Источник Э.Д.С. и источник тока
Источник ЭДС
Рисунок 1 — Обозначение на схемах источника ЭДС (слева) и реального источника напряжения (справа)
Источник ЭДС (идеальный источник напряжения) — двухполюсник, напряжение на зажимах которого постоянно (не зависит от тока в цепи). Напряжение может быть задано как константа, как функция времени, либо как внешнее управляющее воздействие.
В простейшем случае напряжение определено как константа, то есть напряжение источника ЭДС постоянно.
Реальные источники напряжения
Рисунок 2
Рисунок 3 — Нагрузочная характеристика
Идеальный
источник напряжения (источник ЭДС)
является физической абстракцией, то
есть подобное устройство не может
существовать. Если допустить существование
такого устройства, то электрический
ток I,
протекающий через него, стремился бы к
бесконечности при подключении
нагрузки,
Но при этом получается,
что мощность источника
ЭДС также стремится к бесконечности,
так как .
Но это невозможно, по той причине, что
мощность любого источника энергии
конечна.
В реальности, любой источник напряжения обладает внутренним сопротивлением r, которое имеет обратную зависимость от мощности источника. То есть, чем больше мощность, тем меньше сопротивление (при заданном неизменном напряжении источника) и наоборот. Наличие внутреннего сопротивления отличает реальный источник напряжения от идеального. Следует отметить, что внутреннее сопротивление — это исключительно конструктивное свойство источника энергии. Эквивалентная схема реального источника напряжения представляет собой последовательное включение источника ЭДС —
На
рисунке 3 приведены нагрузочные
характеристики идеального источника
напряжения (источника ЭДС) (синяя линия)
и реального источника напряжения
(красная линия).
где
— падение напряжения на внутреннем сопротивлении;
— падение напряжения на нагрузке.
При коротком замыкании () , то есть вся мощность источника энергии рассеивается на его внутреннем сопротивлении. В этом случае ток будет максимальным для данного источника ЭДС. Зная напряжение холостого хода и ток короткого замыкания, можно вычислить внутреннее сопротивление источника напряжения:
Рисунок 1 — схема с условным обозначением источника тока[1]
Рисунок 2.1 — Обозначение на схемах источника тока
Рисунок 3 — Генератор тока типа токовое зеркало, собранный на биполярных транзисторах
Исто́чник
то́ка (также генератор
тока) — двухполюсник,
который создаёт ток ,
не зависящий от сопротивления нагрузки,
к которой он присоединён. В быту
«источником тока» часто неточно называют
любой источник электрического напряжения
(батарею, генератор, розетку), но в строго
физическом смысле это не так, более
того, обычно используемые в быту источники
напряжения по своим характеристикам
гораздо ближе кисточнику
ЭДС,
чем к источнику тока.
На рисунке 1 представлена схема замещения биполярного транзистора, содержащая источник тока (с указанием S·Uбэ; стрелка в кружке указывает положительное направление тока источника тока), генерирующий ток S·Uбэ, т. е. ток, зависящий от напряжения на другом участке схемы.
Идеальный источник тока
Напряжение на клеммах идеального источника тока зависит только от сопротивления внешней цепи:
Мощность, отдаваемая источником тока в сеть, равна:
Так как для источника тока , напряжение и мощность, выделяемая им, неограниченно растут при росте сопротивления..
Реальный источник тока
Реальный
источник тока, так же как и источник
ЭДС,
в линейном приближении может быть описан
таким параметром, как внутреннее
сопротивление .
Отличие состоит в том, что чем больше
внутреннее сопротивление, тем ближе
источник тока к идеальному (источник
ЭДС, наоборот, чем ближе к идеальному,
тем меньше его внутреннее сопротивление).
Напряжение на клеммах реального источника тока равно:
Сила тока в цепи равна:
Мощность, отдаваемая реальным источником тока в сеть, равна:
Примеры
Источником тока является катушка индуктивности, по которой шёл ток от внешнего источника, в течение некоторого времени () после отключения источника. Этим объясняется искрение контактов при быстром отключении индуктивной нагрузки: стремление к сохранению тока при резком возрастании сопротивления (появление воздушного зазора) ведёт кпробою зазора .
Вторичная
обмотка трансформатора
тока,
первичная обмотка которого последовательно
включена в мощную линию переменного
тока,
может рассматриваться как почти идеальный
источник тока, только не постоянного,
а переменного. Поэтому размыкание
вторичной цепи трансформатора тока
недопустимо; вместо этого при необходимости
перекоммутации в цепи вторичной обмотки
без отключения линии эту обмотку
предварительно шунтируют.
