دانلود مقاله تمیز کننده های هوا

اختصاصی از فایلکو دانلود مقاله تمیز کننده های هوا دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

کاربرد تمیز کننده هوا
هنگامی که پرتو باریکی از نور خورشید از روزنه ای به داخل اتاق تاریکی می تابد می توانید ذرات ریز گردوغبار، دوده و خاکستر را در هوا ببینید. بعضی از این ذرات بطور طبیعی در فضا موجوداند و بعضی توسط دستگاه های ساخت بشر و کارخانه ها تولید می شوند. این ذرات هوا را تاریک واطراف ما را آلوده می کند و سلامتی بشر را به خطر می اندازد. برای کنترل آلودگی ناشی از ذرات در صنعت از صافی های متعددی استفاده می شود.
فرآیند فیلتر سازی پیچیده است زیرا مقاومت هوا جدائی ذرات از هوا را متشکل می سازد. از این رو در صنعت و خانه ها از تمیزکننده الکتریکی استفاده می کنند. این تمیزکننده ها بااستفاده از نیروهای الکترومغناطیسی ذرات را از هوا جدا می کند. این نیروها همان نیروهایی هستند که سبب بهم چسبیدن لباس ها بعد از خارج کردن آنها از خشک کن می شود. در این بخش خواهیم دید که چگونه این نیروهای الکترومغناطیسی در تصفیه هوا به ما کمک می کند.
سئوالاتی را که راجع به آنها باید فکر کرد: چه عاملی گرد وغبار را در هوا نگه می دارد و چرا نیروی کرنشی روی آنها اثری ندارد؟ اگر گرانش نمی تواند هوا را تصفیه کند چگونه نیروهای دیگر قادر به این کار می باشند. چرا در صنعت از فیلترهای کاغذی برای جداسازی گردوغبار از دود استفاده نمی کنند. چرا لباس های تازه شسته شده یکدیگر را بجای جذب کردن دفع می کنند؟
گردو غبار، دوده و خاکستر: گردوغبار عمدتاً درخاک و خاشاک و مواد آلی می باشند که به ذرات خیلی ریز تبدیل شده اند همچنین گردوغبار شامل مواد طبیعی مثل گرده های گیاهان و درختان و دانه های آنها و هاگها نیز می باشند. دوده ناشی از سوخت ناقص مواد آلی است که عمدتاً شامل روغن نیز می باشد از اینرو دوده معمولاً چرب و گریسی است.
گردوغیار دوده و خاکستر جرم و وزن ندارد و انتظار داریم که توسط نیروی گرانش از حرکت آنها در هوا جلوگیری بعمل آید. در حالی که عملاً چنین نیست و این ذرات درهوا معلق اند و توط هوا نگه داشته می شوند، دو نوع نیرو بر این ذرات وارد می شود: نیروی بالا نگهدارنده و نیروی ویسکوزیته. نیروی بالانگهدارنده توسط آتمسفر ایجاد شود و از سقوط درهوا جلوگیری می کند. اما ذرات فوق از هوا تراکم جرم و وزن بیشتری دارند بطوریکه هوا قادر به نگهداشتن ذرات نمی باشد.
از طرف دیگر، ذرات کوچک فوق عمدتاً تحت تأثیر نیروی کشش ویسکوزیته می باشند. این نیرو نوعی از مقاومت هواست و نظیر اصطکاک عمل می کند و حرکت ذرات را درهوا کند می سازد. در حالیکه وزن ذرات آنها را به سمت پائین می کشد نیروی کشش وسیکوزیته از سقوط ناگهانی آنها جلوگیری می کند. در نتیجه ذرات به آهستتگی با یک سرعت حد به سمت پائین می روند. این سرعت در حدود یا کمتر از آن است و بنابراین ذرات هرگز به زمین نمی رسد.
گرانش زمین ضعیف تر از آن است که بتواند گروغبار را از هوا جدا کند. از این رو به نیروی کمکی قوی تری به نام نیروی الکترواستاتیکی نیاز است تا این منظور برآورده گردد.
