand norul se deplaseaza, zona de sarcina pozitiva de
pe pamant il urmareste ca o umbra.Norul si pamantul pot fi considerati
drept armaturile unui condensator intre care tensiunea electrica atinge
valori de ordinul zecilor si chiar al sutelor de milioane de volti. Daca
tensiunea dintre doi nori sau dintre nori si pamant devine suficient de
mare apare o descarcare electrica foarete puternica numita
trasnet.Exista multe forme (tipuri) de trasnete: trasnetul liniar,
superficial, globular, perlat, etc…
Fenomenul luminos care insoteste trasnetul se numeste fulger, iar
fenomenul acustic poarta denumirea de tunet.
Lungimile pe care le pot atinge scanteile trasnetului sunt cuprinse
intre cateva sute de metrii si cativa km. Diametrul scanteilor este de
cativa centimetri (pana la 20 de cm).
In majoritatea cazurilor, scanteia trasnetului, la inceput foarte mica
si anemica incepe in dreptul norilor si se alungeste in directia
pamantului, aceasta fiind o descarcare preliminara care creaza in aer
ceva in genul unui canal bun conducator de electricitate si care se
deplaseaza spre pamant circa 50 de m cu o viteza egala cu 50000
kms.Dupa un timp foarte scurt (zeci de milionimi de secunda) de la
disparitia primei descarcari apare o alta descarcare preliminara care se
apropie si mai mult de pamant si care se intrerupe din nou.Uneori au loc
zeci de descarcari preliminare.Dupa ce descarcarea preliminara ajunge la
pamant sau la un obiect aflat in legatura electrica cu pamantul, apare o
luminozitate foarte puternica a canalului parcurs de scanteie, mai intai
in dreptul pamantului apoi din ce in ce mai sus spre nori. Acum a aparut
descarcarea principala a trasnetului, care se deplaseaza de la pamant
spre nor. Deci au dreptate atat cei care sustin ca trasnetul il loveste
pe om de sus, cat si cei care afirma ca il loveste de jos, din pamant.
In canalul trasnetului aerul este complet ionizat, substanta fiind aici
sub forma de plasma.Datorita degajarii unei mari cantitati de energie
intr-un interval de timp foarte scurt, in canalul subtire de plasma are
loc un salt brusc al presiunii care produce unde de soc acustice
(tunetul). Fenomenul lumimos care insoteste descarcarea se numeste
fulger.
Spectaculuase sunt fulgerele globulare de diverse forme si diametre
cuprinse intre cativa decimetri si zeci de metri si care se deplaseaza
in aer cu viteze relativ mici, asezandu-se uneori pe diferite obiecte,
iar durata lor e cuprinsa intre cateva fractiuni de secunda si cateva
minute.Stingerea lor este de obicei brusca, explosiva, putand produce
deteriorari insemnate ale obiectelor din regiunea respectiva.
Fulgerul al carui canal luminos nu este continuu ci fragmentat intr-o
serie de formatiuni mici sferice luminoase, ce par insirate pe un fir,
se numeste fulger perlat. El este considerat o forma de tranzitie intre
fulgerul obisnuit si cel globular.
Statisticile arata ca in fiecare minut globul pamantesc este lovit de
aproximativ 1800 trasnete, ceea ce inseamna ca annual cad aproximativ un
miliard de trasnete. In fiecare zi tarsnetul omoara, pe intreg globul,
20 de persoane si raneste 80.
Impotriva efectelor produse de loviturile directe ale trasnetelor se
folosesc instalatii de protectie numite paratrasnete.Paratrasnetul este
format din unul sau mai multe elemente de captare (conductoare electrice
de otel sau de cupru in forma de tije verticale sau de bare inclinate
sau orizontale) instalate pe partile cele mai inalte ale obiectivelor
protejate, precum din unul sau mai multe conductoare de coborare (prin
care trece spre pamant curentul electric de descarcare a trasnetului) si
prizele de pamant.
Filtre Electrostatice
Dezvoltarea industriala acceletrata a societatii omenesti a condus la o
poluare accestuatat a mediului inconjurator: aer, apa, sol. De exemplu,
deja in anul 1968, noxele (CO, SO2, NO2, pulberi, hidrocarburi)
eliberate in atmosfera, provenind din activitati industriala, din
producerea energiei si din transporturi, erau estimate, numai in SUA, la
circa 177 milioane tone/an. S-au adoptat masuri legislative care impun
agentilor economici sa utilizeze dispozitive adecvate pentru a diminua
cat mai mult posibil poluarea atmosferei prin activitatile industriale
desfasurate. Ca urmare, au fost dezvoltate diferite procedee pentru
epurarea gazelor:
- precipitarea prafurilor si a "ceturilor" cu ajutorul campului electric
in electrofiltre;
- desprafuirea gazelor prin trecerea lor prin straturi absorbante;
- desprafuirea gazelor in instalatii de spalare;
- centrifugarea gazelor cu impuritati sub forma de praf.