Применение
Реальные генераторы тока имеют различные ограничения (например по напряжению на его выходе), а также нелинейные зависимости от внешних условий. Например, реальные генераторы тока создают электрический ток только в некотором диапазоне напряжений, верхний порог которого зависит от напряжения питания источника. Таким образом, реальные источники тока имеют ограничения по нагрузке.
Источники тока широко используются в аналоговой схемотехнике, например, для питания измерительных мостов, для питания каскадов дифференциальных усилителей, в частностиоперационных усилителей.
Концепция генератора тока используется для представления реальных электронных компонентов в виде эквивалентных схем. Для описания активных элементов для них вводятся эквивалентные схемы, содержащие управляемые генераторы:
Источник тока, управляемый напряжением (сокращенно ИТУН)
Источник тока, управляемый током (сокращенно ИТУТ)
Что такое ЭДС источника тока?
Если замкнуть между собой полюса заряженного конденсатора, то под влиянием электростатического поля, накопленного между его обкладками, во внешней цепи конденсатора в направлении от положительного полюса к отрицательному начинается движение носителей заряда – электронов.
Однако в процессе разряда конденсатора электрическое поле, действующее на движущиеся заряженные частицы, быстро ослабевает до полного исчезновения. Поэтому возникшее в цепи разряда протекание электрического тока имеет кратковременный характер и процесс быстро затухает.
Для длительного поддержания тока в проводящей цепи используются устройства, неточно называемые в быту источниками тока (в строго физическом смысле это не так). Чаще всего такими источниками служат химические батареи.
Вследствие происходящих в них электрохимических процессов на их клеммах происходит накопление разноименных электрических зарядов. Силы не электростатической природы, под действием которых осуществляется подобное распределение зарядов, называют сторонними силами.
Уяснить природу понятия ЭДС источника тока поможет рассмотрение следующего примера.
Представим себе проводник, находящийся в электрическом поле, как показано ниже на рисунке, то есть таким образом, что внутри него также существует электрическое поле.
Известно, что под воздействием этого поля в проводнике начинает протекать электрический ток. Теперь возникает вопрос о том, что происходит с носителями заряда, когда они достигают конца проводника, и будет ли этот ток оставаться неизменным с течением времени.
Мы можем легко сделать вывод, что при разомкной цепи в результате влияния электрического поля заряды будут накапливаться на концах проводника. В связи с этим электрический ток не будет оставаться постоянным и движение электронов в проводнике будет очень кратковременным, как показано ниже на рисунке.
Таким образом, для того, чтобы поддерживать в проводящей цепи постоянное протекание тока, эта цепь должна быть замкнута, т.е. иметь форму петли. Однако для поддержания тока даже это условие не является достаточным, так как заряд всегда движется в сторону меньшего потенциала, а электрическое поле всегда делает положительную работу над зарядом.
Теперь после путешествия по замкнутой цепи, когда заряд возвращается к исходной точке, где он начал свой путь, потенциал в этой точке должен быть таким же, каким он был в начале движения.
Однако протекание тока всегда связано с потерей потенциальной энергии.
Следовательно, нам необходим некий внешний источник в цепи, на клеммах которого поддерживается разность потенциалов, увеличивающая энергию движения электрических зарядов.
Такой источник позволяет осуществить путешествие заряда от более низкого потенциала к более высокому в направлении, противоположном движению электронов под действием электростатической силы, пытающейся протолкнуть заряд от более высокого потенциала к более низкому.
Эту силу, заставляющую заряд двигаться от более низкого к более высокому потенциалу, принято называть электродвижущей силой. ЭДС источника тока — это физический параметр, который характеризует работу, затраченную на перемещение зарядов внутри источника сторонними силами.
В качестве устройств, обеспечивающих ЭДС источника тока, как уже упоминалось, используются аккумуляторы, а также генераторы, термоэлементы и т.д.
Теперь мы знаем, что элемент питания за счет своей внутренней ЭДС обеспечивает разность потенциалов между выводами источника, способствуя непрерывному перемещению электронов в направлении, противоположном действию электростатической силы.
ЭДС источника тока, формула которой приведена ниже, как и разность потенциалов выражается в вольтах :
E = Aст/Δq,
где Аст — работа сторонних сил, Δq – заряд, перемещенный внутри источника.
Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (ЭДС) — Химия LibreTexts
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 148440
Студенческие авторы: Бобби Гастон, 2018 г., и Коннор Проттер, 2019 г.
Что такое ЭЦП?
Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (также известная как EDS, EDX или EDXA) — это мощный метод, который позволяет пользователю анализировать элементный состав желаемого образца.
Основным принципом работы, позволяющим функционировать ЭДС, является способность высокоэнергетического электромагнитного излучения (рентгеновского излучения) выбрасывать из атома «сердцевинные» электроны (электроны, не находящиеся в самой внешней оболочке). Этот принцип известен как закон Мозли, который определил, что существует прямая корреляция между частотой испускаемого света и атомным номером атома.