گردوغبار و بار الکتریکی:
بار الکتریکی خاصیت ذاتی، ماده است. اکثر ذرات تشکیل دهنده اتم بار دارند و بار آنها در ایجاد بار نهایی ذرات دخالت دارد. از آنجا که بار الکتریکی با جسمی که صاحب آن است درآمیخته است اغلب به اینگونه اجسام، اشیا باردار یا بطورساده بار گفته می شود.
همچنان که قبلاً گفته شد دو نوع بار در طبیعت وجود دارد که اثر بارهای هم نام برهم نیروی دفعی و اثر بارهای غیرهمنام برهم نیروی جذبی است. این نیروهای بین اشیاء باردار نیروی الکترومغناطیسی خوانده می شود.
تمیزکننده های هوا برا ی جذب گرد وغبار از هوا از نیروهای الکترواستاتیکی استفاده می کنند.
بطورکلی تمیزکننده های هوا ذرات گردوغبار را بار منفی باردار می کنند و آنها را روی یک صفحه از بارهای مثبت جمع می کنند سئوال این است که چگونه یک ذره گردوغبار را با بار منفی باردار کنیم.
این سوال سه نکته مهم در مورد بارها را گوشزد می کند. اول آنکه تمیزکننده هوا نمی تواند بار تولید کند زیرا براساس اصل بقای بار، بار نمی تواند بوجود آید و نمی تواند از میان برود. فقط می تواند ازجسمی به جسم دیگر منتقل گردد. بنابراین اگر تمیز کننده هوا بخواهد به گردوغبار بار منفی بدهد، باید بار منفی را از جای به آن انتقال دهد. نمونه هایی از انتقال های مکرر بار در اطراف ما نظیر انتقال بار درهنگام شانه کردن موی سر و نیز صاعقه در آسمان را اغلب مشاهده کرده اید.
دوم آنکه از« باردارکردن با بارمنفی» منظور ما این نیست که گردوغبار نمی تواند با بار مثبت باردار شود. مواد معمولی همواره ترکیبی از بار مثبت و منفی را رد خود دارند و گروغبار از این قاعده مستثنی نیست. در حقیقت نیروهای الکترواستاتیکی بین بارهای مثبت و منفی گردوغبار است که دانه های آن را بهم پیوسته نگه می دارد.
اما ذرات گردوغبار یک بارالکتریکی خالص دارند که مجموع همه بارهای آنها است. این برآیند بار نیروی استاتیکی نهایی را که ذرات گردوغبار درحین عبور از تمیزکننده هوا خواهند دید تعیین میکند. میتونان این بار برآیند را با اضافه کردن بار مثبت و کاهش یارهای منفی نهایتاً بار مثبت خواند. سوم آنکه ممکن است گروعبار یا با بار صفر وارد تمیزکننده هوا شود. زیرا بارهای مخالف توسط گردودغبار جذب می شوند و بار بر آیند به سمت صفر میل خواهد کرد. وقتی بار به ضصفر برسد می گوییم به لحاظ الکتریکی خنثی است.
این امککان که برآیند بار دقیقاً برابر صفر گردد با ویژگی مهم دیگر بار یعنی کوانتیزهبودن آن مرتبط است. بارهمواره به صورت مضربی صحیح از یک مقدار مشخص ظاهر می شود این مقدار مشخص بار الکترون و حدوداً برابر با است.
میدانیم که تمیزکننده هوا باید ذرات خنثی گردوغبار را با بارمنفی باردار کند. به عبارت دیگر الکترونهای باردار را باید به ذرات گردوغبار منتقل کند و با بارهای م ثبت پروتون ها را از ذرات و غبار خارج کند. قبل ازپاسخ به چگونگی انجام این کار فرض می کنیم این کار انجام شده است و بررسی می کنیم که بعد چه اتفاقی می افتد.
