TOT CEEA CE ESTE NECESAR DE STIUT x4k19kx
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 in 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.
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.
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.
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 km\s.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 lichi