Dintre aceste procedee desprafuirea electrostatica este cea mai
performanta tehnica de captare a suspensiilor aflate in prafurile si
gazele industriale rezultate din diverse procese tehnologice. Aceasta
metoda numita si precipitare electrostatica, a fost inventata in anul
1905 de chimistul americam Frederick G. Cottrell (1877-1948).
Dispozitivul utilizat in aceasta tehnica este numit filtru electrostatic
sau electrofiltru.
Electrolitul are o camera de precipitare de forma prismatica sau
cilindrica, terminata la partea inferioara cu un buncar pentru
colectarea particulelor depuse pe electrodul colector. Camera de
precipitare este prevazuta cu un sistem de admisie a gazului
impurificator care, dupa trecerea prin campul electric dintre electrodul
de inalta tensiune si electrodul colector, este curatat de impuritati si
eliberat in atmosfera printr-un sistem de evacuare. Cei doi electrozi
sunt legati la o sursa de inalta tensiune. Intre ei se genereaza un camp
electric. Deoarece electrodul de inalta tensiune este foarte subtire
(are diametrul cuprins intre 1 si 8 milimetri), campul electric este
neuniform radial, liniile de camp sunt mai dense in vecinatatea firului
unde, prin urmare, si intensitatea campului este mai mare.
Electronii liberi din gaz sunt accelerati foarte puternic radial si
produc, prin ciocniri, alti electroni si ioni pozitivi si negativi.
Ionii pozitivi sunt atrasi de elctrodul central filiform si produc, prin
bombardarea acestuia, noi electroni. Se genereaza astfel o descarcare
electrica numita descarcare corona. Ea se manifesta sub forma unei teci
luminoase foarte subtiri, in jurul firului central, presarata de puncte
stalucitoare foarte apropiate intre ele. Aparitia ionilor pozitivi si
negativi in zona de descarcare electrica face ca particulele care
impurifica gazul sa se incarce electric in timpi foarte mici (<0,1
secunde) deoarece intr-un cm3 din zona de descarcare sunt circa 10 la a
9-a ioni negativi. Particulele de impuritati incarcate electric sunt
apoi antrenate de campul electric spre electrodul de colectare unde se
depune. Ele se neutralizeaza electric la contactul cu peretele si cad,
sub actiunea greutatii, in buncarul din partea inferioara a camerei de
precipitare. Un astfel de filtru electrostatic Cottrell poate ajunge la
o eficienta de pana la 99%. Trebuie insa sa precizam ca el permite numai
curatarea aerului de impuritati prezente sub forma unor mici particule
solide (praf). Purificarea aerului de noxe gazoase (de exemplu, SO2) nu
se poate realiza pe calea precipitarii electrostatice. Pentru aceasta
sunt necesare metode mai complicate si, in general, mai costisitoare.
Fotocopiatorul
Fotocopiatoarele sunt dispozitive de reproducere a documentelor prin
folosirea unui procedeu electrostatic. Procesul de fotocopiere are mai
multe etape.
Prima etapa consta in incarcarea cu sarcina electrica pozitiva, a unei
placi (sau a unui tambur) acoperita cu un strat de material
fotoconductor, cum este, de exemplu, seleniu. Materialul fotoconductor
este un conductor de electricitate de circa 10000 de ori mai bun atunci
cand este este luminat decat atunci cand este in intuneric. Incarcarea
cu sarcini electrice se face printr-o descarcare de tip corona, folosind
un dispozitiv numit cotron.
A doua etapa, expunerea, consta in proiectarea imaginii documentului de
copiat pe stratul conductor. Zonele intunecate nefiind bune conductoare
electric raman incarcate cu sarcini pozitive. Zonele iluminate devin
bune conductoare. Placa fiind legata la pamant, sarcini negative vin din
sol si trec, prin placa, in zonele iluminate din stratul fotoconductor
pana la compensarea tuturor sarcinilor pozitive din aceste zone.
A treia operatie, revelarea, consta in depunerea pe placa a unei pudre
(numita toner), incarcata cu sarcini negative. Zonele intunecate, ramase
incarcate cu sarcini pozitive, atrag tonerul incarcat negativ care se
depune pe stratul fotoconductor numai in aceste zone.
A patra operatie, transerul imaginii, consta in asezarea unei hartii
albe, incarcata electric pozitiv in prealabil, peste stratul
fotoconductor. Pudra paraseste placa fiind atrasa electric de hartie.
A cincea operatie, fixarea, consta in incalzirea hartiei incarcate cu
pudra. Prin incalzire, pudra se topeste si se fixeaza de hartie. Asa se
explica faptul ca hartia iese din fotocopiator calda si inca
electrizata.