جمع کردن گردوغبار با نیروهای الکترواستاتیکی:
با فرض اینکه گردوغبار با بار منفی باردار شده باشد به بررسی اینکه درتمیز کنده چه اتفاقی برای آنها می افتد می پردازیم. گردوغبار همراه هوا وارد تمیزکننده می شود. د رتمیزکننده یک صفحه ی باردار مثبت قرار دارد، بطوریکه گردوغبار با بارمنفی نیروی جذبی آن را احساس می کند و به سمت آن به حرکت د رمی آید. د رحالیکه گرانش برای خارج کردن گردوغبار هوا بسیار ضعیف است نیروی الکترواغستاتیکی باندازه کافی قوی می باشد و می تواند بر کشش ویسکوزیته غلبه کند و گردوغبار را از هوا بزداید. گردوغبار با آرامی هوا را ترک کرده و روی صفحه باردار شده و با بار مثبت جمع می شود. جریان هوا به حرکت خود بدون ذرات گردوغبار ادامه می دهد.
از آ«جا ک تمیز کننده هوا سبب جداسازی گردوغبار از هوا و رسوب آنها روی صفحه جمع کننده می شود این نوع تمیزکننده ، تمیز کننده جداساز خوانده می شود.
برتری این نوع تمیزکننده بر تمیزکننده کاغذی آن است که مقدار قابل توجهی از گردوعبار می تواند روی صفحات آن بدون سدکردن راه هوا جمع شود. بعلاوه به سادگی ق قابل تمیز شدن است. تمیز کننده الکترواستاتیکی یک وسیله غیرفعال نیست. اگر چنین باشد ذرات با بار منفی توسط بارهای مثبت صفحه جذب شده و خنثی مش شوند و عملیات پایان پذیرفته و تمیزسازی هوا متوقف می شود. برای اداه کار و فعال نگهداشتن سیستم باید بطور دائم بار مثبت به صفحه جمع کننده گردوغبار منتقل شود و د ستگاهی که این کار را انجام می دهد منبع تغذیه نام دارد.
منبع تغذیه بار الکتریکی را برخلاف جهت طبیعی حرکت آن پمپ می نماید. از آنجا که برهای مخالف همدیگر را جذب می کند حرکت بارها تا خنثی شدن ادامه می یابد. اما منبع تغذیه تمیزکننده هوا این جریان طبیعی را با دورکردن بارهای مثبت از بارهای منفی وحرکت دادن آنها به سمت صفحه با بار مثبت برعکس می کند.( شکل 1-5)
شکل (1-5)( الف) گردوغبار و صفحات جمع کننده خنثی هستند.
(ب)نبع تغذیه در تمیزکننده الکترواستاتیکی بار مثبت رااز گردوغبار به صفحات جمعکننده منتقل می کند و هرکدام دارای مقداری بار می شوند.
برای ایجاد بار الکتریکی منفی باید کار انجام دادو منبع تغذیه تمیزکننده با جداسازی بار مثبت از ذرات گردوغبار و حرکت دادن آن به سمت صفحات جمع کننه این کار را انجام می دهد. این کار از میان نمی رود. بلکه به صورت انرژی الکترواستاتیکی بین بارها ذخیره می گردد. و انرژی پتانسیل الکتریکی خوانده م یشود. انرژی پتانسیل الکتریکی با جداسازی بارها از هم جدا یا ذخیره می شود و با بازگشت بارها به سوی یکدیگر آزاد می گردد.
با توجه به اینکه منبع تغذیه بار مثبت را از ذرات گردوغبار به صفحات جمع کننده منتقل می کند در هر انتقال مقداری کار انجام می شود و این کار توسط بارها بعنوان انرژی پتانسیل الکترواستاتیکی نگهداری می شود. از آنجا که کار منبع تغذیه با میزان بار جابجا شده متناسب است می توان کار منبع را با مقدار کار لازم برای انتقال واحد بار بیان کرد. کمیتی که به این ترتیب به دست می آید ولتاژ نامدیه می شود. از آنجا که در سیستم آحاد SI انرژی برحسب ژول و بار برحسب کلمپ می باشد واحد ولتاژ ژول بر کولمب ا که وت خوانده می شود می باشد اگر انتقال بار مثبت یک کولمب به یک نقطه به کار منفی نیاز داشته باشد ولتاژ آن نقطه منفی می باشد واگر برعکس برای انتقال واحد بار مثبت نیاز به انجام کار باشد ولتاژ آن نقطه مثبت خواهد بود.