Удаление этих электронов из системы оставит после себя дыру, которую сможет заполнить электрон с более высокой энергией, и он будет выделять энергию по мере расслабления. Энергия, высвобождаемая во время этого процесса релаксации, уникальна для каждого элемента в периодической таблице, поэтому бомбардировка образца рентгеновскими лучами может использоваться для определения того, какие элементы присутствуют, а также в какой пропорции они присутствуют.
Показан ниже приведен пример того, как работает EDS. Буквы K, L и M относятся к n значение, которое имеют электроны в этой оболочке (K электронов, ближайших к ядру, составляет n=1 электронов), а α и β указывают размер перехода.
Поэтому релаксация от M к L или от L к K описывается как Lα или Kα, тогда как переход от M к K будет переходом Kβ. Средства, которые используются для описания этих процессов в целом, известны как нотация Зигбана.
Рисунок используется в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution Share Alike 3.0
Как собираются данные?
EDS работает с тремя основными частями: излучателем, коллектором и анализатором. Эти детали обычно дополнительно оснащаются электронным микроскопом, таким как SEM или TEM. Комбинация этих трех частей позволяет анализировать как количество испускаемых рентгеновских лучей, так и их энергию (по сравнению с энергией исходных рентгеновских лучей, которые были испущены).
Данные EDS представлены в виде графика с кэВ на оси x и пиковой интенсивностью на оси y. Местоположение пика на оси x преобразуется в атомы, которые представляют изменения энергии с помощью компьютерной программы.
Рис. Диаграмма EDS от исследовательской группы, которая анализировала состав креветок и связанных с ними бактерий, которые связаны с этими минералами.
EDS помог подтвердить версию исследователя о том, что эндосимбиотические бактерии, живущие на этих креветках, действительно влияют на состав оксида железа в этих минералах. Об этом свидетельствуют пики при 0,5 и 6,5 кэВ. 2 Авторские права Cobari et. al и используется в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution 3.0.
Каковы недостатки ЭЦП?
Хотя EDS является чрезвычайно полезным методом, существует ряд трудностей, связанных с этим процессом, которые препятствуют его использованию. Во-первых, ЭДС, как правило, не является особо чувствительной техникой. Если концентрация элемента в образце слишком мала, количество энергии, выделяемой рентгеновским излучением после попадания на образец, будет недостаточным для адекватного измерения его доли. Во-вторых, EDS обычно не работает для элементов с низким атомным номером. Водород и гелий имеют только оболочку n = 1, а это означает, что не нужно удалять основные электроны, которые могут позволить испускание рентгеновских лучей.
Между тем литий и бериллий имеют достаточно низкие атомные номера, поэтому энергии рентгеновских лучей, испускаемых образцами Li или Be, недостаточно для измерения, и в результате их часто невозможно проверить.
Еще одна трудность, связанная с этим методом, связана с толщиной образца. Толщина образца может сближать энергетические уровни, что облегчает перемещение электронов на внешние энергетические уровни, что, в свою очередь, может вызвать отклонение в результатах. Другой источник ошибок — перекрывающиеся рентгеновские лучи, которые могут изменить показания кэВ. Кроме того, рентгеновские лучи не особенно эффективны при проникновении в образцы более чем на несколько нанометров, а это означает, что с помощью этого метода можно эффективно измерять только поверхностные слои. Таким образом, если есть несоответствие между внешним и внутренним слоями материала, оно не обязательно будет отображаться в EDS.
Процитированная работа
- https://en.Wikipedia.org/wiki/Energy-дисперсионная_X-ray_spectroscopy
- https://cfamm.
ucr.edu/documents/eds-intro.pdf - https://myscope.training/legacy/anal…/quantitative/
- Л. Корбари, М.-А. Камбон-Бонавита, Г. Дж. Лонг, Ф. Гранжан, М. Збинден, Ф. Гейл и П. Компере «Отложения оксида железа, связанные с эктосимбиотическими бактериями в гидротермальных жерлах креветок Rimicaris exoculata» Biogeosciences 2008 , 5 , 1295–1310.
ucr.edu/documents/eds-intro.pdf- Наверх
- Была ли эта статья полезной?
- Тип изделия
- Раздел или Страница
- Показать страницу TOC
- да на странице
- Теги
- Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия
- Закон Мозли
Введение в энергодисперсионную спектроскопию (ЭДС) для анализа полупроводников
31 st март 2021 г.
| Автор: доктор Сэм Маркс
Закон Мура гласит, что каждые два года количество транзисторов в интегральной схеме удваивается. Это наблюдение было движущей силой полупроводниковой промышленности в течение почти 50 лет, поскольку они стремились к меньшим полупроводниковым устройствам, которые можно было бы изготовить в пределах того же пространства. Замечательный подвиг технологического прогресса современной эпохи, мы видели, что узлы MOSFET уменьшились в размерах с 10 мкм в 1970-х годов до 5 нм в 2020 году. Поскольку полупроводниковые устройства используют перенос электронов через ряд различных материалов, крайне важно иметь возможность количественно определить, какие элементы присутствуют в полупроводниковом устройстве, и получить спектральные изображения этих элементов для измерения критических толщина значений.
