Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 1493 dotazů
423) Použití polovodičů v kosmu
01. 03. 2007
Dotaz: Dobrý den! Při rozhovoru o supravodivosti jsem nedávno svému synovi nedokázal
odpovědět na tyto tři dotazy: Velkým nepřítelem polovodičů je zvýšená teplota.
Proto se polovodičové součástky běžně opatřují různými chladiči, které mají
teplo, vznikající průchodem proudu součástkou, rozptýlit do okolí. Někteří
kutilové si prý pořizují pro své procesory v počítačích chlazení vodou a dokonce
i kapalným dusíkem... Otázky tedy zní: 1.) jak se bude chovat polovodič na bázi
křemíku (tranzistor, mikroprocesor), který bude pracovat v kosmu, když bude
ochlazen na teplotu 2,7 K ? 2.) nedojde k supravodivosti a následnému zkratu,
(úplnému otevření všech PN přechodů)? 3.) na jakou mezní teplotu mohu
(teoreticky)polovodiče zchladit, aniž by ztratily svou funkčnost, danou
principem PN přechodu? Samozřejmě, existují datasheety, ve kterých je rozsah
provozních i skladovacích teplot výrobcem definován. Polovodiče navíc pracují v
souborech s jinými součástkami a zdroji energie, které takové snížení teploty
též nemusí snést... Jedná se tedy o čistě teoretické pracovní podmínky. Děkuji
za Váš čas a zájem, Štěpnička. (Vladimír Štěpnička)
Odpověď: K odpovědi na tyto otázky je třeba si uvědomit, co způsobuje vedení proudu v polovodičích anebo v supravodičích. K tomu, aby se mohly nositele náboje (elektrony nebo díry) podílet na vedení proudu v polovodiči, musejí překonat energetickou bariéru - zakázány pas. Čím vyšší teplotu má polovodič, tím větší množství nositelů nábojů se dostane do vodivostniho pasu. Toto množství se mění s teplotou exponenciálně. Rostoucí proud pak zahřívá polovodič a mohlo by dojít k jeho zničení. V nízkých teplotách naopak odpor polovodiče výrazně roste. Toho se dá využít k měření teploty. Takový monokrystal germania s odporem několika ohmů za pokojové teploty má pod teplotou kapalného hélia (4,2 K) odpor desítek i stovek kiloohmu v závislosti na stupni dopování. Většina polovodičových prvků již není schopna pracovat při teplotě kapalného dusíku (77 K). Pro účely nízkošumového zesílení jsou vyvíjený tranzistory schopné pracovat v nízkých teplotách, v nich se však p-n přechody udržují na stabilizované vyšší teplotě procházejícím proudem. Pro tyto účely jsou vhodnější jiné polovodiče než křemík, zejména GaAs, pak pracují i při 4 K. Kosmické pozadí má sice teplotu asi 2,7 K, teplota předmětů v kosmu je určena zejména absorpci záření a bývá mnohem vyšší než tato nejmenší teplota reliktního záření. Také se procházejícím proudem tepelně stabilizují. Tento problém je tedy na kosmických aparaturách vyřešen. Supravodiče vedou proud (bez odporu) jiným mechanismem. Elektrony se v supravodiči pohybují po párech korelované (s opačným momentem a opačným magnetickým momentem - spinem), takže na ně mřížka zbytku atomů nepůsobí. Tento jev nastává hlavně v kovech a slitinách (nemagnetických) pod určitou kritickou teplotou. Existuje sice supravodivost i v nekovech (oxidech, organických látkách, fullerenech, MgB a dalších), ty však nemají polovodičový charakter vodivosti. Tedy situaci, kdy se v polovodiči projeví supravodivost, si dovolím vyloučit. Závazným problémem je však poškození elektronických součástek záchytem částic kosmického záření, které může může mít negativní vliv na jejich parametry.
Dotaz: Chtěl bych vědět jakou rychlostí (v km/h popř. v m/s) se šíří všechny druhy vln.