در بسیار از حالتها از آن جمله تمیزکننده های الکترواستاتیکی بار مثبت بین موقعیت های مختلف جابجا می شود. در این حالت احختلاف پتانسیل این موقعیت ها موردنظر است. این اختلاف پتانسیل کاری است که باید انجام داد تا واحد بار مثبت ازموقعیت اولیه به موقعیت نهایی منتقل گردد. اگر انتقال 1 کولمب بار100
ژول تانرژی نیاز داشته باشد ولتاژ موقعیت نهایی 100 ولت از موقعیت اولیه بالاتر است. مثال مناسب برای این منظور باطری معمولی است که از واکنشهای شیمیایی برای پمپ کردن بار مثبت از سر منفی به سر مثبت استفاده می کند. یک باطری 5/1 ولتی 5/1 ژول کار روی هر کولمب از بار پمپ شده انجام می دهد.
منبع تعذیه تمیزکننده هوا از یک باطری معمولی قوی تر است. این منبع تغذیه درحین انتقال بار آنقدر کار روی آن انجام می دهد که اختلاف پتانسیل بین ذرات گرودعبار و صفحات جمعکننده بیش از 000/10 ولت گردد با این انتقال توانمند بار ذرات گردوغبار با بار منفی و صفحات جمع کننده با بار مثبت باردار شده و ذرت گرودوغبار به سرعت از هوا به سمت صفحات جمع کننده حرکت می کنند. برا یاجاد ولتاژهای بالا روشهای متعددی وجود دارد که یکی از آنها در شکل 1-6 نشان داده شده است.
شکل 1-6 الکتریسیته ساکن با فرآیند های مکانیکی می تواند تولید شود. در مولد وان دوگراف فوق یک تسمه لاستیکی متحرک بارمنفی را از زمین به کوه فلزی براقی منتقل می کند.این بار منفی جرقه های قابل ملاحظه ای را با برخورد(از طریق هو)ا به بار مثبتی که خود تولید کرده است ایجاد می کند.
باردار نمودن گردوغبار:
مشکل ترین قسمت کار در تمیزکننده الکترواستاتیکی باردار کردن گردوغبار است تمیزکننده از انرژی به نام تخلیه کرونا برای این منظور استفاده می کدو. براساس قانون کولمب واقعه بین بارهای همنام با نزدیک شدن آنها بهم بطور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. بنابراین وقتی تعدادی بارهای همنام روی صفحه ای جمخع شده باشند نیروی دافعه بین آنها بعضی از آنها را از سطح کنده و در مسیر ع بور مولکولهای گاز می اندازد. این جریان بار از سطح صفحه به گاز و گردوغبار اطراف تخلیه کرونا نامیده می شود. تخلیه کرونا معمولاً درهمسایگی نقاط تیز فلزات و سیمهای نازک ایجاد می شود زیرا در اینجا نیز بارهای همنام همدیگر را دفع کرده و از سطح ساختار موردنظر به سمت هوا خارج می شوند. این عملکرد غیرعادی است زیرا معمولاً نیروهای دفعی بارهای همنام را بطور یکنوئاغخت روی سطح خارجی شیء فلزی پخش می کند. اما در نقاط تیزرسانا و یا نقاطی که شعاع انحناء آن بسیار کم است این پدیده می تواند رخ دهد.
