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2단원 물질과 전자기장

2단원 물질과 전자기장
by

jeong jinho

on 1 May 2015

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Transcript of 2단원 물질과 전자기장

고체 원자의 에너지 준위
2개의 원자에 의한 에너지 준위
3개의 원자에 의한 에너지 준위
많은 수의 원자에 의한 에너지 준위
II. 물질과 자기장
1. 전자기장
2. 물질의 구조와 성질
전기장과 전기력선
정전기 유도
전류에 의한 자기장
물질의 자성
전자기 유도
빛의 흡수와 방출
에너지띠
반도체
신소재
물리 I
Kepler, Johannes
1571~1630
1642-1727
Sir lsaac Newton
1500
1600
1700
T. Brahe

1546~1601
케플러 제1법칙
케플러 제2법칙
케플러 제3법칙
타원궤도의 법칙
타원 그리는 법
1852-1931
Albert Abraham Michelson
1800
1900
2000
Edward Morley
1838-1923
1887년 마이켈슨 몰리 실험
Olbers, Heinrich Wolhelm Matthaus
1758-1840 독일
1826년 올베르스 역설 주장
1929 허블의 법칙
에드윈 허블(1889-1953)
1905 특수상대성이론
1687. 만유인력법칙
1915-1916 일반상대성이론
1930. 볼프강 파울리(스), 중성미자 예언
볼프강 파울리(1900-1958)
1987. 고시바 마사토시(일), 중성미자 검출
Michael Faraday(영,1791-1867)
1822. 패러데이 전자기유도법칙
James Clerk Maxwell(스코틀렌드,1831-1879)
1873, 맥스웰 '전자기론' 출판
스티븐 와인버그(미국,1933-)
1969,글래쇼,와인버그,살람
표준모형이론으로 노벨상
1974. 이휘소 참쿼크의 질량 예측
이휘소(1935.1-1977.6)
마찰전기
대전체
마찰에 의해 발생하는 전기
전기를 띠는 물체
전하
전기력
전기적 현상을 일으키는 원인,
몇 종류?
전하 사이에 작용하는 힘
전기장
자기장
쿨롱의 법칙
쿨롬(1736-1806)
두 전하의 거리의 제곱에 반비례하고, 두 전하의 전하량 곱에 비례
전하 주위에 전기력이 작용하는 공간
벡터량
방향


세기
는 전하에 작용하는 힘을 이용하여 측정
E =
F
q
(단위: N/C)
전기장이 강함
전기장이 약함
전기장이 강함
전기장이 약함
전기장을 시각화하기 위해 패러데이가 제안
(+) 전하가 받는 힘의 방향을 연속으로 이은 선
전기력선
점전하가 받는 힘의 방향과 일치
(+)에서 나와서 (-)로 들어간다.
서로 만나지 않는다.
접선의 방향이 전기장 방향이다.
조밀한 곳이 전기장이 세다.
이 지점에서 전기장 방향은
역선 간격이 어떤가?
이것은 무엇을 의미하는가?
이것을 균일한 전기장이라한다.
전기장의 방향=접선의 방향
대전된 막대와 수돗물 사이에 작용하는 힘은 무엇?
수돗물을 더 많이 휘게 하려면?
도체
절연체
정전기
전기가 잘 흐르는 물질
전기가 잘 흐르지 않는 물질
이동하지 않고 물체에 정지해 있는 전하
예) 마찰전기
예) 유리, 종이, 고무, 플라스틱
예) 구리, 철, 금, 은
정전기 유도
대전체를 물체에 가까이 가져가면 대전체에 가까운 쪽에는 대전체와 반대 종류의 전하가 대전체와 먼 쪽은 대전체와 같은 전하가 유도되는 현상
절연체에서의 정전기 유도 현상을 유전분극이라한다.
접지(Earth)
대전체를 도선으로 지면과 연결하는 것
유전분극
자석 주위에 자기력이 작용하는 공간
방향

세기
가 있는 벡터량이다.
나침반의 N극이 가리키는 방향
B=
Φ
S
(단위:Wb/m =T)
테슬라
자기력선
N극에서 나와서 S극으로 들어간다.
도중에 갈라지거나 교차되지 않는다.
자기력선의 접선 방향이 그 점에서 자기장 방향이다.
간격이 좁은곳일수록 자기장이 세기가 세다.
단위 면적을 지나는 역선수에 비례한다.
자기력 선속
접선의 방향이 자기장 방향
2
전류에 의한 자기장
외르스테드(덴,1777-1851)
1820. 전류에의한자 기장 발견(외르스테드)
직선도선에 의한 자기장
원형 도선에 의한 자기장
솔레노이드에 의한 자기장
앙페르(프,1775-1836)
전류의 방향을 반대로 하면?
a 지점에서 자기장의 방향은?
b 지점에서 자기장의 방향은?
a
b
c
a점, c점에서 자기장의 세기는?
자기장의 방향
N?, S?
자성
물질이 지석에 반응하는 성질
강자성
상자성
반자성
자석에 달라붙는 물질의 성질
강자성체: 철, 니켈, 코발트
자기화
외부자기장이 사라져도 자석 효과 유지
외부자기장을 가할
때만
원자 자석들이 외부자기장