Vím jen, že zvuk se šíří něco kolem 340 m/s, ale co ty ostatní např. rádiové
vlny, signál mobilních telefonů.. Je pravda, že se některé vlny šíří rychlostí
světla? Jestli ano, tak které a jak je to možné? Zvukové vlny jsou jediné, které
lze slyšet? Jak mám vlastně chápat pojmy zvuk, rádiová vlna, frekvence,
frekvenční pásmo, signál. Jaký je mezi tím vším rozdíl? Chtěl bych se v tom
aspoň trochu orientovat.. (Roman Klimeš)
Odpověď: Šíření vln obecně závisí na jejich typu a na prostředí, ve kterém se šíří. Zvuk se ve vzduchu šíří skutečně rychlostí okolo 340 m/s, ve vodě pak okolo 1 500 m/s. Ve vakuu se zvuk nešíří (zvuk je v podstatě periodické nepatrné zřeďování a zhušťování média, jímž se šíří... a to ve vakuu dost dobře nejde, neboť se zde nemá co zřeďovat a zhušťovat).
Rádiové vlny, signál mobilních telefonů, světlo, tepelné sálání, UV záření a mnoho dalšího jsou různé formy elektromagnetického vlnění (periodické kmitání intenzity elektrického a magnetického pole). To se vakuem šíří rychlostí světla (c =299 792 458 m/s), ve vzduchu nepatrně pomaleji, ve vodě pak zhruba dvoutřetinovou rychlostí c.
Frekvence je údaj, kolikrát za sekundu stačí dané vlnění kmitnout (u zvuku kolikrát dojde ke zředění a zhuštění hmoty). U slyšitelného zvuku to bývají stovky až tisíce kmitů (zředění) za sekundu. U viditelného světla to bývá 300 biliónů kmitnutí intenzity elektrického a magnetického pole. Rádiové vlny, signál GSM a tepelné záření mají tuto frekvenci nižší než viditelné světlo, UV záření a třeba rentgenové záření ji mají výšší.
Dotaz: Vždycky jsem měl zato, že beztížný stav na oběžné dráze je způsoben prostě
velkou vzdáleností od Země. Ale tak to prý není. V jaké vzdálenosti od zeměkoule
začíná opravdový beztížný stav, kam už gravitace Země nedosahuje? Díky. (Jiří Panschab)
Odpověď: Beztížný stav na oběžné dráze skutečně není způsoben tím, že by sem již nedosahovala gravitace. Gravitační působení Země přece drží např. Měsíc na jeho dráze okolo Země - a to je jistě dále, než oběžná dráha většiny (umělých) družic. Na druhou stranu stav bez tíže můžete pocítit i u povrchu Země, například v padajícím výtahu. Jak to tedy je? Těleso je v beztížném stavu, pokud nepůsobí svou tíhou na ostatní tělesa. Bývá to tehdy, když tíhová (resp. gravitační) síla je kompenzována nějakou jinou silou (nemající původ v jiných tělesech) opačného směru. V utrženém padajícím výtahu je touto silou setrvačnost, na oběžné dráze se zase uplatní odstředivá síla kruhového pohybu družice okolo Země.
Podívejme se ještě na dosah gravitační síly. Matematicky vzato dosáhne gravitace libovolně daleko neboli je všude. Různě daleko od gravitujícího tělesa (libovolné hmotné těleso, zvolme za příklad třeba Zemi) je však gravitační síla různě silná, čím dále od tělesa, tím slabší - klesá přitom dost rychle (s druhou mocninou vzdálenosti). Pro představu si naznačme, jak velkou gravitační silou bude Země přitahovat člověka o hmotnosti 80 kg:
Na povrchu Země bude přitahován silou zhruba 787 N.
V letadle letícím typicky 10 km nad povrchem Země to bude asi 785 N (takový rozdíl člověk nepostřehne).
Na mezinárodní kosmické stanici ISS létající zhruba 360 km nad povrchem Země bude přitahován Zemí stále ještě silou 705 N, tato síla ale bude vyvažována odstředivou silou způsobenou kruhovou (ve skutečnosti mírně eliptickou) drahou družice.
Kdyby se člověk nacházel na geostacionární družici (tedy asi 35 800 km nad rovníkem), byl by přitahován už jen silou 18 N a tato síla by byla opět kompenzována odstředivou silou způsobenou kruhovým pohybem.
Ve vzdálenosti Měsíce (okolo 385 000 km), by byl člověk přitahován Zemí silou už jenom 0,2 N.
Jeden světelný rok od Země gravitační síla Země působící na člověka o hmotnosti 80 km bude už jenom tři desetimiliardtiny Newtonu.
Na okraji naší Galaxie bude tato síla zcela neměřitelná, její velikost bude už jenom 0,08 trilióntiny Newtonu.