نگهداشتن بار روی یک نقطه فلزی یا روی یک سیم نازک به انرژی نیاز دارد بنابراین تخلیه کرونا به منبع تغذیه نیاز خواهد داشت. این منبع تغذیه بارهای مثبت را به سوی نقطه فلزی یا روی سیم می راند تا آنها شروع به رها شدن در فضا نمانید. تخلیه کرونا تا زمانی که بارها کاملاً جمع و جور نشوند آغاز نخواهند ش بنابراین کار فراوانی برای راندن تعداد معدودی بار به سطح فلز انجام می گیرد. وفتی کونا آغاز می شود بار های مثبت روی سطح فلز انرژی پتانسیل الکتریکی فراوانی دارند و ولتاژروی سطح حدوداً به 000/10 ولت می رسد. تخلیه کرونا برای رارهای منفی نیز به همین ترتیب اتفاق می افتد با این تفاوت که پتانسیل باید منفی باشد. از آنجا که هنگام فرار بارها از سطح فلز انرژی پتانسیل الکترواستاتیکی آزاد می شود پدیده تخلیه کرونا اغلب با نور همراه است پدیده کرونا را در برق گیر ها و سیم های تحت کشش زیاد می توان مشاهده کرد. در کشت یها پدید ه کرونا نزدیک انتهای بادبان قابل رؤیت است که آن را آتش St.Elmo نیز می نامند.
برخلاف تصور عمومی میله های برق گیر جرقه های صاعقه را جذب نمی کنند. در عوض پدیده تخلیه کرونا در آنها اتفاق می افتد که هر گونه باری را خنثی می کند. برقگیر را خنثی کردن بارهای الکتریکی محلی امکان اصابت صاعقه به خانه را کاهش می دهد. وسیله مشابهی در نزدیکی بالهای هواپیما تعبیه می شود تا هواپیما را از پیامدهای صاعقه در امان نگهدارد.
تمیزکننده الکترواستاتیکی عملی:
در یک تمیز کننده الکترواستاتیکی هوا از میان تعدادی سیم نارک فلزی و صفحاات جمع کننده فلزی عبور داده می شود.( شکل های 1-7، 1-8 ، 1-9) یک مبنع تغذیه بارهای مثبت را از سیم به صفحات پمپ می کند و سیم ها دارای بار منفی و صفحات دارای بار مثبت می شوند. پدیده تخلیه کرونا اطراف سیم ها تشکیل می شود و بواسطه آن بار منفی به ذرات گردوغبار منتقل می گردد. این ذرات گردوغبار توسط صفحات با بار مثبت جذب می شوند و به صورت کیک مانند مجتمع می شوند. موج دار بودن صفحات از ورود مجدد جریان هوای تمیز شده به دشتگاه جلوگیری می کند. از آنجا که صفحات به داخل و خارج خم شده اند جریانهوا تقریباً در وسط قرار می گیرد و ذرات گردوغبار بدون هیچ مزاحمتی بین صفاتقرار می گیرند. بعد از جمع شدن گردوغبار روی صفحات جمع کننده با ضربات پتک صفحات را درون محفظه های مخصوص تخلیه می کنند.
شکل 1-7:این تمیزکننده الکترواستاتیکی تجاری برای از بین بردن گردوغبار از نیروگاهها بکار می رود. دود از سمت چپ وارد می شود و از میان الکتروها عبور می کند. ذرات روی الکترود جمع کننده جمع می شوند و با زدن ضربه به آن ذرات گردوغبار در کف تمیزکننده قرار می گیرند.
شکل 1-8 دریک تمیز کننده الکترواستاتیکی گردوغبارهوای آلوده با بارمنفی باردار شده و توسط صفحات با بار مثبت جذب می شوند.
شکل 1-9 با روشن بودن تمیز کننده و پالایش ها به نظر می رسد که کارخانه کار نمی کنند.
بعضی از تمیزکننده ها از قرار دادن بارمنفی ذرات گردوغباراستفاده می کنند.در اینجا باید پدیده تخلیه کرونا منفی اتفاق بیفتد. اگرچه این نوع تخلیه ازلحاظ نگهداری ساده تر است اما بواسطه تولید ازن اکثر تولیدکنندگان تخلیه کرونای مثبت را ترجیح میدهند.
مولد یون:
مولدهای یون نیز در از میان بردن ذرات گردوغبار از هوای اتاق مؤثرند. این ماشینها نظیر تمیزکننده های الکترواستاتیکی هستند با این تفاوت که صفحات جمع کننده را ندارند. این دستگاهها از تخلیه کرونا برای باردار کردن ملکولهای گذرنده و ذرات گردوغبار استفاده می کنند. و سپس این ذرات باردار یا یونهای در هوای اتاق رها می گردد.