Устройство NAND с удаленным слоем, полученное в SEM на 3 кВ.
Эти измерения выполняются с помощью сканирующего электронного микроскопа ( SEM ) или трансмиссионного электронного микроскопа ( TEM ) в зависимости от размера элемента и требуемого уровня анализа.
Энергодисперсионная спектроскопия ( EDS ) является неотъемлемой частью этого анализа, поскольку она позволяет пользователям характеризовать материалы, измерять толщину слоев материала и идентифицировать любой ошибочный материал. Анализ EDS может обобщать образцы на три категории: объемный SEM, STEM-SEM и S/TEM.
Объемный СЭМ
Анализ объемного СЭМ исследует либо полный образец, либо часть всего образца, например поперечное сечение пластины. По мере того, как размеры компонентов уменьшались, мы наблюдали рост популярности анализа EDS с низким напряжением, поскольку это позволяет пользователям оптимизировать пространственное разрешение как их микроскопа, так и их карт EDS. Для этих образцов мы рекомендуем Детектор Ultim ® Extreme , так как этот детектор оптимизирован для работы на коротких рабочих расстояниях, что позволяет пользователям достигать более высокого пространственного разрешения без ущерба для скорости счета рентгеновских лучей.
Основным ограничением объемного СЭМ-анализа является пространственное разрешение, которое обычно ограничивается элементами размером > 10 нм в результате объемного взаимодействия рентгеновских лучей в объемном материале.
3 кВ EDS-сопоставление устройства NAND с удаленным слоем с использованием Ultim Extreme. На картах EDS отчетливо видны особенности размером 20 нм, и наблюдается успешная деконволюция пиков между Si и W.
STEM-SEM
Анализ STEM-SEM — это промежуточный метод, популярность которого возрождается благодаря усовершенствованиям технологий SEM, простоте использования и времени приобретения. Для STEM-SEM требуются электронно-прозрачные образцы, обычно толщиной ≤ 100 нм, те же образцы, которые можно анализировать с помощью ПЭМ. Наиболее распространенный подход к подготовке образцов состоит в том, чтобы выполнить подъем FIB-SEM, нацеливаясь на интересующую область и утончая до электронной прозрачности с помощью FIB.
После того, как образец подготовлен, его загружают в держатель образца STEM и помещают обратно в FIB-SEM или SEM с возможностями STEM. Пространственное разрешение спектрального изображения значительно улучшено для STEM-SEM, что позволяет отображать особенности ≥ 5 нм, поскольку микроскоп может работать при более высоких ускоряющих напряжениях, обычно 30 кВ, а свойство прозрачности образца для электронов устраняет потерю разрешения из-за взаимодействия объема . Оба Ultim ® Extreme и Ultim ® Max 170 обеспечивают надежные аналитические решения в сочетании с системами STEM-SEM.
Пример QuantMap поперечного сечения полупроводникового устройства в ПЭМ. Здесь наблюдается сложность полупроводниковых устройств с 11 присутствующими элементами, нанесенными на карту и разделенными пиками.
ТЭМ
ТЭМ — это совершенный аналитический прибор с точки зрения увеличения, способный получать спектральные изображения с атомарным разрешением.
Пример QuantMap поперечного сечения полупроводникового прибора в ПЭМ.
Здесь наблюдается сложность полупроводниковых устройств с 11 присутствующими элементами, нанесенными на карту и разделенными пиками.По мере того, как мы движемся к полупроводниковым устройствам размером менее 5 нм, допустимая погрешность в этих устройствах уменьшается, увеличивая потребность в электронной микроскопии высокого разрешения и ЭДС. В этом сообщении в блоге объясняется основное различие между тремя основными типами анализа EDS. Чтобы узнать больше о приложениях EDS и Semiconductor, посетите нашу библиотеку приложений или воспользуйтесь некоторыми из ресурсов, перечисленных ниже.
Доктор Сэм Маркс,
Менеджер по работе с ключевыми клиентами, Oxford Instruments
Поделиться
Об авторе
Доктор Сэм Маркс получил степень магистра физики в Йоркском университете и докторскую степень в области электронной микроскопии в Уорикском университете. Он присоединился к Oxford Instruments в 2018 году и всегда уделял большое внимание электронной микроскопии высокого разрешения.