A pro ilustraci si jěště uveďmě, že v sousední Velké galaxii v Andromedě (asi 2,5 miliónu světelných let od nás) by na vás stále působila gravitační síla Země, její účinek by však byl tak titěrně malý, že v sebepřesnějších měřeních s ním nemá smysl počítat (což ostatně nemá ani v předchozích dvou případech). Přesto tuto sílu dokážeme stále vyjádřit (0,000 000 000 000 000 000 000 006 N) a je tedy vidět, že ani takhle daleko není úplně nulová.
Dotaz: Dobrý den, jsem ze ZŠ už 30let a mám pocit, že jsme se to učili nějak jinak. je
nějaký rozdíl mezi veličinou OBSAH a OBJEM? A jaké je popřípadě označení těchto
veličin? Nějak se se svým dítkem nemůžu dohodnout. Děkuji za odpověď (Lenka Šebestová)
Odpověď: Veličina objem má význam prakticky totožný s významem v běžné mluvě, pomocí této veličiny udáváme, jak velkou část prostoru něco zabírá. Laicky řečeno kolik litrů či krychlových metrů by se místo daného předmětu, případně do daného předmětu vešlo. Základní jednotkou je metr krychlový, často se používá i vedlejší jednotka litr. Slova litr pochází (přes francouzštinu a řečtinu) z latinského libra a původně byl definován jako objem jednoho kilogramu čisté, vzduchoprázdné vody. Dnes je litr definován jako tisícina metru krychlového.
Slovem obsah se ve fyzice nejčastěji myslí veličina plošný obsah, která udává, jak velikou část dvourozměrného prostoru zaujímá daná dvourozměrný objekt. Základní jednotkou je metr čtverečný, často se ale zejména v zemědělství a zeměměřičství používají vedlejší jednotky jednotky hektar (1 ha = 10 000 m2) a ar (1 a = 100 m2)
V některých specifických případech se můžete setkat s tím, že slovem obsah bývá označen objem - typicky "obsah motoru 1 670 ccm" znamená, že objem spalovacích komor v motoru je 1 670 kubických centimetrů neboli 1,67 litru. Takovéto zaměňování slov obsah a objem by se však v učebnicích a fyzikálních textech vyskytovat nemělo.
K objemu a plošnému obsahu se dozvíte více například zde:
Dotaz: Dobrý den, měl bych dotaz, když vystřelím náboj ze střelné zbraně (klasický 9mm
projektil) kolmo vzhůru a dejme tomu, že střela dopadne zpět na místo výstřelu
(zanedbáme odchýlení větrem). Je energie, tak velká že by zabila člověka? V
knížce o balistice jsem se dočetl,že by člověka nezabila.Jak to tedy je?Předem
děkuji za odpověď! (Jan Malotin)
Odpověď: Vážený pane,
na Váš dotaz odpovím následujícím příkladem:
Mějme např. 9 mm náboj se střelou o hmotnosti 9 gramů, vystřelenou kolmo vzhůru rychlostí 360 m·s-1. Takto vystřelená střela doletí do výšky cca 800 m. Z této výšky zpět na zem pak dopadne rychlostí cca 70 m/s. Obecně problematické je hodnocení účinku střel na živé tkáně. Je zřejmé, že účinek bude ovlivněn řadou faktorů - konstrukcí a materiály střely, vlastnostmi zasažené části těla atd. Pro posouzení účinku, který nelze bez bojového použití prakticky ověřovat, se používá celá řada nejrůznějších kritérií, např.:
na nechráněnou živou sílu v polním stejnokroji je nutná kinetická dopadová energie střely min. 100 J (samozřejmě, že živá síla má i méně odolné části). V našem případě má střela energii 0,5·9·10-3·702 = 22,05 J
na nechráněnou živou sílu v polním stejnokroji je nutná specifická dopadová kinetická energie střely min. 1 MJ·m-2. V našem případě je tato dopadová kinetická energie vztažená na jednotku příčné plochy střely 22,05·4/[3,14·(9·10-3)2] = 0,35 MJ/m2
řada dalších kritérií je uvedena např. v knize Kneubuehl, B.P.: Balistika. Naše vojsko Praha. 2004. ISBN 80-206-0749-8. Jedním z uváděných kritérií je tzv. PIR kritérium, které by mělo být větší než cca 50. V našem případě je pouze cca 6.
Závěr: Takto vystřelená střela bude po dopadu na zem proti živé síle prakticky neúčinná (neřešíme zde malou pravděpodobnost zásahu oka či krční tepny).
(doc. Ing. Stanislav BEER, CSc. z Univerzity Obrany v Brně)