بعضی از مولدهای یون هر دونوع یون مثبت و منفی را تولید می کنند. در این مولد ها منبع تغذیه باز مثبت را از یک گروه از ذرات به سمت گروه دیگر پمپ میکند. در حالی که در مولد یون منفی منبع تغذیه بار مثبت را از ذرات به سمت زمین پمپ می کند.
یک ذره باردار شده به سطح دیوار یا سقف خواهد چسبید. حتی اگر این سطوح به لحاظ الکتریکی خنثی باشد سطح خنثی شامل تعداد زیادی بار است( شکل 1-10) و یک ذره باردار منفی بارهای مثبت را به سمت سطح جذب می کند و بارهای منفی را از سطح می راند. در نتیجه بارهای مثبت و منفی سطح به آهستگی در مجموع خود خنثی است اما قسمتی از آن دارای بار مثبت اندکی بوده و بقیه دارای کمی بار منفی می باشد.
شکل 1-10 (الف) دیوار خنثی (ب) گردوغبار با بار منفی به دیوار نزدیک می شود و بارهای مثبت را به لبه دیوار می کشاند. (ب) دیوار قطبی شده است و ذرات به آن می چسبد.
ذرات گردوغبار به سطح قطبیده جذب شده و بهم می چسبند. این اثر با باردارکردن یک بادکنک به کمک موی سر یا لباس و چسباندن آن به دیوارقابل مشاهده است. بارهای بادکنک دیوار را قطبیده کرده و بادکنک به دیوار می چسبد. بنابارنی مولد یون ذرات رااز هوا جدا کرده به دیوارها می چسباند این روش اگرچه ارزان است ولی سبب کثیف شدن تدریجی دیوارها و مبلمان اتاق می شود.

کاربرد ها- دستگاه کپی زیراکس
مقدمه:
تصویری که دستگاه کپی روی یک صفحه کاغذ ایجاد می کند از آرایشی از ذرات ریز سیاه تونر شروع می شود. دستگاه کپی از الکتریسیته ساکن برای آرایضش ذرات روی یک استوانه یا نوار استفاده می کند و سپس آنها را به صفحهکاغذمنتقل می کند. دستگاه کپی برا ی نسخه برداری از نسخه اصلی نوررا از آن عبور داده و موقعیت بارهای الکتریکی را بگونه ای کنترل می کند که آرایش ذرات تونر روی نسخه کپی شبیه نسخه اصلی باشد.
د رقلب دستگاه کپی لایه نازکی از رسانای حساس به نور( فتوکمانداکتیو) قرارردادکه دستگاه از آن برای کنترل موقعیت بارهای الکتریکی استفاده می کند. رسانای حساس به نور ماده جامدی است که تنها وقتی در معرص تابش نور باشد بار های الکترییکی در آن می توانند حرکت داشته باشند. رسانای حساس به نور در تاریکی یک نارسانای الکتریکی است که از هر گونه حرکت بارهای الکتریکی جلوگیری می کند در عوض در روشنایی یک رسانای الکتریکی است و به بارهای اجازه حرکت ونی دهد ازا ین رو به آن نور رسانا می گوییم. در عین حالی که نور رسانا در تاریکی می تواند بارهای مثبت و منفی را از هم جدا نگهدارد با تابش نور به آن بارها به سرعت جذب یکدیگر می شوند. ( شکل2-9) این ویژگی سبب می شود که با تابش نور به نسخه اصلی آرایش بارهای الکتریکی روی استوانه یا نوار کپی کننده مشخص گردد و به پیروی از آن نحوه قرار گرفتن تونر روی کاغذی که کپی روی آن انجام می پذیرد تعیین می شود.
شکل 2-9: ( الف) در تاریکی رسانانی حساس به نور نارسانا است و بارهای الکتریکی روی صفحات آن از هم جدا قرار گرفته اند.
(ب) با تابش نور ماده حساس به نور رسانا می شود و بارهای مخالف، یکدیگر را جذب می کنند.