Ulterior, stratul fotoconductor este sters de o perie si procesul poate
fi reluat.
Generatorul van de Graaff
Generatoarele electrostatice transforma energia mecanica in energie
electrica. Unul dintre cele mai cunoscute este generatorul Van de
Graaff. El a fost inventat in 1931 de fizicianul american Robert Van de
Graaff.
Daca se auce in contact o sfera incarcata electric cu suprafata
interioara a unei emisfere, sarcinile electrice trec pe emisfera si se
distribuie pe suprafata exterioara a emisferei. Repetand procedura se
poate aduce pe suprafata exterioara a emisferei o noua sarcina, s.a.m.d.
Generatorul Van de Graaff se bazeaza chiar pe faptul ca sarcinile
electrice se plaseaza,la echilibru electrostatic, pe suprafata
exterioara a unui conductor si ca, in consecinta, campul electric in
interiorul conductorului este nul.
Principiul de functionare al unui astfel de generator este urmatoarea:
Ionizatorul de depunere este adus la un potential ridicat fata de rola
inferioara, ceea ce provoaca ionizarea gazului dintre varful
ionizatorului si o banda izolatoare, avand forma unei curele fara
sfarzit. Banda izolatoare este antrenata mecanic de un sistem de role.
Incarcata electric ea paraseste varful ionizatorului de depunere si
transporta ionii spre electrodul de inalta tensiune impotriva fortelor
campului electric. Sarcinii electrice, aduse in dreptul ionizatorului de
culegere, provoaca ionizarea gazului dinspre banda si ionizatorului de
culegere si trec, prin intermediul acestuia, pe electrodul de inalta
tensiune. Folosind un astfel de generator a fost posibila incarcarea
electrodului de inalta tensiune pana la un potential de ordinul a 25
milioane de volti.
Astfel de generatoare au multiple utilizari. Ele sunt folosite, de
exemplu, in laboratoare de cercetare la acceleratoare de particul
folosite in fizica energiilor inalte sau pentru microscopie electronica,
in tratamentul cancerului etc.
Aplicatii Tehnice ale Electrostaticii
Electrostatica are o multitudine de aplicatii tehnice de mare succes.
Dintre acestea, urmatoarele sunt cele mai semnificative:
Vopsirea electrostatica are la baza urmatorul principiu. particulele de
vopsea, email sau pulbere, se incarca electric prin influenta sau prin
ionizare, folosind o sursa de inalta tensiune. Aceeasi sursa este
folosita si pentru a crea un camp electric intre pistolul de vopsire si
obiectul de vopsit. Particulele de vopsea se misca in lungul liniilor de
camp, care ajung atat pe suprafata obiectului din fata pistolului cat
si, in buna masura, in spatele obiectului, ceea ce asigura o excelenta
acoperire cu vopsea.
Procedeul are o serie intreaga de avantaje: este rapid, asigura o buna
calitate a vopsirii, reduce pierderile de vopsea etc. De aceea
utilizarea acestui procedeu s-a extins foarte rapid, inclusiv la noi in
tara. In SUA, deja in 1970, consumul de vopsele utilizate prin acest
procedeu era de circa 1 280 000 tone.Aceasta tehnica poate fi folosita
nu numai la vopsire, ci si la emailarea unor produse metalice sau la
acoperirea unor suprafete metalice cu pulberi izolante (pudrare
electrostatica).
O alta aplicatie care merita a fi mentionata este sortarea semintelor
(de mazare, fasole, cereale) pe cale elctrostatica, in functie de
culoare, pentru separarea lor de particulele straine (pietricele, aschii
de lemn etc) a caror culoare este diferita.
De asemenea, depunerea electrostatica a insecticidelor pentru tratarea
plantelor. Metodele conventionale de stropire cu solutii lichide
folosesc mari cantitati de apa (pana la 95% din masa solutiei).
Indiferent daca sistemul de stropire este motat pe tractor sau pe avion,
metoda clasica presupune transportul unor mari cantitati de apa (aproape
100 litri la 1 kilogram de insecticid). De aceea, metoda este
costisitoare si are o productivitate redusa. Procedeul electrostatic de
depunere a insecticidelor are mai multe avantaje:
-> plantele au o anumita conductivitate electrica si, fiind legate la
pamant, toate particulele ionizate de insecticid se depun pe plante si,
in consecinta, pierderile sunt minime;
-> datorita distributiei liniilor de camp, substanta pulverizata se
depune pe ambele fete ale frunzelor;
-> la impactul cu suprafata de contact (suprafata frunzei, de exemplu)
particulele de insecticid nu mai ricoseaza, ceea ce conduce la
diminuarea pierderilor.
ì¥Â`