방향으로 자기화 되는 성질
효과가 사라진다.
상자성체: 종이, 알루미늄, 마그네슘, 텅스텐, 산소
외부자기장을 가할 때 원자 자석들이 외부 자기장과 반대 방향으로 자기화 되는 성질
반대방향으로 자기화
반자성체: 구리, 유리, 프라스틱, 금, 수소, 물
마이스너 효과
초전도체
자기부상열차
자성의 원리
손발전기
흔들이 손전등
운동에너지 전기에너지
어떻게?
Lenz(ehr,1804-1865)
1834. 렌츠의 법칙
전자기 유도 법칙의 이용
발광킥보드
페러데이 전자기 유도 법칙
자기력선속이 증가하는 경우
자기력선속이 감소하는 경우
자기력선속
유도 전류가 만드는 자기장
N? S?
유도 기전력
유도 전류
렌츠의 법칙
신용카드 판독기
태블릿 컴퓨터
발전기
연속스펙트럼:
햇빛이나 전등을 분광기로 보면 무지개처럼 연속적으로 보이는 띠
선스펙트럼:
기체 방전관에서 빛을 보면 띄엄띄엄 선으로 보인다
여러가지 선스펙트럼
기체의 종류에 따라 다르다
에너지의 양자화
- 전자의 궤도
보어는 원자핵 주위의 전자는 특정한 궤도에만 있을 수 있다고 함.
양자수
에너지가 양자화 되었다.
보어(덴,1885-1962)
바닥상태
전이
들뜬상태
에너지 흡수 방출
h=플랑크 상수(6.63 10 J s )
*
f=진동수
-34
.
수소 원자의 전자 궤도 에너지 분포
1eV= 1.6 10 J
*
-19
기체의 스펙트럼
가열 전자가 에너지 흡수 들뜬상태 빛 방출
흡수스펙트럼
흡수 스펙트럼을 보면 어떤 기체를 통과했는지 알수 있다.
태양의 대기 성분을 알 수 있다.
도체(conductor)?
절연체(nonconductor)?
반도체(semiconductor)?
기체 원자의 에너지 준위
원자핵에 속박된 전자
속박된 전자의 에너지 준위
속박
동일한 기체는 에너지 준위 동일(why?)
거리가 가깝다.
파울리 배타원리
에너지 띠
e
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e
원자가 전자가 차지하는 에너지 띠
e
e
e
e
e
e
e
열, 전기장
원자가띠
원자가띠
원자가띠
전도띠
전도띠
전도띠
자유전자
양공
띠틈이 넓어 전자이동 불가
전도띠가 겹침
양공
작은에너지
적당한 에너지
e
e
순방향
역방향
n형 도핑
p형 도핑
도핑: 반도체에 불순물을 넣는 과정
다이오드:
p형 반도체와 n형 반도체를 접촉시킨 것
전극에 따라 전류가 흐를 수도 흐르지 않을 수도...
정류회로:
교류를 직류로 바꾸는 회로
LED(Light Emitting Diode)
낮은 에너지 준위
높은 에너지 준위
반도체의 재료에 따라 에너지 준위가 달라 색깔이 다르다.
이용은?
pnp형 트랜지스터
npn형 트랜지스터
얇다.(20-30㎛)
베이스로 가던 양공이 컬렉터로 확산된다.
컬렉터쪽에서 전자와 결합
I
b
c
I
<<
I
e
: p형 반도체와 n형 반도체를 접촉시킨 것
I
b
c
I
=
+
초전도체:
반자성
Onnes (네,1853-1926)
1911 초전도현상(onnes)
유전체=절연체
유전체가 없을 때
유전체
전기를 더 많이 모을 수 있다.
유전율:
전기장을 걸어 주었을 때 유전 분극이 일어나는 정도
강유전체:
전기장이 없어도 유전분극 상태가 어느정도 안정되게 유지되는 물체
ex)
로셀염, 인산칼륨, 티탄산바륨 등
액정:
고체와 액체의 중간 물질
전압이 걸렸을 때
전압이 걸리지 않았을 때
빛 통과
빛 차단
액정막대
얇고, 가볍고, 전력소비가 작고, 밝은 곳에서도 잘 보이고,
그래핀:탄소원자가 벌집모양으로 연결된 평면 구조
실리콘 보다 전자의 이동속도가 100배 빠르다.
강철보다 강하다.
휠수있다.
열전도율이 뛰어나다.
투명하다.
장점
반도체의 에너지 갭(eV)
Ge
Si
ZnSb
AlSb
GaP
GaAs
InSb
ZnS
다이아몬드
0.78
1.21
0.56
1.60
2.4
1.45
0.23
3.7
5.33
* 출처:알기쉬운 반도체 세미나
P 형
n 형
전자
양공
P 형
n 형
전자
양공
분리
접합
확산
확산
P 형
n 형
접합
+
+
+
+
+
+
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+
+
+
+
+
+
-
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-
-
양공의 이동으로 남아 있는 고정 전하
전자의 이동으로 남아있는 고정전하
전위 장벽 발생(Ge:0.5V, Si:0.7V)
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
접합기술은 매우 어렵고 중요.(풀은 안됨)
하나의 결정에 절반은 P, 절반은 n
전압의 벽이 생기지 않으면 안된다. 정류성이 없어진다.
전위 장벽은 DMM로 측정할 수 있다.
P 형
n 형
순방향 바이어스
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
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-
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-
-
-
-
-
-
+
-
전위 장벽 감소
-
+
P 형
n 형
역방향 바이어스
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
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-
전위 장벽 증가
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-
+
1947. 쇼클리, 바딘, 브랜튼 TR발명
William Bradford Shockley(미,1910-1989)
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