خاصیت نور رسانایی با فیزیک کوانتومی به سادگی قابل توجیه است. فیزیک کوانتومی برای مسیرهایی ممکن برای ذرات کوچک محدود یتهایی قائل است. این محدودیت برای الکترونها که گشتاور فوق العاده ای دارند و حامل اصلی بار باشند از اهمیت ویژه ای برخوردار است. الکترون در یک اتم فقط می تواند در مسیر هایی که فیزیک کوانتومی مشخص می کند به دور هسته بچرخد. این مسیرهای مجاز ناحیه مداری خوانده می شود. به همین ترتیب فیزیکی کوانتومی برای حرکت الکترون در یک جسم نیز محدویت قائل است.
یک ا زمشاهدات قابل توجه در فیزیکی کوانتومی اصل طرد پاولی است که می گوید هرالکترون جدانشدنی باید تراز خاص خود را داشته باشد. این اصل برای همه ذرات داخل اتم که به ذرات فرمی موسومند و از میان آنها الکترون، پروتون و نوترون را می توان نام برد، به کار می رود. دو ذره فرمی جدا نشدنی نمی توانند در یک تراز قرار گیرند.
براساس اصل محدودیت پاولی بیش از دو الکترون نمی توانند در یک تراز یا در یک ناحیه مداری قرار گیرند. دلیلی که دو الکترون می توانند در یک ناحیه مداری یا تراز قرار گیرند از خاصیت ویژه الکترونها ناشی می شود: الکترونها دو حالت داخلی ممکن دارند که آنها را چرخش بالا و چرخش پایین می خوانند. یک الکترون با چرخش بالا از الکترون با چرخش پایین جداشدنی و قابل تمیز است و دو الکترون می توانند روی یک تراز قرار گیرند.
تراز الکترون انرژی آن را که مجموع انرژی پتانسیل و جنبشی آن است تعیین می کند. از آنجا که الکترونهای ترازهای مختلف، مسیرهای مختلف را با سرعت های متفاوت طی می کنند، هر تراز یک انرژی خاص دارد. در پایین ترین تراز انرژی، الکترونها به آهستگی حر کت می کنند و نزدیک هسته قرار می گیرند، حال آنکه الکترون های با تراز بالاتر با سرعت بیشتری حرکت می کنند و از هسته دورتر می باشند.
به خاطر اثری شبیه اصطکاک، الکترون ها انرژی از دست می دهند تا این که به پایین ترین تراز انرژی برسند. بهرحال از آنجا که فقط دو الکترون می توانند یک تراز اشغال کنند همه آنها نمی توانند در پایین ترین تراز قرار گیرند. الکترون ها ترازها را دوتادوتا از پایین ترین سطح به بالا اشغال می کنند. این فرایند پر کردن ترازها تا سطح فرمی ادامه می یابد. سطح فرمی بالاترین تراز انرژی است که یک الکترون می تواند اشغال کند. اگر این ترازها را با خطوط افقی نشان دهیم و به صورت عمودی آنها را برحسب انرژی مرتب کنیم( شکل 2- 10)، ملاحظه می کنیم که ترازها تا تراز فرمی دارای دو الکترون بوده و بالاتر از تراز فرمی خالی است.
در یک جسم منزوی، الکترون ها در همه جهات به طور آماری و یکنواخت حرکت می کنند به طوری که مقدار حرکت متوسط آنها صفر است. از این رو به همان اندازه که حرکت در سمت راست وجود دارد در سمت چپ نیز موجود است و هر الکترون متحرک به سمت راست با الکترونی متحرک به سمت چپ از لحاظ مقدار حرکت در تعادل است. از این رو در شکل 2-10 دو مسیر در نظر گرفته شده است. اگر چه الکترونها به تنهایی دایم در حرکت اند اما در مجموع به طور متوسط جایی نمی روند.
شکل 2-10: ترازهای انرژی از پایین ترین تراز تا تراز فرمی
رساناها- نارساناها و رساناهای حساس به نور: شکل 2-10 کامل نیست. ترازها در اجسام معمولاً به صورت گروهی که آنها را باند می خوانند ظاهر می شوند. بین باندهای مشتمل بر چند تراز محدوده هایی از انرژی به نام شکاف انرژی وجود دارد که هیچ ترازی در آنها موجود نیست. باندها و شکاف های انرژی رساناها، نارساناها و نارساناهای حساس به نور را از هم متمایز می کنند. برای روشن شدن موضوع یک رسانا و یک نارسانا را مورد بررسی قرار می دهیم.
در یک رسانا یا یک فلز هیچ شکاف انرژی در نزدیکی تراز فرمی وجود ندارد. وقتی بار مثبتی را در مجاورت رسانا در سمت چپ آن قرار دهیم الکترون ها با جابجایی از ترازهای پرشده( درست در زیر تراز فرمی) به ترازهای خالی بالاتر به بار مثبت فوق پاسخ می دهند( شکل 2- 11) به عبارت دیگر الکترون ها به سمت بارهای مثبت به حرکت در می آیند. به علاوه بعضی از الکترون های رسانا ترازهای سمت راست را ترک کرده و به سمت ترازهای سمت چپ می روند تا تعادل برقرار گردد. با افزایش الکترون های متحرک جریانی از بار به وجود می آید و این رسانای الکتریکی است.
شکل 2-11: در یک رسانا، تراز فرمی در وسط باند قرار می گیرد. با قرار دادن بار مثبت در سمت چپ رسانا بعضی از الکترون ها( درست زیر تراز فرمی) به ترازهای خالی بالا منتقل می شوند.
در رساناها انتقال الکترون ها از ترازهای زیر تراز فرمی به ترازهای بالاتر به انرژی خیلی کمی نیاز دارد. اما در یک نارسانا شکاف انرژی درست بالای تراز فرمی قرار دارد( شکل 2-12). وقتی بارهای مثبت در سمت چپ نارسانا قرار می گیرند، الکترونها نمی توانند به آنها پاسخ دهند زیرا نزدیکترین تراز خالی در دوردست قرار دارد، برای انتقال الکترون ها انرژی زیادی لازم است. از این رو حرکتی از بارها در نارسانا ایجاد نمی شود. وضعیتی که آن را نارسانایی الکتریکی می خوانیم.
شکل 2-12: در یک نارسانا تراز فرمی در انتهای باند قرار دارد. با قرار دادن بار مثبت در سمت چپ نارسانا الکترون ها نمی توانند به ترازهای باند بالاتر دست یابند زیرا انرژی بارهای مثبت به اندازه کافی نیست.
ترازهای زیر تراز فرمی ترازهای ظرفیت و ترازهای بالای آن ترازهای هدایت خوانده می شوند. در یک رسانا یا فلز، الکترون ها بسادگی از ترازهای ظرفیت به ترازهای هدایت منتقل می شوند زیرا این انتقال، انرژی بسیار کمی نیاز دارد. در یک نارسانا شکاف انرژی بین ترازهای ظرفیت و ترازهای هدایت از هرگونه جابجایی جلوگیری بعمل می آورد.
اما الکترون می تواند در صورت اعمال انرژی کافی از تراز ظرفیت به تراز هدایت منتقل شود. یکی از منابع انرژی در طبیعت، نور است. وقتی به یک نارسانا نور با فرکانس مناسب تابیده شود، نور قادر خواهد بود که الکترون ها را از تراز ظرفیت به تراز هدایت منتقل کند( شکل 2- 13). چنین انتقالی تعادل حرکت الکترون ها را مختل می کند و منجر به حرکت بار می شود. بنابراین نور می تواند در بعضی موارد یک نارسانا را به رسانا تبدیل کند. این نوع نارسانا را اصطلاحاً نور رسانا یا رسانای حساس به نور می خوانیم.
شکل 2-12 در یک نارسانا تراز فرمی در انتهای باند قرار دارد. با قراردادن بار مثبت در سمت چپ رسانا الکترونها نمی توانند به تراز های باند بالاتر دست یایند زیرا انرژی بارهای مثبت به اندازه کافی نیست.

فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد

تعداد صفحات این مقاله   26 صفحه

پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید