Thursday, June 18, 2009

ΦΥΣΙΚΗ V

Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Το σύνολο των ακτινοβολιών οι οποίες, με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικού κύματος, μεταφέρουν ενέργεια. Η επιταχυνόμενη κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων, όπως συμβαίνει στα ηλεκτρόνια ενός παλλόμενου διπόλου, έχει ως συνέπεια την εμφάνιση ενός μαγνητικού πεδίου. Αυτό και το ηλεκτρικό πεδίο αποτελούν το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Το πεδίο αυτό είναι ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας, η οποία αποβάλλεται από τα κινούμενα ηλεκτρόνια στο χώρο. Ο Τζ. Κ. Μάξγουελ, μετά από θεωρητικές μελέτες, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι κάθε επιταχυνόμενο ηλεκτρικό φορτίο εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που εκπέμπονται από ένα δίπολο έχουν όλα τα χαρακτηριστικά που έχει και το φως, ενώ παρουσιάζουν και αντίστοιχες ιδιότητες.
Η ηλεκτρομαγνητική θεωρία για το φως, που διατυπώθηκε από το Μάξγουελ, είναι μια λογική σύνθεση μαγνητισμού και ηλεκτρισμού, αναιρεί την παραδοχή για την αναγκαστική ύπαρξη του κοσμικού αιθέρα και εξηγεί ομοιόμορφα όλα τα γνωστά ηλεκτρομαγνητικά και οπτικά φαινόμενα. Η προηγούμενη θεωρία των κυμάνσεων, καθώς και η θεωρητική εργασία του Φαραντέι, θεωρούσαν λογική την ύπαρξη του αιθέρα, στον οποίο απέδιδαν ιδιότητες ελαστικού σώματος. Βασική ιδέα του Φαραντέι ήταν ότι οι ελκτικές ή απωστικές δυνάμεις μεταξύ φορτίων ή μαγνητών χρησιμοποιούν τον περιβάλλοντα χώρο ως φορέα μετάδοσης και δράσης. Τελικά ο Φαραντέι δεν μπόρεσε να διατυπώσει από μαθηματική άποψη τη θεωρία του για το φως, πράγμα που πέτυχε ο Μάξγουελ με τις γνωστές του εξισώσεις και χωρίς να χρειάζεται την παραδοχή του ανύπαρκτου αιθέρα.
Σύμφωνα με το Μάξγουελ, σ’ ένα σημείο του χώρου που βρίσκεται σε κάποια απόσταση από την πηγή του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου και η μαγνητική επαγωγή του μαγνητικού πεδίου είναι κάθετες μεταξύ τους και κάθετες στη διεύθυνση διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Στη διάρκεια μίας περιόδου, τα μεγέθη Ε και Β μεταβάλλονται ημιτονοειδώς και σε κάθε στιγμή έχουν την ίδια φάση, παίρνοντας ταυτόχρονα τη μέγιστη τιμή τους όπως επίσης και μηδενίζονται ταυτόχρονα.




Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα διαδίδεται στο κενό με ταχύτητα ίση με την ταχύτητα του φωτός C, όπου:
= 3 ∙ 108 m/s,
όπου μο η μαγνητική διαπερατότητα του κενού και εο η ηλεκτρική διαπερατότητα του κενού.
Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα μεταφέρουν ενέργεια και ορμή.
Η ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Μάξγουελ αναφερόταν στο φως και επαληθεύτηκε το 1887 από το Χερτς, ο οποίος, με τη χρησιμοποίηση ρεύματος υψηλής συχνότητας, δημιούργησε κύμανση της ίδιας μορφής μ’ αυτή που πρόβλεψε ο Μάξγουελ και απέδειξε ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα παρουσιάζουν φαινόμενα ανάκλασης, διάθλασης και πόλωσης, όπως ακριβώς και τα φωτεινά κύματα.
Μετά την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου και τη μελέτη της συμπεριφοράς του μέσα στο άτομο, έγινε φανερό ότι το φως είναι ηλεκτρομαγνητική κύμανση που παράγεται από την ταλάντωση των ηλεκτρονίων μέσα στα άτομα. Πρέπει να σημειωθεί ότι η ταλάντωση που συμβαίνει σε μια ηλεκτρομαγνητική κύμανση είναι αποτέλεσμα της περιοδικής μεταβολής των εντάσεων του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου.
Η θεωρία του Μάξγουελ, παρά τη μεγάλη επιτυχία της, δεν μπόρεσε να εξηγήσει και να περιγράψει μερικά φαινόμενα, όπως είναι η διάταξη των γραμμών του φάσματος, η κατανομή της ενέργειας στο φάσμα, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, καθώς και όλα τα φαινόμενα που αναφέρονται σε μοριακή κλίμακα και σε ανταλλαγές ενέργειας μεταξύ ηλεκτρονίων και άλλων υποατομικών σωματιδίων.
Η εισαγωγή της κβαντικής θεωρίας έδωσε λύση στα περισσότερα από τα φαινόμενα, ενώ εισήγαγε την έννοια του φωτονίου για να δικαιολογήσει τις σωματιδιακές ιδιότητες που εμφανίστηκαν ταυτόχρονα με τις γνωστές κυματικές ιδιότητες. Στο φαινόμενο Κόμπτον γίνεται φανερός αυτός ο δυϊσμός μεταξύ σωματιδιακής και κυματικής συμπεριφοράς της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, ενώ η παραδοχή αυτή είναι μια από τις πιο βασικές κατακτήσεις της φυσικής.
Από το πλήθος των συνιστωσών ακτινοβολιών της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας άλλες παρουσιάζουν περισσότερο τις κυματικές ιδιότητες και άλλες τις σωματιδιακές. Έτσι στα ραδιοφωνικά κύματα που έχουν μικρές συχνότητες γίνονται πιο έντονα φανερές οι κυματικές ιδιότητες. Στις ακτίνες γ και τις ακτίνες Χ, οι οποίες χαρακτηρίζονται από πολύ ψηλές συχνότητες, επικρατούν οι σωματιδιακές ιδιότητες σχεδόν αποκλειστικά. Στις ενδιάμεσες συχνότητες εμφανίζονται και οι δύο φύσεις του φωτός.
Το σύνολο των ακτινοβολιών που περιέχονται στην έννοια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας αποτελούν το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, όπου οι ορατές για τον άνθρωπο ακτινοβολίες κατέχουν ένα μικρό μόνο μέρος. Σύμφωνα με την ηλεκτρομαγνητική θεωρία, οι συχνότητες των ακτινοβολιών του φάσματος μπορούν να πάρουν όλες τις τιμές, από το μηδέν μέχρι το άπειρο (ν = 0 μέχρι ν = ), ενώ το μήκος κύματος που είναι μέγεθος αντίστροφο προς τη συχνότητα παίρνει τις τιμές λ =  και λ = 0.
Οι ακτινοβολίες που μπορούν να παραχθούν τεχνητά έχουν συχνότητες από ν = 0 και ν = 1013 Hz, ενώ οι ακτινοβολίες που παράγονται από τη διέγερση ατόμων ή μορίων έχουν τιμές συχνότητας από ν = 1012 Hz μέχρι ν = 1024 Hz.
Μέσα στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα περιλαμβάνονται τα ραδιοφωνικά κύματα και το ορατό φως, οι υπέρυθρες και υπεριώδεις ακτίνες, οι ακτίνες Χ, οι ακτίνες γ και οι κοσμικές ακτίνες, που παράγονται από άτομα και πυρήνες στοιχείων.


Ηλεκτρονική. Κλάδος της φυσικής ο οποίος ασχολείται με την αποδοτικότερη συνδεσμολογία των ηλεκτρονικών στοιχείων τρανζίστορ, διόδων, λυχνιών, αντιστάσεων, πηνίων και πυκνωτών σε κυκλώματα ασθενών ρευμάτων.
Εφαρμόζεται στα εργαστήρια ηλεκτρονικών συσκευών και οργάνων, στην έρευνα του μικρόκοσμου, στην αστροναυτική, στην αστρονομία, στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, στα ηλεκτρονικά μικροσκόπια, στις διάφορες φυσικές επιστήμες. Εφαρμόζεται επίσης στις συσκευές καθημερινής χρήσης (π.χ. τηλεόραση), στους ραδιοενισχυτές, στα όργανα υψηλής μουσικής απόδοσης και πιστότητας κ.α.
Αρχικά παρατίθενται τα «επιμέρους» ηλεκτρονικά στοιχεία, τα οποία συνοπτικά είναι τα εξής:
1. Δίοδος. Είναι διάταξη δύο ακροδεκτών, η οποία έχει μεγάλη αγωγιμότητα προς τη μια φορά του ρεύματος και πολύ μικρή κατά την αντίστροφη φορά. Για τις χαμηλές συχνότητες χαρακτηρίζεται ως ανορθώτρια, για τις ραδιοσυχνότητες ως φωράτρια. Η χαρακτηριστική καμπύλη της ιδανικής διόδου φαίνεται στο σχήμα 1, αν και στην πραγματικότητα απέχει κατά πολύ απ’ αυτήν. Επίσης ο συμβολισμός της διόδου φαίνεται στο σχήμα 2, όπως και η συμβατική φορά έντασης του ρεύματος.
Διακρίνουμε δύο μορφές διόδων: α) τη δίοδο ηλεκτρονική λυχνία, β) τη δίοδο ημιαγωγό. Η δίοδος ηλεκτρονική λυχνία αναπαριστάνεται στο σχήμα 3. Η δίοδος ημιαγωγός αποτελείται από υλικά που έχουν ημιαγωγικές ιδιότητες, κυρίως από στοιχεία της ΙV ομάδας του περιοδικού συστήματος, όπως είναι το γερμάνιο (Ge) και το πυρίτιο (Si). Αυτά, με αύξηση της προσφερόμενης ενέργειας, δηλαδή με αύξηση της θερμοκρασίας, διασπούν τους δεσμούς τους και απελευθερώνουν ηλεκτρόνια τα οποία κινούνται άτακτα μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα. Στη θέση τους τα ηλεκτρόνια αφήνουν κενά που λέγονται «οπές», οι οποίες μπορούν να αναπληρωθούν από άλλα ηλεκτρόνια και έτσι μπορούμε να θεωρήσουμε ότι οι οπές κινούνται μέσα στο πλέγμα. Αν εφαρμόσουμε διαφορά δυναμικού μέσα στις άκρες του ημιαγωγού, τα ηλεκτρόνια και οι οπές αποκτούν ορισμένη κατεύθυνση μέσα στο πλέγμα, πράγμα από το οποίο μικροσκοπικά φαίνεται ότι ο ημιαγωγός είναι αγώγιμος προς μια μόνο κατεύθυνση.
Εφαρμογές διόδων: α) Απλή ανόρθωση (βλ. σχήμα 4). β) Διπλή και πλήρης ανόρθωση (βλ. σχήμα 5). γ) Γέφυρα ανόρθωσης (βλ. σχήμα 6). δ) Διπλασιασμός της τάσης (βλ. σχήμα 7). Κατ’ αυτή, στην αρνητική ημιπερίοδο της πηγής e, ο πυκνωτής C2 φορτίζεται με το δυναμικό Em μέσω της διόδου D1. Κατά τη θετική ημιπερίοδο η D1 βρίσκεται σε αποκοπή, αλλά «άγει» η D2, οπότε φορτίζεται ο C2 με επιπλέον τάση Em και συνολικά το δυναμικό του είναι 2Em.
Εκτός αυτών των απλών εφαρμογών, η δίοδος βρίσκει εφαρμογή σε ηλεκτρονικά κυκλώματα ψαλιδισμού, αναρρίχησης, πυλών κτλ. Τέλος, δίοδοι επίσης είναι και οι αντίστοιχες λυχνίες οι οποίες γεμίζουν με αέριο, όπως και οι ημιαγωγοί Zener.
2. Ηθμοί ή φίλτρα. Η βασική επιδίωξη των ανορθωτικών κυκλωμάτων που περιγράφτηκαν προηγουμένως είναι η μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές. Η ένταση όμως του ανορθωμένου ρεύματος περιέχει, εκτός από τη συνεχή συνιστώσα, και πολλές αρμονικές συνιστώσες, οι οποίες είναι ανεπιθύμητες. Για την εξάλειψη αυτών παρεμβάλλουμε στο κύκλωμα της αντίστασης φορτίου φίλτρα, που επιτρέπουν την εξομάλυνση του ρεύματος. Ως φίλτρα στις ανορθωτικές διατάξεις χρησιμοποιούμε ή πυκνωτές ή αυτεπαγωγές ή συστήματα συνδυασμού πυκνωτών-αυτεπαγωγών. Στο παράδειγμα του σχήματος 8 δίνεται ένα φίλτρο από δύο πυκνωτές και ένα πηνίο σε διάταξη Π. Αυτό το φίλτρο δεν αφήνει να περάσει από μέσα του ούτε η ελάχιστη κυμάτωση ενός ανορθωμένου ρεύματος.
3. Ενισχυτικές διατάξεις. Η αρχή λειτουργίας μιας ενισχυτικής βαθμίδας δίνεται στο σχήμα 9 και εύκολα διακρίνεται ότι το προς μελέτη σήμα διεγείρει ενισχυτική διάταξη, η οποία τροφοδοτείται από ανεξάρτητη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας (τροφοδοτικό), ενισχύεται και έπειτα μεταφέρεται στα άκρα της αντίστασης φορτίου. Η απλούστερη μορφή ενισχυτικών διατάξεων είναι με τρίοδη λυχνία, πεντάοδη και τρανζίστορ.
Η τρίοδη λυχνία δημιουργείται αν μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων της δίοδης καθόδου και ανόδου παρεμβάλλουμε τρίτο ηλεκτρόδιο το οποίο ονομάζεται σχάρα, δέχεται το σήμα που πρόκειται να ενισχυθεί και ρυθμίζει τη λειτουργία όλης της λυχνίας. Διάταξη με λυχνία ως ενισχύτρια φαίνεται στο σχήμα 10. Η πεντάοδη λυχνία δημιουργείται αν μεταξύ καθόδου-ανόδου παρεμβάλλουμε τρία ηλεκτρόδια: α) τη σχάρα, β) ένα ηλεκτρόδιο G2, που ονομάζεται προστατευτικό, σε θετικό δυναμικό, γ) ένα ακόμη ηλεκτρόδιο G3, που ονομάζεται ανασταλτικό και χρησιμοποιείται για την ελάττωση της ταχύτητας των ηλεκτρονίων μεταξύ καθόδου-ανόδου.
Τέλος τα τρανζίστορ είναι ενισχυτικά στοιχεία και αποτελούνται από συνένωση σε σειρά ημιαγωγών n-p-n ή p-n-p. Η κεντρική περιοχή της διάταξης ονομάζεται «βάση», η μια ακραία πηγή «εκπομπός» και η άλλη «συλλέκτης» (βλ. λ. τρανζίστορ).
Στη συνέχεια αναπτύσσεται η σύνδεση δύο ή περισσότερων ενισχυτικών διατάξεων σε σειρά και το αποτέλεσμά τους, όπως και με ενισχυτές Push-Pull σε διάφορες τάξεις ενίσχυσης.
4. Ανάδραση, θετική και αρνητική. Όταν σε ενισχυτική διάταξη κλάσμα του συστήματος εξόδου επαναφέρεται στην είσοδο, οπότε αναμειγνύεται με το εισερχόμενο σήμα, τότε λέμε ότι το σύστημα λειτουργεί με ανάδραση. Αν το σήμα που προκύπτει από τη μείξη είναι ισχυρότερο από το αρχικό σήμα εισόδου, η ανάδραση λέγεται θετική, ενώ αν είναι ασθενέστερο η ανάδραση λέγεται αρνητική. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 11, η όλη διάταξη αποτελείται από έναν ενισχυτή που ενισχύει το σήμα εισόδου e, ένα κύκλωμα ανάδρασης, που μεταφέρει μέρος του σήματος εξόδου του ενισχυτή πάλι στην είσοδο, και μια αντίσταση RL, όπου εμφανίζεται το σήμα εξόδου eo ισχυρότερο ή ασθενέστερο του αρχικού.
5. «Τελεστικοί ενισχυτές». Ο όρος αυτός χρησιμοποιήθηκε αρχικά στην ορολογία των αναλογικών υπολογιστών για το χαρακτηρισμό ειδικών ενισχυτικών κυκλωμάτων που εκτελούν ορισμένες μαθηματικές πράξεις, π.χ. ολοκλήρωση, διαφόριση, πρόσθεση, αφαίρεση κτλ. Αργότερα η χρήση τους επεκτάθηκε και σ’ άλλα πεδία, π.χ. στους σερβομηχανισμούς, τους ρυθμιστές τάσης και έντασης, τους μετασχηματιστές σύνθετης αντίστασης κτλ.
Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό γνώρισμα των «τελεστικών ενισχυτών» είναι: α) πολύ υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου, β) χαμηλή σύνθετη αντίσταση εξόδου, γ) οι βαθμίδες συνδέονται απευθείας (δηλαδή ενισχύει και συνεχείς τάσεις), δ) ενισχύουν πλατιά περιοχή συχνοτήτων, ε) η τάση εξόδου έχει διαφορά φάσης 180° ως προς την τάση εισόδου.
Ο τελεστικός ή αναλογικός ενισχυτής συμβολίζεται με ένα τρίγωνο, η βάση του οποίου είναι η είσοδος και η κορυφή η έξοδος του ενισχυτή (βλ. σχήμα 12).
Ο αναλογικός ενισχυτής σπάνια χρησιμοποιείται όπως έχει, γιατί, κατά πρώτο λόγο, μαζί με το σήμα ενισχύεται και ο θόρυβος λόγω της μεγάλης ενίσχυσης που προκαλεί, και κατά δεύτερο λόγο παρουσιάζει αστάθεια. Βελτίωση του ενισχυτή επιτυγχάνεται με τη βοήθεια αρνητικής ανάδρασης.
6. Ταλαντωτές. Ηλεκτρονικές διατάξεις που μετασχηματίζουν την ενέργεια πηγής συνεχούς ρεύματος σε ενέργεια εναλλασσόμενου ρεύματος. Χρησιμοποιούν πάντα ηλεκτρονικές λυχνίες ή τρανζίστορ σε συνδυασμό με παθητικά στοιχεία (πηνία, πυκνωτές). Τα βασικά κυκλώματα ενός ταλαντωτή (σχήμα 13) είναι τα εξής: α) κύκλωμα ταλαντώσεων, β) κύκλωμα ενισχυτή, γ) κύκλωμα ανάδρασης.
Το κύκλωμα ταλάντωσης περιέχει ένα συντονισμένο κύκλωμα LC ή ένα κύκλωμα RC ή ένα πιεζοηλεκτρικό στοιχείο (κρύσταλλο).
Για τη διατήρηση των ταλαντώσεων είναι απαραίτητο να αναπληρώνονται συνέχεια οι απώλειες ενέργειας. Αυτό επιτυγχάνεται είτε με την εισαγωγή ενισχυτικής διάταξης του κυκλώματος θετικής ανάδρασης είτε με την παρεμβολή κυκλώματος που παρέχει αρνητική χαρακτηριστική αντίσταση (δίοδες tunnel, τέτροδες λυχνίες κτλ.).
Όλα όσα αναφέρθηκαν παραπάνω αποτελούν τα θεμέλια στα οποία στηρίζεται η ηλεκτρονική επιστήμη για να χτίσει το οικοδόμημά της, που αποτελείται από πολύπλοκα και σύνθετα κυκλώματα.
Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Μεγεθυντική διάταξη η οποία αντί για κοινούς φακούς χρησιμοποιεί ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία, τα οποία προκαλούν εστίαση μιας ηλεκτρονικής δέσμης πάνω στο παρατηρούμενο αντικείμενο και δίνουν είδωλο πολλές χιλιάδες φορές μεγαλύτερο.
Κάθε ρεύμα από κινούμενα σωματίδια είναι δυνατό να θεωρηθεί ως «υλικό κύμα», με ορισμένο μήκος κύματος, το οποίο είναι αντίστροφα ανάλογο προς την ταχύτητα των σωματιδίων. Ένα αντικείμενο για να γίνει ορατό, πρέπει να είναι μεγαλύτερο από το μήκος κύματος του φωτός που χρησιμοποιούμε για την παρατήρησή του. Επομένως όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος, τόσο μικρότερα αντικείμενα είναι δυνατό να παρατηρηθούν. Στα κοινά μικροσκόπια υπάρχει ένα όριο στη διαχωριστική ικανότητα, το οποίο εξαρτάται από το μήκος κύματος του ορατού φωτός. Έτσι μπορούμε να διακρίνουμε αντικείμενα που έχουν απόσταση μεταξύ τους 4.000 Å. Στην περίπτωση όμως των κινούμενων σωματιδίων, η αύξηση της ταχύτητάς τους και η ανάλογη μείωση του μήκους κύματος του «υλικού κύματος» έχει ως συνέπεια την αύξηση της διακριτικής ικανότητας των μικροσκοπίων που χρησιμοποιούν δέσμες σωματιδίων, η οποία φτάνει τα 0,05 Å. Είναι δηλαδή 80.000 φορές μεγαλύτερη από τη διαχωριστική ικανότητα των κοινών μικροσκοπίων. Η λειτουργία ενός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου παρουσιάζει αναλογίες με το σύστημα μικροφωτογράφησης.
Πηγή της ηλεκτρονικής δέσμης είναι μια διάπυρη μεταλλική κάθοδος. Η δέσμη των ηλεκτρονίων επιταχύνεται με την επίδραση του ανοδικού ηλεκτρικού πεδίου και περνάει από ένα μαγνητικό συγκεντρωτικό φακό. Έπειτα η συγκλίνουσα δέσμη πέφτει πάνω στο παρατηρούμενο αντικείμενο, το οποίο τοποθετείται σε ειδική λεπτή πλαστική θήκη από καλώδιο. Τα ηλεκτρόνια που περνούν από το αντικείμενο παθαίνουν εκτροπή από την αρχική τους διεύθυνση και καταλήγουν στον αντικειμενικό μαγνητικό φακό, ο οποίος σχηματίζει ενδιάμεσα το πραγματικό είδωλο του αντικειμένου. Τα ηλεκτρόνια των διάφορων σημείων του ειδώλου περνούν από το μαγνητικό φακό προβολής και σχηματίζουν πραγματικό είδωλο πάνω σε «φθορίζον» διάφραγμα ή σε φωτογραφικό φιλμ. Όλο το σύστημα του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου βρίσκεται μέσα σε αερόκενο σωλήνα μεταλλικό, ο οποίος σε ορισμένες θέσεις έχει θυρίδες για την παρατήρηση του εσωτερικού του. Πρόσθετη μεγέθυνση στο μικροσκόπιο προσφέρει και μια οπτική διάταξη που δεκαπλασιάζει την αρχική εικόνα του αντικειμένου.
Με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο έγινε δυνατή η παρατήρηση μεγάλων μορίων και η βιολογική έρευνα κατόρθωσε να εισχωρήσει στον άγνωστο κόσμο των γονιδίων και των χρωματοσωμάτων. Στην περίπτωση της μικροσκόπησης ενός βιολογικού υλικού ακολουθείται η εξής σειρά: εκλογή και λήψη υλικού, μονιμοποίηση και αφυδάτωση, έγκλειση, λήψη τομών, χρώση και μικροσκόπηση. Ειδικά στην περίπτωση της βιολογικής έρευνας, το ηλεκτρικό μικροσκόπιο συνοδεύεται και από μερικά άλλα όργανα-μικροεργαλεία.
Ηλεκτρόνιο. Στοιχειώδες ατομικό σωματίδιο που, μαζί με τα πρωτόνια και τα νετρόνια, αποτελεί το βασικό δομικό συστατικό των υλικών του σύμπαντος. Το ηλεκτρόνιο έχει αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο με τιμή e = 1,6 • 10-19 Cb και μάζα ηρεμίας m = 9,1 • 10-31 Kg. Η ύπαρξη αυτού του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου προβλέφτηκε από το Φαραντέι και αργότερα, με διάφορες πειραματικές έρευνες, αποδείχτηκε ότι όλα τα ηλεκτρικά φορτία που συναντώνται στη φύση είναι ακέραια πολλαπλάσια του φορτίου του ηλεκτρονίου, το οποίο αποτελεί μια φυσική σταθερή οντότητα. Αυτό έχει ως συνέπεια τον κβαντισμό του ηλεκτρικού φορτίου, με κβάντο το φορτίο του ηλεκτρονίου. Η ανακάλυψη του ηλεκτρονίου έγινε από το Βρετανό φυσικό Τζ. Τζ. Τόμσον, στον οποίο απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ το 1906.
Σύμφωνα με τις σύγχρονες αντιλήψεις, τα άτομα που συγκροτούν την ύλη αποτελούνται από το θετικά φορτισμένο πυρήνα και τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω από αυτόν. Δεν υπάρχει καμιά διαφορά ανάμεσα στα ηλεκτρόνια των διάφορων ατόμων ούτε ως προς τη μάζα και το σχήμα ούτε ως προς το φορτίο. Βρέθηκε όμως, κατά τη μελέτη των κοσμικών ακτινών από τον Αμερικανό φυσικό Κ. Ντ. Άντερσον, ότι υπάρχει και ένα άλλο σωματίδιο με μάζα ίση με τη μάζα του ηλεκτρονίου, αλλά με φορτίο θετικό. Το σωματίδιο αυτό ονομάστηκε θετικό ηλεκτρόνιο ή ποζιτρόνιο.
Από άποψη δομής, το κέντρο του ατόμου κατέχεται από τον πυρήνα, ενώ τα ηλεκτρόνια περιφέρονται σε κυκλικές ή ελλειπτικές τροχιές και σε μεγάλες αποστάσεις από τον πυρήνα. Τα περιφερόμενα ηλεκτρόνια ανήκουν σε ομάδες που αποτελούν τους φλοιούς ή στιβάδες. Έτσι το άτομο παρουσιάζει τυπικές ομοιότητες με το πλανητικό σύστημα, με τη διαφορά ότι το ρόλο της νευτώνειας έλξης παίζει η δύναμη Κουλόμπ, που αναπτύσσεται ανάμεσα στα φορτία. Αξίζει να σημειωθεί ότι η παραδοχή για την κατανομή των ηλεκτρονίων σε συγκεκριμένες τροχιές έχει χαρακτήρα θεωρητικό και αποσκοπεί στη διευκόλυνση της μελέτης των κινήσεων και των αλληλεπιδράσεων των ηλεκτρονίων (βλ. λ. άτομο).
Τα ηλεκτρόνια που ανήκουν στους εσωτερικούς φλοιούς λέγονται εσωτερικά, ενώ εκείνα που ανήκουν στους εξωτερικούς λέγονται εξωτερικά ή ηλεκτρόνια σθένους. Η περιφορά του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση της τροχιακής στροφορμής G, ενώ η κίνηση αυτή είναι ισοδύναμη με κυκλικό ρεύμα που χαρακτηρίζεται από ορισμένη μαγνητική ροπή. Η φασματοσκοπική έρευνα οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το ηλεκτρόνιο, εκτός από την περιφορά του γύρω από τον πυρήνα, εκτελεί ταυτόχρονα και περιστροφική κίνηση γύρω από άξονα, που περνάει από το κέντρο του. Έτσι το ηλεκτρόνιο εμφανίζει μια ιδιοστροφορμή που λέγεται spin. Όπως αποδείχτηκε από το Βρετανό φυσικό Π. Ντιράκ, το spin μπορεί να πάρει μόνο δύο προσανατολισμούς, δηλαδή θα είναι είτε ομόρροπο προς την τροχιακή στροφορμή, είτε αντίρροπο.
Πρέπει να σημειωθεί ότι η μελέτη της συμπεριφοράς, της κίνησης και της ενεργειακής κατάστασης των ηλεκτρονίων γίνεται με βάση τις παραδοχές και το ατομικό πρότυπο του Μπορ, όπου οι συνθήκες πρέπει να τηρούνται υποχρεωτικά από τα ηλεκτρόνια (βλ. λ. άτομο).
Οι τροχιές στο υπόδειγμα αυτό είναι κυκλικές, με αποτέλεσμα την εύκολη μελέτη της κίνησης των ηλεκτρονίων. Αργότερα ο Γερμανός φυσικός Ά. Σόμερφελντ απέδειξε ότι το ηλεκτρόνιο, εκτός από την κυκλική τροχιά, μπορεί να διαγράψει και ελλειπτική τροχιά, οπότε έγινε δυνατή και η εξήγηση της λεπτής υφής των φασματικών γραμμών του υδρογόνου.
Ο χαρακτήρας και η κατάσταση κάθε ηλεκτρονίου που υπάρχει στο άτομο, καθορίζονται από τους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς (n, l, m1, ms). Ο κύριος κβαντικός αριθμός (n) καθορίζει την ολική ενέργεια του n, ενώ ο δευτερεύοντας κβαντικός αριθμός (Ι) δίνει το μέτρο της τροχιακής στροφορμής του ηλεκτρονίου. Ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός της τροχιακής στροφορμής (m1) και ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός του spin (ms), προσδιορίζουν τον προσανατολισμό της τροχιακής στροφορμής και του spin ως προς μια χαρακτηριστική διεύθυνση.
Ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων ενός ατόμου δίνεται από τον ατομικό αριθμό Ζ, ο οποίος συγχρόνως δίνει τον αριθμό των πρωτονίων του πυρήνα και τον αύξοντα αριθμό της θέσης του στοιχείου στο περιοδικό σύστημα. Η κατανομή όμως αυτού του πλήθους των ηλεκτρονίων στους διάφορους φλοιούς υπακούει σε μια απαγορευτική αρχή, που διατυπώθηκε από τον Αυστριακό φυσικό Β. Πάουλι. Σύμφωνα με την αρχή αυτή, κάθε ηλεκτρόνιο του ατόμου έχει μια μοναδική σειρά κβαντικών αριθμών και κάθε φλοιός μπορεί να περιέχει 2 • n2 ηλεκτρόνια (όπου n = 1, 2, 3... αντίστοιχα προς τους φλοιούς Κ, L, M, N, O, P και Q).
Το ατομικό υπόδειγμα του Μπορ δεν μπόρεσε να δώσει ικανοποιητικές εξηγήσεις σε πολλές ατομικές ιδιότητες και οδήγησε σε αντινομίες, όταν εφαρμόστηκε σε πολυηλεκτρονιακά ατομικά συστήματα. Έτσι η κυματομηχανική του Αυστριακού φυσικού Έ. Σρέντιγκερ και η κβαντομηχανική του Γερμανού Β. Κ. Χάιζενμπεργκ, με βάση το μαθηματικό λογισμό, ήρθαν να καλύψουν τα κενά της κλασικής μηχανικής και να διερευνήσουν μερικά από τα τρία βασικά προβλήματα της φυσικής του μικρόκοσμου, των ατομικών και υποατομικών σωματιδίων.
Σύμφωνα με τις απόψεις της κβαντομηχανικής, αντί της καθορισμένης τροχιάς, γίνεται η εισαγωγή της έννοιας της πιθανότητας για την παρατήρηση ενός ηλεκτρονίου σε ένα συγκεκριμένο σημείο του ατομικού χώρου. Το σύνολο των πιθανών θέσεων για μια χρονική περίοδο δίνει μια εικόνα της «μέσης» κατάστασής τους. Η περιγραφή της κίνησης του ηλεκτρονίου με στατιστικό τρόπο λέγεται τροχιακό.
Από κυματομηχανική άποψη, η μάζα και το ηλεκτρικό φορτίο του ηλεκτρονίου που κινείται στο χώρο, κατανέμονται σε ένα φορέα υλικού κύματος, οπότε η κατανομή της μάζας και του φορτίου παίρνει διάφορες μορφές, καθεμιά από τις οποίες αντιστοιχεί σε συγκεκριμένη ενεργειακή κατάσταση του ηλεκτρονίου.
Επομένως το ηλεκτρόνιο, καθώς κινείται μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο του ατομικού πυρήνα, μετατρέπεται σε «νέφος», το οποίο παρουσιάζει ορισμένη ταλάντωση γύρω από μια θέση ισορροπίας και έχει μορφή που εξαρτάται από την ενεργειακή κατάσταση του ηλεκτρονίου. Έτσι δεν είναι δυνατή η κίνηση των ηλεκτρονίων σε οποιαδήποτε ατομική τροχιά, αλλά μόνο σε τροχιές των οποίων το μήκος είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του μήκους του υλικού κύματος προς το οποίο είναι ισοδύναμο το ηλεκτρόνιο.
Ηλεκτρόνια σθένους. Είναι τα ηλεκτρόνια του εξωτερικού φλοιού του ατόμου. Ο αριθμός των εξωτερικών ηλεκτρονίων, τα οποία παραχωρεί ή συνεισφέρει ένα άτομο, είναι καθοριστικός παράγοντας των χημικών του ιδιοτήτων και χαρακτηρίζουν το σθένος του. Όταν δύο στοιχεία έχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων σθένους, παρουσιάζουν ανάλογες χημικές ιδιότητες και ανήκουν στην ίδια ομάδα του περιοδικού συστήματος.
Ηλεκτρόνια ελεύθερα. Είναι τα ηλεκτρόνια των μετάλλων τα οποία μπορούν να κινούνται άτακτα μέσα στη μάζα τους, όπως ακριβώς τα μόρια ενός αερίου που βρίσκεται σε κλειστό χώρο. Με βάση τα ελεύθερα ηλεκτρόνια γίνεται δυνατή η εξήγηση της αγωγιμότητας των μετάλλων και η εμφάνιση του ηλεκτρικού ρεύματος. Οι μονωτές, σε αντίθεση με τους μεταλλικούς αγωγούς, δεν έχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια, οπότε και διατηρούν εντοπισμένα τα ηλεκτρικά φορτία.
Ηλεκτροτεχνία. Ο κλάδος της επιστήμης που ασχολείται με την κυκλωματική τεχνική και την εφαρμογή των διάφορων ηλεκτρονικών στοιχείων, όπως είναι οι αντιστάσεις, τα πηνία, οι πυκνωτές, οι ημιαγωγοί, οι λυχνίες κτλ. Επίσης με τις εφαρμογές διάφορων μικροκυκλωμάτων σε λεπτά ηλεκτρονικά όργανα. Συνοπτικά ασχολείται με:
1. Τις μορφές των ρευμάτων, συνεχούς και εναλλασσόμενου, με μορφή μιγαδικού διανυσματικού λογισμού.
2. Την περιγραφή των στοιχείων των διάφορων κυκλωμάτων R, L, C και την εφαρμογή του νόμου του Ohm σ’ αυτά.
3. Το φαινόμενο συντονισμού, όταν έχουν αντίσταση R, πηνίο L και πυκνωτή C συνδεδεμένα σε σειρά (βλ. σχήμα 1).
4. Το φαινόμενο αντισυντονισμού.
5. Τους ηθμούς, δηλαδή φίλτρα χαμηλών ή υψηλών συχνοτήτων, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρύτατα στους ραδιοενισχυτές και γενικά στα όργανα μουσικής υψηλής πιστότητας.
6. Τη θεωρία κυκλωμάτων και κυρίως με τα τετράπολα (βλ. σχήμα 2) και με τα θεωρήματα Thevenin και Norton, τα οποία οποιοδήποτε σύνθετο κύκλωμα το απλοποιούν και το κάνουν ισοδύναμο με ένα κύκλωμα που περιέχει μια γεννήτρια τάσης Εο και μια αντίσταση ΖR.
7. Τη μαθηματική ανάλυση των κυκλωμάτων με τις μεθόδους των βρόγχων, των κόμβων και την εφαρμογή σ’ αυτά των νόμων του Kirchoff.
8. Τους μετασχηματιστές χαμηλών, υψηλών συχνοτήτων και τις εφαρμογές τους (βλ. σχήμα 3).
Πέρα απ’ αυτά τα βασικότερα κεφάλαια, η ηλεκτροτεχνία ασχολείται και με άλλα σχετικά μ’ αυτά. Τέλος η ηλεκτροτεχνία ασχολείται με τη μελέτη των τεχνικών εφαρμογών του ηλεκτρισμού και των διάφορων κατασκευαστικών προβλημάτων που έχουν σχέση μ’ αυτόν.
Η ανάπτυξη της ηλεκτροτεχνίας άρχισε από το 19ο αι. Τότε κατόρθωσαν για πρώτη φορά να πετύχουν τη συσσώρευση μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρισμού και να τον χρησιμοποιήσουν βιομηχανικά. Αυτό άνοιξε το δρόμο στη ραγδαία βιομηχανική και οικονομική ανάπτυξη που είναι άμεσα επακόλουθα της χρησιμοποίησης τεράστιων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας. Η αλματώδης ανάπτυξη της ηλεκτροτεχνίας είχε ως αποτέλεσμα την κατασκευή όλο και τελειότερων ηλεκτροπαραγωγών μονάδων μεγάλης ισχύος, καθώς επίσης και γραμμών μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας από τους σταθμούς παραγωγής στις περιοχές κατανάλωσης. Οι λάμπες πετρελαίου και φωταερίου αντικαταστάθηκαν από ηλεκτρικές λυχνίες με μεγαλύτερη και οικονομικότερη απόδοση.
Σημαντική υπήρξε η προσφορά της ηλεκτροτεχνίας στις επικοινωνίες και τις διαβιβάσεις. Σε συνδυασμό με τη ραδιοτεχνία και την ηλεκτρονική, μετέβαλε ριζικά τις συνθήκες διαβίωσης του ανθρώπου, εισάγοντας στην καθημερινή χρήση συσκευές, όπως είναι το ραδιόφωνο, το τηλέφωνο, η τηλεόραση και ο ηλεκτρονικός έλεγχος ολόκληρων συγκροτημάτων ηλεκτροπαραγωγής και κατασκευής βιομηχανικών προϊόντων.
Ημιαγωγοί.Υλικά των οποίων η ηλεκτρική αγωγιμότητα έχει ενδιάμεση τιμή ανάμεσα στην αγωγιμότητα των αγωγών και των μονωτών. Στους μεταλλικούς αγωγούς η αγωγιμότητα, δηλαδή η ευκολία στη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος, εξαρτάται από τον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων που υπάρχουν στο σώμα. Ελεύθερα ηλεκτρόνια χαρακτηρίζονται εκείνα που δεν είναι δεσμευμένα από ένα συγκεκριμένο άτομο, αλλά κυκλοφορούν ελεύθερα μέσα στο σώμα, οπότε με την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου δημιουργούν με την κίνησή τους το ηλεκτρικό ρεύμα.
Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια δημιουργούν «συρμούς», οι οποίοι περνούν από το κρυσταλλικό πλέγμα των ατόμων που παρουσιάζει μια μόνιμη περιοδική ταλάντωση. Με την αύξηση της θερμοκρασίας του αγωγού αυξάνει το πλάτος της ταλάντωσης των ατόμων, οπότε αυξάνει και η ηλεκτρική αντίσταση του αγωγού. Αντίθετα, στους μονωτές δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια και κατά συνέπεια δεν υπάρχουν φορείς για τη μεταφορά του ηλεκτρικού ρεύματος. Τέλος οι ημιαγωγοί περιέχουν μικρό αριθμό ελεύθερων ηλεκτρονίων και σε κανονική θερμοκρασία δωματίου παρουσιάζουν αγωγιμότητα 100.000 φορές μικρότερη από τα μέταλλα. Στην περίπτωση όμως των ημιαγωγών η αύξηση της θερμοκρασίας έχει ως συνέπεια την αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Όταν η θερμοκρασία του ημιαγωγού είναι χαμηλή, τα περισσότερα ηλεκτρόνια διατηρούν τη θέση τους στο κρυσταλλικό πλέγμα και παρουσιάζουν χαλαρή σύνδεση με τα άτομα στα οποία ανήκουν.
Σύμφωνα με τη θεωρία των ζωνών ενέργειας στους ημιαγωγούς, διακρίνουμε: α) Τη ζώνη σθένους, η οποία είναι γεμάτη από ηλεκτρόνια. β) Την υπερκείμενη επιτρεπόμενη ζώνη, που δεν έχει κανένα ηλεκτρόνιο. γ) Tην απαγορευμένη ζώνη, που έχει μικρό ενεργειακό πλάτος και καταλαμβάνει το χώρο ανάμεσα στις δύο άλλες ζώνες.
Τα ηλεκτρόνια της ζώνης σθένους παίρνουν την απαιτούμενη ενέργεια για τη μεταπήδησή τους στην επιτρεπόμενη ζώνη αγωγιμότητας είτε από την εσωτερική θερμική ενέργεια είτε με επίδραση θερμότητας, πίεσης ή φωτός. Επομένως, με την αύξηση της θερμοκρασίας των ημιαγωγών, τα άτομα απορροφούν ενέργεια, η ταλάντωσή τους γίνεται περισσότερο έντονη και ελευθερώνουν ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια τα οποία και δεσμεύονται από το θετικό πόλο της γεννήτριας. Η μετακίνηση αυτή του ηλεκτρονίου δημιουργεί στο άτομο έναν κενό χώρο, ο οποίος στην περίπτωση των ημιαγωγών λέγεται «οπή». Η οπή δημιουργείται στη ζώνη σθένους και αντιπροσωπεύει την έλλειψη ενός ηλεκτρονίου, δηλαδή ισοδυναμεί με ένα θετικό στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο. Με την επίδραση όμως του ηλεκτρικού πεδίου, τη θέση της οπής καταλαμβάνει ένα ηλεκτρόνιο από το γειτονικό άτομο. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται με μεγάλη ταχύτητα, έτσι ώστε ο «συρμός» των ηλεκτρονίων που αποσπώνται να κινείται από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας, με αντίθετη φορά προς την κίνηση των διαδοχικά δημιουργούμενων οπών. Η κίνηση των οπών ισοδυναμεί με μεταφορά θετικού ηλεκτρικού φορτίου. Επομένως η ηλεκτρική αγωγιμότητα των ημιαγωγών οφείλεται στους δύο αυτούς μηχανισμούς της κίνησης των ηλεκτρονίων και των οπών. Θεωρητικά και πειραματικά έχει αποδειχτεί ότι η ολική ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος (Ιολ), που διαρρέει έναν καθαρό ημιαγωγό, ισούται με το άθροισμα των εντάσεων των ρευμάτων που προκύπτουν από την κίνηση των ηλεκτρονίων της ζώνης αγωγιμότητας και των οπών της ζώνης σθένους, δηλαδή Ιολ = Ιe + Io...
Οι σπουδαιότεροι ημιαγωγοί είναι τα στοιχεία πυρίτιο (Si), γερμάνιο (Ge), σελήνιο (Se) και η χημική ένωση σιδηροπυρίτης (FeS2). Επίσης στην κατηγορία των ημιαγωγών ανήκουν και μερικά οξείδια (MnO, NiΟ κ.ά.) όπως και μερικές θειούχες ενώσεις μετάλλων (PbS, CdS κ.ά.). Αν η αγωγιμότητα των ημιαγωγών οφείλεται σε κίνηση ηλεκτρονίων που δημιουργείται από τις θερμικές ταλαντώσεις των ατόμων, τότε οι ημιαγωγοί λέγονται αυτοτελείς. Συνήθως, όμως, στις πρακτικές εφαρμογές, η αγωγιμότητα ενός ημιαγωγού οφείλεται σε νοθεία του κρυσταλλικού του πλέγματος, οπότε έχουμε τους ημιαγωγούς πρόσμειξης. Στους χημικά καθαρούς ημιαγωγούς όσα ηλεκτρόνια αποσπώνται από άτομα, τόσες οπές δημιουργούνται. Η πρόσμειξη όμως ελάχιστης ποσότητας από άλλο στοιχείο, μπορεί να δημιουργήσει πλεόνασμα ηλεκτρονίων ή πλεόνασμα οπών. Π.χ. το υποξείδιο του χαλκού, αν εμπλουτιστεί με ποσότητα χαλκού, θα παρουσιάσει πλεόνασμα σε ηλεκτρόνια, ενώ αν εμπλουτιστεί με οξυγόνο, θα παρουσιάσει πλεόνασμα οπών. Οι ημιαγωγοί στους οποίους οι βασικοί φορείς του ηλεκτρικού ρεύματος είναι τα ηλεκτρόνια λέγονται ηλεκτρονικοί ή τύπου n (από το negatif = αρνητικός), ενώ εκείνοι στους οποίους η αγωγιμότητα οφείλεται στην πληθώρα των οπών λέγονται διάτρητοι ή τύπου p (από το positif = θετικός).
Η νόθευση του ημιαγωγού με ορισμένη δόση από το κατάλληλο στοιχείο γίνεται συνήθως με τη μέθοδο της διάχυσης και η επιθυμητή αναλογία είναι από 1014 μέχρι 1017 σε κάθε κυβικό εκατοστό του ημιαγωγού. Η πρόσμειξη των στοιχείων δημιουργεί τους ημιαγωγούς τύπου p ή n ως εξής: α) Τα άτομα του γερμανίου έχουν τέσσερα ηλεκτρόνια στην εσωτερική στιβάδα. Νοθεύουμε το κρυσταλλικό πλέγμα με άτομα αρσενικού, που έχουν πέντε ηλεκτρόνια σθένους. Από τα τέσσερα άτομα γερμανίου, που περιβάλλουν κάθε άτομο αρσενικού, το καθένα δεσμεύει και από ένα ηλεκτρόνιο του τελευταίου. Τελικά το πέμπτο ηλεκτρόνιο του αρσενικού μένει ασύνδετο και εύκολα μετατρέπεται σε ελεύθερο. Το άτομο του αρσενικού λέγεται δότης και ο ημιαγωγός είναι τύπου n. Αν όμως η νοθεία γίνει με άτομο ινδίου που έχει τρία ηλεκτρόνια σθένους, τότε μένει ένα άτομο γερμανίου, που δε συνδέεται με άλλο. Έτσι ένα ηλεκτρόνιο από το άτομο του γερμανίου, μπορεί να προστεθεί στο ίνδιο, το οποίο γίνεται αρνητικό ιόν, ενώ το άτομο του γερμανίου παραμένει ως θετικό ιόν (οπή). Το άτομο του ίνδιου λέγεται δέκτης και ο ημιαγωγός είναι τύπου p.
Χαρακτηριστικό γνώρισμα των ημιαγωγών είναι ότι υπάρχουν όχι μόνο στην κρυσταλλική, αλλά και σε υγρή και υαλώδη μορφή.
Εφαρμογές. Η απλούστερη εφαρμογή των ημιαγωγών είναι η κρυσταλλοδίοδος, η οποία είναι ένωση τύπου p και n ημιαγωγών και χρησιμοποιείται στην κατασκευή ανορθωτών για τη μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές. Επίσης τα τρανζίστορ λειτουργούν με ημιαγωγό πυριτίου, γερμανίου κτλ. που παίρνουν τη θέση των ηλεκτρικών λυχνιών. Οι πομποί και οι δέκτες με ημιαγωγούς καταλαμβάνουν ελάχιστο χώρο και παρουσιάζουν μεγάλη στερεότητα, οπότε είναι κατάλληλοι για χρήση σε δορυφόρους και διαστημόπλοια. Η κατασκευή των πολύπλοκων ηλεκτρονικών υπολογιστών έγινε δυνατή μετά την ανακάλυψη των ημιαγωγών, οι οποίοι, σε σχέση με τα ολοκληρωμένα κυκλώματα, διαδραματίζουν σπουδαιότατο ρόλο στους υπολογισμούς. Θερμοηλεκτρικές γεννήτριες με ημιαγωγό χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της άχρηστης θερμότητας των καύσεων σε ηλεκτρική ενέργεια.
Στην ιατρική, ζεύγη ημιαγωγών χρησιμοποιούνται ως μικρά ψυγεία χωρίς κινητήρα και γεννήτρια για τη δημιουργία τεχνητού τοπικού ψύχους. Φωτοστοιχεία με ημιαγωγούς χρησιμοποιούνται για την ανάλυση του αίματος και τον προσδιορισμό των ερυθρών αιμοσφαιρίων. Οι ημιαγωγοί έκαναν δυνατή την κατασκευή της συσκευής που χρησιμοποιούν οι τυφλοί για να διαβάζουν και η οποία μετατρέπει τις χρωματικές διαφορές των γραμμάτων σε ηλεκτρικά σήματα. Οι φωτοδίοδοι και οι φωτοαντιστάσεις με τις άπειρες τεχνολογικές εφαρμογές κατασκευάζονται με ημιαγωγούς, ενώ το φαινόμενο της ηλεκτροφωτοανταύγειας δημιουργεί πηγές με μεγάλη επιφάνεια χωρίς ενοχλητική λαμπρότητα. Ημιαγωγοί επίσης χρησιμοποιούνται ως ανιχνευτές πυρηνικής ακτινοβολίας και με υγρή μορφή ως καταλύτες για την υποβοήθηση των χημικών αντιδράσεων.
Ήχος. Η κραδαστική κίνηση των μορίων ενός σώματος, η οποία διαδίδεται σ’ ένα ελαστικό μέσο και αποτελεί την αιτία για τη διέγερση του αισθητηρίου της ακοής.
Η διάδοση του ήχου μέσα από τα διάφορα σώματα οφείλεται στις ελαστικές ιδιότητές τους και στην πυκνότητά τους. Ο ήχος διαδίδεται σε στερεά, υγρά ή αέρια, αλλά η ταχύτητα διάδοσής του είναι ανάλογη προς τη συνοχή των μορίων του σώματος. Έτσι, με πειραματικές μεθόδους βρέθηκε ότι με τις συνηθισμένες συνθήκες θερμοκρασίας η ταχύτητα του ήχου στον αέρα είναι 340 m/sec. Η θερμοκρασία είναι ένας καθοριστικός παράγοντας της ταχύτητας και στην περίπτωση της διάδοσης ηχητικών κυμάτων στον αέρα, η ταχύτητα του ήχου είναι ανεξάρτητη από τη συχνότητα δόνησης και την ατμοσφαιρική πίεση και αυξάνει όταν η θερμοκρασία γίνει υψηλότερη. Με πιο απλή έκφραση, όπου u0 η ταχύτητα του ήχου σε θερμοκρασία 0°C, (θ) η θερμοκρασία του αερίου και (α) ο σταθερός θερμικός συντελεστής των αερίων α = 1/273 grd-1. Η δημιουργία κάθε μορφής ήχου οφείλεται σε ταλάντωση μιας ηχητικής πηγής, αλλά η διάδοση του ήχου προϋποθέτει την ύπαρξη ελαστικού μέσου.
Στο ελαστικό αυτό μέσο δε γίνεται υλική μετατόπιση, αλλά μεταφορά ενέργειας από το ένα σημείο του μέσου στο άλλο. Η διάδοση της ενέργειας γίνεται με εγκάρσια ή διαμήκη κύματα, όπως συμβαίνει στα στερεά, ή μόνο με διαμήκη, όπως συμβαίνει στα αέρια. Τα μόρια των αερίων εκτελούν αρμονικές ταλαντώσεις κατά τη διεύθυνση διάδοσης της κύμανσης, οπότε σχηματίζουν μια διαδοχική σειρά από πυκνώματα και αραιώματα. Αυτή η διαμόρφωση στην πυκνότητα του μέσου διάδοσης έχει ως συνέπεια την περιοδική μεταβολή της πίεσης του αέρα που βρίσκεται σε επαφή με το ακουστικό τύμπανο, οπότε και προκαλείται ο φυσιολογικός ερεθισμός του, ο οποίος δίνει την αίσθηση της ακοής. Ο ήχος δεν είναι δυνατό να φτάσει από την ηχητική πηγή στο αισθητήριο της ακοής, αν δεν υπάρχει ελαστικό μέσο διάδοσης, πράγμα που σημαίνει ότι ο ήχος δε διαδίδεται στο κενό.
Χαρακτηριστικές έννοιες, που δίνουν την ιδιομορφία στους διάφορους ήχους, είναι το μήκος κύματος (λ) και η συχνότητα (ν). Τα δύο αυτά μεγέθη συνδέονται μεταξύ τους και με την ταχύτητα διάδοσης (υ) με τη σχέση υ = ν • λ. Το ποσό της ηχητικής ενέργειας που διαπερνά κάθετα τη μονάδα της επιφάνειας σ’ ένα ορισμένο σημείο του χώρου λέγεται ένταση του ήχου και μετριέται σε Watt/cm2.
Είδη ήχων. Βασικά διαχωρίζουμε τους ήχους σε απλούς και σε σύνθετους. Απλός ήχος ή τόνος είναι εκείνος που παράγεται από μια απλή αρμονική κίνηση των μορίων του ηχογόνου σώματος. Οι τόνοι παρασταίνονται γραφικά με μια ημιτονοειδή καμπύλη και προέρχονται από τις σειρήνες, τα διαπασών και τους ηχητικούς σωλήνες. Σύνθετοι ήχοι ή φθόγγοι είναι μείγματα, που αποτελούνται από έναν τόνο και μια σειρά αρμονικών του. Παρασταίνονται γραφικά με μια περιοδική καμπύλη και παράγονται από τις χορδές. Στη γενική έννοια του ήχου μπορούμε επίσης να κατατάξουμε τους θορύβους και τους κρότους. Σε κάθε ήχο διακρίνουμε τρία γνωρίσματα υποκειμενικά, που εξαρτώνται δηλαδή από την ιδιομορφία του «δέκτη». Έτσι έχουμε το ύψος, την ακουστότητα και τη χροιά. Το ύψος ανάγεται στη συχνότητα του ηχητικού κύματος, η ακουστότητα στο πλάτος του και η χροιά στο πλήθος και την ένταση των αρμονικών, που συνοδεύουν το θεμελιώδη ήχο. Το ύψος ενός ήχου καθορίζεται και από την κινητική κατάσταση της ηχητικής πηγής σε σχέση με τον παρατηρητή. Η σχέση αυτή εξάρτησης εκφράζεται με το γενικό τύπο, ο οποίος είναι και το συμπέρασμα της μελέτης του φαινομένου Ντόπλερ-Φιζό. Η σχέση ανάμεσα στην ένταση του ήχου και την ένταση του ηχητικού αισθήματος εκφράζεται από τον ψυχοφυσικό νόμο των Weber-Fechner, σύμφωνα με τον οποίο: «η ένταση του υποκειμενικού αισθήματος είναι ανάλογη προς το λογάριθμο της έντασης του αντικειμενικού ερεθισμού». Μονάδες υποκειμενικής έντασης του ήχου είναι το Phon (φον) και το desibel (ντεσιμπέλ).
Πεδίο ακουστότητας. Για κάθε συχνότητα ηχητικής κύμανσης υπάρχει ένα πεδίο ακουστότητας, που περιλαμβάνεται ανάμεσα σε μια ελάχιστη ένταση ήχου (κατώφλι ακουστότητας) και σε μια μέγιστη ένταση ήχου (όριο πόνου).
Όρια ακουστών ήχων. Το ακουστικό φάσμα, που γίνεται αντιληπτό από τον άνθρωπο, περιλαμβάνει ορισμένες συχνότητες και εξαρτάται από την ηλικία και την κατάσταση υγείας του παρατηρητή. Το κατώτερο όριο ακουστικής συχνότητας είναι 16 ταλαντώσεις στο δευτερόλεπτο (16 Hz), ενώ το ανώτερο όριο δεν μπορεί να καθοριστεί με ακρίβεια, παρά μόνο σε συγκεκριμένο παρατηρητή. Έτσι για νεαρά άτομα το ανώτερο όριο είναι 24.000 Hz, ενώ για άτομα περασμένης ηλικίας κατεβαίνει μέχρι 14.000 Hz. Πάντως ο μέσος όρος είναι γύρω στα 20.000 Hz. Κάτω από τα 16 Hz υπάρχουν οι υπόηχοι και πάνω από 20.000 Hz οι υπέρηχοι. Οι δύο αυτές μορφές του ήχου δε γίνονται αντιληπτές με το αισθητήριο της ακοής του ανθρώπου.
Θάλαμος. Με το γενικό όρο θάλαμοι ονομάζονται διάφοροι «φωρατές» που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση πυρηνικών ακτινοβολιών.
Στις πυρηνικές διασπάσεις και μεταβολές έχουμε πάντοτε ως αποτέλεσμα την πυρηνική ακτινοβολία, που είναι δυνατό να αποτελείται από σωματίδια με μεγάλη ενέργεια ή από ακτινοβολίες ηλεκτρομαγνητικής φύσης. Οι πυρηνικές ακτινοβολίες είναι δυνατό να ανιχνευτούν από την αλληλεπίδρασή τους με την ύλη. Στην προκειμένη περίπτωση χρησιμοποιούνται διάφοροι «φωρατές» (θάλαμοι). Διακρίνουμε δύο κατηγορίες φωρατών: εκείνους που λειτουργούν με βάση το φαινόμενο του ιονισμού και εκείνους που λειτουργούν με βάση τα φαινόμενα της διέγερσης των ατόμων.
Θάλαμος ιονισμού. Η λειτουργία αυτού του τύπου θαλάμων στηρίζεται στην ιδιότητα των ραδιενεργών ακτινοβολιών που προκαλούν φαινόμενα ιονισμού, όταν επιδράσουν πάνω σε υλικά σωματίδια. Ο θάλαμος ιονισμού έχει ως βασικό τμήμα του ένα μεταλλικό θάλαμο, μέσα στον οποίο υπάρχουν δύο ηλεκτρόδια. Σε μερικούς τύπους το ένα από τα ηλεκτρόδια είναι ο ίδιος ο θάλαμος. Επομένως ο θάλαμος ιονισμού είναι βασικά ένας επίπεδος πυκνωτής σε ένα δοχείο που περιέχει συνήθως «ευγενές αέριο». Όταν ανάμεσα στους οπλισμούς αυτού του πυκνωτή υπάρχει ορισμένη τάση, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο. Τα κινούμενα σωματίδια, που προέρχονται από μια μορφή ακτινοβολίας, περνούν στο χώρο ανάμεσα στα δύο ηλεκτρόδια, ιονίζουν το αέριο και δημιουργούν ζεύγος από ιόντα (αρνητικά και θετικά ιόντα). Με την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου τα ιόντα επιταχύνονται και κινούνται προς τα αντίστοιχα ετερώνυμα ηλεκτρόδια. Η κίνηση αυτή των ιόντων ισοδυναμεί με ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο μετριέται με κατάλληλο ηλεκτρικό όργανο (π.χ. γαλβανόμετρο). Η ένταση του ρεύματος θα είναι τόσο μεγαλύτερη, όσο περισσότερα ιονίζοντα σωματίδια περνούν από το θάλαμο. Με το θάλαμο ιονισμού είναι δυνατό να μετρηθεί το πλήθος των φορτισμένων σωματιδίων (π.χ. σωματίδια -α), τα οποία σε ορισμένο χρόνο περνούν μέσα σ’ αυτόν. Επίσης προσδιορίζεται και η ενέργεια των σωματιδίων αυτών. Ο θάλαμος ιονισμού χρησιμοποιείται επίσης και για τη μέτρηση της έντασης της ακτινοβολίας Ρέντγκεν.
Θάλαμος Wilson (Ουίλσον) ή θάλαμος νέφωσης. Αποτελείται από ένα μεταλλικό δοχείο μέσα στο οποίο περιέχεται μείγμα από αέρα και κορεσμένους υδρατμούς. Η πάνω βάση του δοχείου είναι από γυαλί, ενώ η κάτω είναι ένα κινητό έμβολο. Κανονικά μέσα στο χώρο των κορεσμένων ατμών δεν παρατηρείται κανένα φαινόμενο. Όταν όμως με γρήγορη μετακίνηση του εμβόλου προκαλέσουμε απότομη εκτόνωση, η πίεση θα ελαττωθεί και θα δημιουργηθεί το φαινόμενο της ψύξης από εκτόνωση. Οι ατμοί ξεπερνούν το σημείο κόρου και αρχίζουν να σχηματίζουν σταγονίδια. Επειδή όμως μέσα στο θάλαμο δεν υπάρχει σκόνη ή ιόντα, ώστε να αποτελέσουν πυρήνες για τη σταγονοποίηση, δε σχηματίζονται εύκολα τα σταγονίδια. Αν, κατά τη στιγμή που γίνεται η εκτόνωση, περάσει στο θάλαμο Wilson ένα φορτισμένο σωματίδιο, τότε δημιουργεί κατά μήκος της τροχιάς του ζεύγη από ιόντα, τα οποία γίνονται πυρήνες συμπύκνωσης σταγονιδίων. Επομένως σε όλο το μήκος της τροχιάς του σωματιδίου σχηματίζεται μια λεπτή άσπρη γραμμή που είναι δυνατό να παρατηρηθεί ή να φωτογραφηθεί. Συμπεράσματα για το είδος, τη μάζα και την ενέργεια των σωματιδίων βγαίνουν από την πυκνότητα των ιόντων και από το συνολικό μήκος της τροχιάς του σωματιδίου. Επίσης, με την επίδραση ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, μπορούμε να αναγνωρίσουμε διάφορα χαρακτηριστικά του σωματιδίου. Το μειονέκτημα του θαλάμου είναι ότι μπορεί να αποδείξει την παρουσία σωματιδίου μόνο κατά τη στιγμή της εκτόνωσης του αερίου. Με θάλαμο Ουίλσον έγινε για πρώτη φορά η παρατήρηση του ποζιτρόνιου.
Θάλαμος διάχυσης. Η λειτουργία του θαλάμου διάχυσης στηρίζεται στην αρχή του θαλάμου Ουίλσον και χρησιμοποιείται στις ίδιες ακριβώς παρατηρήσεις. Η μόνη τροποποίηση είναι ότι ανάμεσα στις δύο απέναντι πλευρές του θαλάμου διατηρείται μια διαφορά θερμοκρασίας περίπου 40°C, η οποία έχει ως αποτέλεσμα τη συνεχή λειτουργία του θαλάμου και όχι μόνο τη στιγμή της εκτόνωσης, όπως συμβαίνει στο θάλαμο Ουίλσον.
Θάλαμος Glaser ή θάλαμος φυσαλίδων. Και αυτός ο τύπος είναι μια παραλλαγή του θαλάμου Ουίλσον. Αντί των σταγονιδίων με υπέρκορους ατμούς, σχηματίζονται φυσαλίδες μέσα σε «υπέρθερμο υγρό». Επίσης δεν υπάρχει ανάγκη του κινητού εμβόλου. Ο θάλαμος Glaser συνδυάζει τα πλεονεκτήματα του θαλάμου Ουίλσον και του φωτοπαθούς γαλακτώματος. Το υγρό του θαλάμου, που μπορεί να είναι υγρό υδρογόνο ή υγρό προπάνιο (C3H8) σε 57°C και 35 Atm πίεση, διατηρείται σε πίεση μεγαλύτερη από τη μέγιστη τάση των ατμών, που αντιστοιχεί στη θερμοκρασία του υγρού, τη στιγμή της παρατήρησης.
Με τις συνθήκες αυτές δεν παρατηρείται βρασμός στο υγρό. Όταν όμως μέσα στο θάλαμο περάσει ένα φορτισμένο σωματίδιο, προκαλεί ιονισμό και κατά μήκος της τροχιάς του αρχίζει το φαινόμενο του βρασμού. Επομένως τα ιόντα της τροχιάς γίνονται εστίες φυσαλίδων, οπότε η τροχιά γίνεται ορατή σαν μια αλυσίδα από φυσαλίδες. Ο θάλαμος φυσαλίδων έχει περισσότερα πλεονεκτήματα από τους άλλους τύπους, γιατί δίνει τη δυνατότητα στην παρατήρηση σωματιδίων με υψηλή ενέργεια, επειδή τα σωματίδια κινούνται αργότερα μέσα στα υγρά παρά μέσα στα αέρια. Ενώ στο θάλαμο Ουίλσον ένα μικρό μόνο μέρος της τροχιάς αυτών των σωματιδίων μπορούμε να παρακολουθήσουμε, στο θάλαμο φυσαλίδων γίνεται ορατή ολόκληρη η τροχιά. Επίσης ο «νεκρός χρόνος», κατά τον οποίο δε λειτουργεί ο θάλαμος, περιορίζεται στο ελάχιστο.
Θερμιδομετρία. Το μέρος της φυσικής που ασχολείται με τη μέτρηση ποσοτήτων θερμότητας, οι οποίες παράγονται ή απορροφούνται στις διάφορες θερμικές μεταβολές των σωμάτων.
Ένα άλλο θέμα που απασχολεί τη θερμιδομετρία είναι η μέτρηση της ειδικής θερμότητας των σωμάτων. Η θερμιδομετρία θεωρεί τη θερμότητα ως φυσικό μέγεθος και χρησιμοποιεί διάφορες θερμικές μονάδες, που ορίζονται με βάση τις μεταβολές της θερμοκρασίας των σωμάτων και ειδικά του νερού. Το νερό χρησιμοποιείται ως πρότυπο υλικό για τον καθορισμό της μονάδας ποσότητας θερμότητας, που είναι η 1 θερμίδα (1 calorie) η οποία δίνει το ποσό της θερμότητας που χρειάζεται για να θερμάνει, κατά 1°C, μάζα ενός γραμμαρίου νερού.
Η θερμιδομετρία στηρίζεται πάνω σε δύο βασικές αρχές: α) Το ποσό της θερμότητας το οποίο χρειάζεται για να ανυψωθεί η θερμοκρασία ενός σώματος κατά ορισμένους βαθμούς είναι ανάλογο προς τη μάζα του σώματος και ανάλογο προς την ανύψωση της θερμοκρασίας. β) Το ποσό της θερμότητας που καταναλώνεται για την ανύψωση της θερμοκρασίας ενός σώματος κατά ορισμένους βαθμούς, είναι ίσο με το ποσό θερμότητας που αποδίδεται από το σώμα, όταν αυτό ψυχθεί κατά τον ίδιο αριθμό βαθμών.
Μια άλλη απαραίτητη έννοια στην έρευνα της θερμιδομετρίας είναι η ειδική θερμότητα, η οποία εκφράζει το ποσό θερμότητας που πρέπει να προσφέρουμε στη μονάδα μάζας του σώματος, για να αυξηθεί η θερμοκρασία του κατά 1°C. Η ειδική θερμότητα των περισσότερων σωμάτων είναι μικρότερη από τη μονάδα, με εξαίρεση το αέριο υδρογόνο, ενώ για το νερό ισούται με τη μονάδα. Για τα περισσότερα από τα στερεά, η ειδική θερμότητα αυξάνεται με τη θερμοκρασία σταδιακά μέχρι το σημείο τήξης τους. Π.χ. ο πάγος έχει ειδική θερμότητα C = 0,5 cal/gr.grad, ενώ το νερό έχει C = 1 cal/gr.grad. Η ειδική θερμότητα είναι φυσική σταθερά των καθαρών σωμάτων. Οι θερμιδομετρικές εργασίες γίνονται με ειδικές συσκευές, που λέγονται θερμιδόμετρα και στηρίζουν τη λειτουργία τους στην αρχή διατήρησης της θερμικής ενέργειας, δηλαδή η κατασκευή τους γίνεται με τέτοιο τρόπο, ώστε να αποφεύγεται η εναλλαγή θερμότητας με το εξωτερικό περιβάλλον.
Οι τύποι των θερμιδομέτρων παρουσιάζουν ποικιλία, ανάλογα με τον τρόπο της λειτουργίας τους. Τα σπουδαιότερα είναι: α) Το θερμιδόμετρο της μεθόδου των μειγμάτων. β) Το θερμιδόμετρο του Λαπλάς το οποίο στηρίζεται στο γεγονός, ότι ένα γραμμάτιο πάγου 0°C όταν λιώσει απορροφά 80 θερμίδες. γ) Το θερμιδόμετρο Μπούνσεν στηρίζει τη λειτουργία του στη μεταβολή που παθαίνει ο όγκος του πάγου όταν αυτός λιώνει και δ) Το ηλεκτρικό θερμιδόμετρο, στο οποίο δίνεται, με ηλεκτρικό ρεύμα, γνωστό ποσό θερμότητας με την αναλογία 1 θερμίδα = 4,18 Τζάουλ. Βασικά χρησιμοποιείται ο πρώτος τύπος για τη μελέτη των ποσοτήτων θερμότητας, με τη μέθοδο των μειγμάτων και την αρχή της ισότητας των ανταλλαγών, σύμφωνα με την οποία, όταν θέσουμε σε επαφή δύο σώματα με διαφορετικές αρχικές θερμοκρασίες έτσι ώστε να μπορούν να ανταλλάξουν θερμότητα μόνο μεταξύ τους, τότε θα δημιουργηθεί θερμική ισορροπία και η ποσότητα θερμότητας που απορρόφησε το ένα θα είναι ίση με εκείνη που έχασε το άλλο.
Ενώ η ειδική θερμότητα χαρακτηριστικά αναφέρεται σε ένα υλικό, μια άλλη έννοια, η θερμοχωρητικότητα ή ισοδύναμο σε νερό, αναφέρεται σε ένα ορισμένο σώμα και εκφράζει αριθμητικά το ποσό της θερμότητας που χρειάζεται για να αυξηθεί η θερμοκρασία του σώματος κατά 1°C. Λέγεται και ισοδύναμο σε νερό, γιατί εκφράζει τη μάζα του νερού που θα απορροφούσε το ίδιο ποσό θερμότητας με το θερμιδόμετρο. Η θεμελιώδης εξίσωση της θερμιδομετρίας είναι Q = m • c (Θ2 – Θ1), όπου (m) η μάζα του σώματος, (c) η ειδική θερμότητα και (Θ2 – Θ1) η διαφορά θερμοκρασίας. Η θερμιδομετρία είναι σε θέση να καθορίσει τη θερμαντική αξία ενός καυσίμου με τον υπολογισμό της θερμότητας καύσης, δηλαδή του ποσού της θερμότητας το οποίο εκλύεται από την τέλεια καύση ενός χιλιόγραμμου στερεού καύσιμου ή ενός κυβικού μέτρου αερίου καυσίμου.
Η θερμοκρασία καύσης εκφράζεται σε χιλιοθερμίδες ανά χιλιόγραμμο στερεού ή ανά κυβικό μέτρο αερίου καυσίμου.
Θερμιονική λυχνία. Αποτελεί εφαρμογή και μαζί πειραματική διαπίστωση του «θερμοηλεκτρονικού φαινομένου», σύμφωνα με το οποίο «τα μέταλλα, όταν έχουν υψηλή θερμοκρασία, εκπέμπουν ηλεκτρόνια, που ο αριθμός τους αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας».
1. Στη βασική της μορφή μια θερμιονική λυχνία είναι μία δίοδη λυχνία. Σε αυτή διακρίνονται: α) Ο αερόκενος γυάλινος σωλήνας (Υ). β) Τα δύο ηλεκτρόδια που είναι τοποθετημένα μέσα σε αυτόν. Το ένα με μορφή επίπεδης πλάκας είναι η άνοδος (Α) και το άλλο με μορφή σπειροειδούς νήματος είναι η κάθοδος (Κ).
2. Οι θερμιονικές λυχνίες διακρίνονται σε: α) άμεσης θέρμανσης κενού (σχήμα 1), β) έμμεσης θέρμανσης κενού (σχήμα 2), γ) άμεσης θέρμανσης αερίου (σχήμα 3), δ) έμμεσης θέρμανσης αερίου (σχήμα 4).
Οι δύο πρώτες βρίσκονται σε υψηλό κενό. Οι δύο τελευταίες γεμίζονται με αδρανές αέριο με χαμηλή πίεση.
Θερμικές λυχνίες άμεσης θέρμανσης είναι εκείνες στις οποίες η κάθοδος αποτελεί μέρος του κυκλώματος θέρμανσης, ενώ έμμεσης θέρμανσης εκείνες στις οποίες το νήμα θέρμανσης είναι ανεξάρτητο της καθόδου και τη θερμαίνει με ακτινοβολία.
Στις καθόδους άμεσης θέρμανσης χρησιμοποιούμε συνήθως καθαρά μέταλλα υψηλού σημείου τήξης, όπως π.χ. ταντάλιο (Ta), μολυβδαίνιο (Μο) και κυρίως βολφράμιο (W). Σήμερα χρησιμοποιούνται κράματά τους με μέταλλα μικρού έργου εξόδου, όπως θόριο (Th) και καίσιο (Cs).
Στις καθόδους έμμεσης θέρμανσης χρησιμοποιήθηκε στην αρχή σύρμα πλατίνας επιστρωμένο μ’ ένα λεπτό στρώμα οξειδίου του ασβεστίου (CaO). Σήμερα χρησιμοποιείται αντί της πλατίνας (Pt), νικέλιο (Ni) και μάλιστα κράμα νικελίου με τιτάνιο (Ti), γνωστό ως κράμα Konel, και αντί του οξειδίου του ασβεστίου ισομοριακό μείγμα οξειδίου του βαρίου και στρόντιου (BaO και SrO).
Ο «χρόνος ζωής» της λυχνίας καθορίζεται από τη θερμοκρασία λειτουργίας του νήματος, γιατί κατά τη λειτουργία παρατηρείται διαρκής εξάχνωση του υλικού του νήματος, με αποτέλεσμα τη μείωση της αρχικής διαμέτρου. Όταν η διάμετρος του νήματος μειωθεί κατά 10% της αρχικής, τότε το νήμα καταστρέφεται και επομένως η θερμιονική λυχνία σταματά να λειτουργεί.
Θερμοδυναμική.Κλάδος της φυσικής που ασχολείται με την έρευνα της μετατροπής της θερμότητας σε άλλες μορφές ενέργειας. Μέχρι τα πρώτα χρόνια του 19ου αιώνα, η βασική αντίληψη για τη φύση της θερμότητας ήταν ότι αποτελεί μια ουσία ρευστή (φλογιστόν), άφθαρτη και χωρίς βάρος. Όμως το καθημερινό φαινόμενο της ανάπτυξης θερμότητας από την τριβή δεν ήταν εύκολο να εξηγηθεί μ’ αυτή την υπόθεση για τη θερμότητα. Η αντίληψη ότι η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας έγινε τελικά δεκτή το 1840 έπειτα από έρευνες και πειραματικές επαληθεύσεις του Ρόμπερτ Μάγιερ και με τους ποσοτικούς προσδιορισμούς του Τζέιμς Τζάουλ, ο οποίος υπολόγισε το μηχανικό ισοδύναμο της θερμότητας. Η ισοδυναμία ανάμεσα στις διάφορες μορφές ενέργειας και στη θερμότητα εκφράζεται από το πρώτο αξίωμα, ενώ η αδυναμία να πετύχουμε τη μετάβαση θερμότητας χωρίς κατανάλωση έργου από ένα σώμα με χαμηλότερη θερμοκρασία σε ένα άλλο με πιο υψηλή θερμοκρασία, εκφράζεται από το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα. Το τρίτο θερμοδυναμικό αξίωμα αναφέρεται σε ένα μέγεθος φυσικό, που λέγεται εντροπία και το οποίο στη θερμοκρασία του απόλυτου μηδενός είναι μηδέν.
Στους διάφορους τύπους των θερμοδυναμικών φαινομένων παρατηρούνται μεταβολές, οι οποίες, ανάλογα με το μέγεθος που παθαίνει τη μεταβολή (π.χ. μάζα, όγκος, θερμοκρασία, πίεση) χαρακτηρίζουν το φαινόμενο. Έτσι έχουμε τις ισόθερμες μεταβολές, όπου μεταβάλλεται ο όγκος και η πίεση, ενώ η θερμοκρασία παραμένει σταθερή, τις ισόχωρες μεταβολές, όπου διατηρείται ο όγκος σταθερός, ενώ μεταβάλλεται η πίεση, και τις αδιαβατικές, στις οποίες δε συμβαίνει ανταλλαγή θερμότητας με το περιβάλλον. Επίσης τα φαινόμενα στη θερμοδυναμική διακρίνονται σε αντιστρεπτά και μη αντιστρεπτά. Αντιστρεπτά είναι τα φαινόμενα που προχωρούν με πολύ μικρή ταχύτητα, ώστε να είναι πάντοτε δυνατή η αντίστροφη πορεία του φαινομένου. Η περίπτωση αυτή είναι τελείως ιδανική και χρησιμεύει μόνο για τη μελέτη των θερμοδυναμικών φαινομένων. Τα φαινόμενα που πραγματοποιούνται και ελέγχονται πειραματικά είναι μη αντιστρεπτά. Η σχέση των φυσικών μεγεθών που παίρνουν μέρος σ’ ένα θερμοδυναμικό σύστημα αποτελεί την καταστατική εξίσωση του συστήματος, όπως η εξίσωση: αποτελεί την καταστατική εξίσωση των τέλειων αερίων (βλ. λ. αέριο).
Πρώτο θερμοδυναμικό αξίωμα. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι μία διατύπωση της αρχής διατήρησης της ενέργειας. Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας ενός συστήματος, ΔU, ισούται με τη θερμότητα που προσφέρθηκε στο σύστημα μείον την ενέργεια που μεταφέρεται μέσω του μηχανικού έργου W από το σύστημα στο περιβάλλον: ΔU = Q - W.
Τα φυσικά μεγέθη θερμότητα Q και έργο W εξαρτώνται από τη διαδρομή, δηλαδή από τη διεργασία μετάβασης από την αρχική στην τελική κατάσταση. Η διαφορά τους (Q - W) που ισούται με τη μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας ΔU είναι ανεξάρτητη από τη διαδρομή και εξαρτάται μόνο από την αρχική και τελική θέση, πρόκειται δηλαδή για καταστατική μεταβλητή. Σ’ έναν κλειστό θερμοδυναμικό κύκλο το αλγεβρικό άθροισμα της θερμότητας και του έργου είναι ίσο με μηδέν: W + Q = 0 ή W = -Q.
Το πρώτο θερμοδυναμικό αξίωμα αποκλείει την κατασκευή του αεικίνητου. Αεικίνητο θεωρείται μία μηχανή η οποία θα μπορούσε να παράγει έργο από μηδενική ενέργεια. Κάθε φορά όμως που συντελείται μια μετατροπή, ένα μέρος από την ενέργεια χάνεται ως άχρηστη θερμότητα, η οποία διασκορπίζεται στο Σύμπαν, όπου διατηρείται για πάντα, χωρίς να είναι δυνατό να ξαναχρησιμοποιηθεί. Επομένως σε κάθε κύκλο της μεταβολής έχουμε απώλεια ενέργειας, πράγμα που κάνει τη μεταβολή μη αντιστρεπτή.
Η μετατροπή της θερμότητας σε μηχανικό έργο έχει σπουδαίες πρακτικές εφαρμογές. Οι θερμικές μηχανές ή θερμικοί κινητήρες δαπανούν θερμότητα που προέρχεται από την καύση μιας καύσιμης ύλης (βενζίνης, πετρελαίου, κάρβουνου κτλ.) και αποδίδουν ωφέλιμο μηχανικό έργο. Διακρίνονται σε μηχανές εξωτερικής και μηχανές εσωτερικής καύσης.
Δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα. Για τη συμπλήρωση της βασικής αρχής της θερμοδυναμικής είναι απαραίτητη η ανεύρεση ενός άλλου νόμου, ο οποίος να καθορίζει από πριν τη δυνατότητα καθώς και τη φορά, με την οποία συντελείται ένα φυσικό φαινόμενο, πράγμα το οποίο δεν καθορίζεται από το πρώτο θερμοδυναμικό αξίωμα. Ο δεύτερος νόμος μπορεί να διατυπωθεί με διαφορετικούς τρόπους που είναι μεταξύ τους ισοδύναμοι: α) δεν υπάρχει θερμική μηχανή η οποία λειτουργώντας σε κύκλο και απορροφώντας θερμότητα από μία δεξαμενή να αποδίδει ίση ποσότητα έργου (διατύπωση των Κέλβιν - Πλανκ) και β) είναι αδύνατο να κατασκευαστεί κυκλική μηχανή της οποίας το μοναδικό αποτέλεσμα να είναι η συνεχής μεταφορά θερμότητας από ένα αντικείμενο σε ένα άλλο υψηλότερης θερμοκρασίας (διατύπωση Κλαούζιους). Η μελέτη των θερμικών μηχανών αποδεικνύει ότι ποτέ δεν είναι δυνατόν όλη η θερμότητα να μετατραπεί σε μηχανικό έργο, αλλά μόνο ένα μέρος από αυτήν. Η λειτουργία μιας τέτοιας μηχανής είναι δυνατή μόνο όταν έχουμε δύο «δεξαμενές» θερμότητας, μία με ψηλή θερμοκρασία (Τ1) και μία με χαμηλή θερμοκρασία (Τ2). Η απώλεια θερμότητας στις διάφορες ενεργειακές μετατροπές είναι γενικό φαινόμενο. Αυτή η απώλεια σε θερμότητα κάνει τα φυσικά φαινόμενα μη αντιστρεπτά και ταυτόχρονα οδηγεί στην πεποίθηση ότι όλες οι φυσικές διαδικασίες τείνουν προς μία μόνο κατεύθυνση.
Αυτή η μονής κατεύθυνσης ροή της θερμότητας, όπως διατυπώνεται στο δευτερο θερμοδυναμικό αξίωμα, είναι ο ρυθμιστής της μοίρας του σύμπαντος. Η ουσία του αξιώματος είναι ότι η θερμότητα δεν μπορεί να «ρέει» με τις δικές της δυνάμεις από ένα ψυχρό σε ένα θερμό μέρος. Όπως ακριβώς το νερό δεν μπορεί να παραγάγει έργο, αν δεν κινείται από τα ψηλά βουνά στις πιο χαμηλές θέσεις, έτσι και η θερμότητα δεν μπορεί να παραγάγει έργο χωρίς κίνηση από θέσεις υψηλής θερμότητας σε χαμηλότερης. Επίσης όπως η διάβρωση τείνει να ισοπεδώσει τα βουνά, έτσι υπάρχει και μια διαδικασία θερμικής διάβρωσης του σύμπαντος, που τείνει να εξισώσει τις θερμοκρασίες. Οι διάφορες μορφές ενέργειας μπορούν να διακριθούν σε δύο κατηγορίες: α) Μορφές ενέργειας ανώτερης ποιότητας, όπως η κινητική, η δυναμική και η ηλεκτρική ενέργεια, που μπορούν να μετατραπούν χωρίς απώλειες σε άλλες μορφές ενέργειες. β) Μορφές κατώτερης ποιότητας, όπως η θερμότητα, η οποία σε μικρό ποσοστό μετατρέπεται σε μηχανικό έργο. Η χρησιμότητα μιας μηχανής και η δυνατότητά της να παράγει ωφέλιμο μηχανικό έργο εξαρτάται από το ποσοστό της θερμότητας που μπορεί να μετατρέψει σε έργο.
Τελικά, όμως, σύμφωνα με την αρχή της υποβάθμισης της ενέργειας, όλες οι μορφές ενέργειας τείνουν αυτόματα να μετατραπούν σε θερμότητα της ίδιας θερμοκρασίας, από την οποία δεν είναι δυνατή η παραγωγή έργου. Η λογική ακολουθία αυτής της μεταβολής φέρνει μπροστά μας τη μέρα που όλη η ενέργεια του σύμπαντος θα μετατραπεί σε θερμότητα και θα διασκορπιστεί σε όλο το χώρο του σύμπαντος. Το γεγονός είναι ότι δε θα μπορεί να παράγει έργο. Για την περιγραφή αυτής της εξίσωσης της θερμότητας, ο Κλαούζιους χρησιμοποίησε τη λέξη εντροπία, που εκφράζει το μέτρο της ισόρροπης κατανομής της θερμότητας στο σύμπαν. Η εξέλιξη των φαινομένων στη φύση, εφόσον η μεταβολή τους είναι μη αντιστρεπτή, ακολουθεί το γενικό νόμο ότι «όλα τα φαινόμενα στη φύση συμβαίνουν κατά τέτοιο τρόπο, ώστε από μια κατάσταση λιγότερο πιθανή να μεταπίπτουν σε κατάσταση περισσότερο πιθανή». Δηλαδή η εξέλιξη των φαινομένων ακολουθεί την πορεία κατά την οποία η εντροπία του συστήματος συνέχεια αυξάνεται, πράγμα το οποίο εκφράζει την αρχή του Μπόλτσμαν. Ανάμεσα στην εντροπία και την πιθανότητα υπάρχει η σχέση S = K∙lnW, όπου S η εντροπία, Κ = 1,380622 ∙ 10-22J/K (σταθερά Μπόλτσμαν) και lnW, ο νεπέρειος λογάριθμος της εντροπίας.
Ο Σαντί Καρνό δημοσίευσε το 1824 ένα άρθρο με τίτλο «Σκέψεις για την κινητήρια δύναμη της θερμότητας» που ύστερα από 25 χρόνια τον έκανε διάσημο. Ο Καρνό ζητούσε να βρει με ποιους όρους η θεωρητική απόδοση μιας θερμικής μηχανής είναι μέγιστη και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι αναγκαίος όρος για τη μέγιστη απόδοση είναι η μηχανή να λειτουργεί κατά τέτοιο τρόπο, ώστε σε κάθε στιγμή να βρίσκεται σε ισορροπία, να είναι δηλαδή αντιστρεπτή. Αυτό φυσικά αποτελεί ιδανική περίπτωση και δεν εφαρμόζεται στις πραγματικές θερμικές μηχανές. Σύμφωνα με τη θεωρία του Καρνό, η απόδοση της ιδανικής θερμικής μηχανής εξαρτάται μόνο από τις απόλυτες θερμοκρασίες (Τ1) και (Τ2) της θερμής και της ψυχρής πηγής και δίνεται από τον τύπο
όπου Αμεγ η μέγιστη απόδοση.
Ο τύπος προϋποθέτει την ύπαρξη δύο πηγών θερμότητας, της ψυχρής και της θερμής, πράγμα το οποίο αποκλείει την ύπαρξη θερμικής μηχανής που να λειτουργεί με μια μόνο θερμική πηγή.
Επομένως το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα μπορεί να διατυπωθεί και ως εξής: «Μία θερμική μηχανή μπορεί να παράγει έργο, μόνο όταν ένας φορέας της θερμότητας παραλαμβάνει μια ποσότητα θερμότητας Q1 από τη θερμή πηγή και αποδίδει ποσότητα θερμότητας Q2 στην ψυχρή πηγή. Σε έργο μετατρέπεται μόνο η διαφορά Q1 – Q2 των θερμοτήτων».
Το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα αποκλείει την κατασκευή μιας μηχανής πλοίου η οποία θα μπορούσε να παράγει ωφέλιμο έργο, παίρνοντας θερμότητα από τη θάλασσα, αφού, εκτός από τη θάλασσα που είναι μια τεράστια δεξαμενή θερμότητας, δεν έχουμε μια δεύτερη δεξαμενή θερμότητας με κατώτερη θερμοκρασία. Η αδυναμία πραγματοποίησης μιας τέτοιας μηχανής που να χρησιμοποιεί μία μόνο θερμική πηγή αποκλείει τη δημιουργία αεικίνητου δεύτερου είδους.
Το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα λέγεται επίσης και «πρόταση για το αδύνατο του αεικίνητου δεύτερου είδους». Η εκμετάλλευση της θερμότητας της θάλασσας ίσως γίνει δυνατή, όταν ως θερμή πηγή χρησιμοποιηθεί το επιφανειακό νερό των τροπικών θαλασσών (20°C-25°C), ενώ ως ψυχρή το νερό που υπάρχει σε μεγάλο βάθος (4°C-8°C).
Η αρχή του Καρνό, όπως λέγεται επίσης το δεύτερο αξίωμα της θερμοδυναμικής, μας δίνει τις προϋποθέσεις με τις οποίες η θερμότητα μπορεί να μετατραπεί σε μηχανικό έργο. Είναι δηλαδή μια ποσοτική σχέση, που συνδέει τη θερμότητα με τη μηχανική ενέργεια. Πρακτική εφαρμογή των συνεπειών του δεύτερου αξιώματος έχουμε στις θερμικές και ψυκτικές μηχανές. Οι θερμικές μηχανές με τους καλύτερους όρους λειτουργίας μετατρέπουν σε έργο μόνο το 45% της θερμότητας. Αυτό που ενδιαφέρει την τεχνολογία είναι η σχέση που υπάρχει ανάμεσα στην κατανάλωση θερμότητας και το ωφέλιμο έργο που αποδίδει η μηχανή, δηλαδή τα κριτήρια για την αξία μιας μηχανής είναι η απόδοσή της. Θεωρητική απόδοση μιας μηχανής είναι ο λόγος της ποσότητας θερμότητας (Q1 – Q2) που μετατρέπεται σε έργο, προς την ποσότητα θερμότητας (Q1) που έχει το αέριο, όταν βρίσκεται στη θερμή πηγή· δηλαδή η απόδοση δίνεται από τον τύπο:.
Επειδή όμως η ποσότητα θερμότητας που περικλείνει το αέριο είναι ανάλογη προς την απόλυτη θερμοκρασία του, δηλαδή: ή, ο τύπος της απόδοσης μπορεί να γραφεί.
Για να λειτουργήσει η μηχανή πρέπει αναγκαστικά να είναι Τ1>Τ2, οπότε η θεωρητική απόδοση της θερμικής μηχανής είναι πάντοτε μικρότερη από τη μονάδα Αμεγ<1.
Αν η ψυχρή πηγή είναι δυνατό να διατηρηθεί στη θερμοκρασία του απόλυτου μηδενός, δηλαδή η Τ2 = Ο°Κ, τότε η θεωρητική απόδοση θα γινόταν ίση με τη μονάδα, δηλαδή μέγιστη. Φυσικά αυτό είναι αδύνατο, γιατί απόλυτο μηδέν δεν μπορούμε να πετύχουμε, οπότε είναι αδύνατη και η ιδανική μηχανή με μέγιστη απόδοση.
Ένα άλλο μέγεθος χρήσιμο για την αξιολόγηση μιας μηχανής είναι ο βιομηχανικός συντελεστής απόδοσης, ο οποίος δίνεται από το πηλίκο του ωφέλιμου έργου (Αώφ) που μπορούμε να πάρουμε από τη μηχανή, προς τη θερμότητα (Q1), την οποία προσφέρουμε σ’ αυτήν, δηλαδή:.
Αντίθετα οι ψυκτικές μηχανές είναι αντλίες θερμότητας, γιατί από την ψυχρή πηγή αφαιρούν ποσότητα θερμότητας και την αποδίδουν στη θερμή πηγή, με σύγχρονη δαπάνη έργου. Η απόδοση μιας ψυκτικής μηχανής δίνεται από έναν πρακτικό συντελεστή, ο οποίος πρέπει να είναι όσο το δυνατό μεγαλύτερος και βρίσκεται από τον τύπο: ή, όπου Q1 η αποδιδόμενη θερμότητα στη θερμή πηγή και Q2 η θερμότητα που αποδίδεται από την ψυχρή πηγή. Η απόδοση είναι μεγαλύτερη όσο η διαφορά Τ1 – Τ2 είναι μικρότερη.
Τρίτο θερμοδυναμικό αξίωμα. Η έννοια της εντροπίας, που χρησιμοποιήσαμε στο δεύτερο αξίωμα, δεν είναι δυνατό να οριστεί χωρίς τη βοήθεια μιας αυθαίρετης σταθεράς. Ο Νερνστ, το 1906, στηριζόμενος σε πειραματικά δεδομένα, διατύπωσε την αρχή ότι «η εντροπία όλων των ουσιών στη θερμοκρασία του απόλυτου μηδενός είναι μηδέν». Συνέπεια του θεωρήματος του Νερνστ είναι ότι η ειδική θερμότητα των σωμάτων στη θερμοκρασία του απόλυτου μηδενός τείνει ασυμπτωτικά προς την τιμή μηδέν, δηλαδή η ποσότητα θερμότητας που περικλείνει το σώμα δε μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία. Το θεώρημα του Νερνστ, που αποτελεί και το τρίτο θερμοδυναμικό αξίωμα, λέει ότι: «Όσο πλησιάζουμε προς το απόλυτο μηδέν, τόσο πιο δύσκολο είναι να πετύχουμε μεγαλύτερη ελάττωση της θερμοκρασίας. Μπορούμε να πλησιάζουμε αδιάκοπα προς το απόλυτο μηδέν, είναι αδύνατο όμως να το φτάσουμε». Επομένως το απόλυτο μηδέν αποτελεί μια οριακή φυσική θερμοκρασία. Ως συνέπεια του αξιώματος προκύπτει επίσης ότι η αύξηση του όγκου που προέρχεται από την ανύψωση της θερμοκρασίας, καθώς επίσης και η αύξηση της πίεσης ενός σώματος, είναι τόσο μικρότερες όσο πλησιάζουμε στη θερμοκρασία του απόλυτου μηδενός. Επίσης η θερμοηλεκτρική τάση (βλ. λ. θερμοηλεκτρισμός) και το αποτέλεσμα Πελτιέ πλησιάζουν προς το μηδέν, εφόσον η θερμοκρασία πλησιάζει το απόλυτο μηδέν. Όπως είναι αδύνατο να πραγματοποιήσουμε το αεικίνητο πρώτου και δεύτερου είδους, σύμφωνα με τα δύο θερμοδυναμικά αξιώματα, έτσι σύμφωνα με το τρίτο θερμοδυναμικό αξίωμα είναι αδύνατο να ψύξουμε ένα σώμα στη θερμοκρασία του απόλυτου μηδενός.
Θερμοηλεκτρικό ζεύγος. Σύστημα από δύο διάφορα μεταλλικά σύρματα ή ελάσματα, που είναι κολλημένα μεταξύ τους «αυτογενώς» (δηλαδή χωρίς τη χρήση κολλητικής ουσίας) στις άκρες. Αν τα σημεία επαφής βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες, τότε στο κύκλωμα αναπτύσσεται ηλεκτρεγερτική δύναμη, η οποία ονομάζεται θερμοηλεκτρική τάση. Το ζεύγος των δύο μετάλλων, που στις επαφές τους έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες, λέγεται και θερμοστοιχείο.
Η ένταση του ρεύματος που περνά από το κύκλωμα εξαρτάται από το είδος των μετάλλων που αποτελούν το θερμοστοιχείο και από τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο επαφών. Επίσης η θερμοηλεκτρική τάση είναι πολύ μικρή, εξαρτάται από τους ίδιους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται και η ένταση και δίνεται από τον τύπο Ε = c ∙ ΔΘ (όπου c σταθερά που εξαρτάται από τη φύση των μετάλλων και ΔΘ η διαφορά θερμοκρασιών των δύο επαφών).
Το πρώτο θερμοηλεκτρικό ζεύγος κατασκευάστηκε από το Ζέμπεκ το 1821 και αποτελούνταν από ένα έλασμα χαλκού και έναν κύλινδρο από βισμούθιο. Αν δημιουργήσουμε θερμοηλεκτρικό ζεύγος από αντιμόνιο και βισμούθιο, η θερμοηλεκτρική τάση είναι, για διαφορά θερμοκρασίας 1°C, περίπου 100μV(1μV = 10-6 Volts). Άρα για να αναπτυχθεί τάση ίση με 1 Volt, θα έπρεπε να συνδεθούν με σειρά 100 στοιχεία και να υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στις επαφές ίση με 100°C.
Με συνδυασμό περισσότερων θερμοηλεκτρικών ζευγών επιτυγχάνουμε συστήματα τα οποία λέγονται θερμοηλεκτρικές στήλες και τα οποία δίνουν μεγαλύτερη τάση. Στην πράξη τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη, με κατάλληλη βαθμολόγηση, χρησιμοποιούνται, σε συνδυασμό με ευαίσθητο γαλβανόμετρο, για τη μέτρηση θερμοκρασιών διάφορων σωμάτων, που λιώνουν δύσκολα και όπου δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε υδραργυρικά θερμόμετρα. Επίσης χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της θερμοκρασίας στους κυλίνδρους μηχανής εσωτερικής καύσης, σε ηλεκτρικές μηχανές και ως θερμόμετρα για υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες. Για πολύ ψηλές θερμοκρασίες μέχρι 1.650°C χρησιμοποιούνται θερμοηλεκτρικά στοιχεία από λευκόχρυσο και ραδιολευκόχρυσο, ενώ για χαμηλές θερμοκρασίες θερμοηλεκτρικά ζεύγη από κονσταντάνη και λευκόχρυσο.
Θερμοηλεκτρονικό (ή θερμιονικό) φαινόμενο. Η χαρακτηριστική ιδιότητα των μετάλλων να εκπέμπουν ηλεκτρόνια, όταν έχουν υψηλή θερμοκρασία. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται ανά μονάδα χρόνου, είναι τόσο μεγαλύτερος όσο αυξάνει η θερμοκρασία. Ο Έντισον το 1883 παρατήρησε ότι, αν μέσα σε μια λάμπα πυράκτωσης τοποθετήσουμε, σε μικρή απόσταση από το πυρακτωμένο νήμα, μια μεταλλική πλάκα και τη συνδέσουμε, διαμέσου ενός γαλβανόμετρου, με το θετικό πόλο της πηγής που τροφοδοτεί το νήμα, τότε το γαλβανόμετρο θα δείξει τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος. Το φαινόμενο αυτό, που λέγεται και θερμική εκπομπή ηλεκτρονίων ή φαινόμενο Έντισον, έμεινε ανεξήγητο μέχρι το 1901, οπότε ο Ρίτσαρντσον (βραβείο Νόμπελ) απέδειξε ότι τα μεταλλικά σύρματα, που βρίσκονται σε διάπυρη κατάσταση, εκπέμπουν ηλεκτρόνια στον κενό χώρο. Η εκπομπή των ηλεκτρονίων εξαρτάται και από τη χημική σύσταση του σώματος και είναι πιο έντονη σε ορισμένα υλικά, όπως π.χ. σε οξείδια στρόντιου και βαρίου.
Τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται ονομάζονται θερμικά ηλεκτρόνια. Ο Ρίτσαρντσον απέδειξε ότι η εκπομπή ηλεκτρονίων από διάπυρα μέταλλα είναι φαινόμενο ανάλογο με την εξάτμιση των υγρών, δηλαδή την έξοδο μορίων αερίου από την επιφάνεια ενός υγρού. Η κινητική ενέργεια των ελεύθερων ηλεκτρονίων των μετάλλων, στις συνηθισμένες θερμοκρασίες του περιβάλλοντος, είναι πολύ μικρή και δεν είναι ικανή να δημιουργήσει συνθήκες εξόδου των ηλεκτρονίων από το μέταλλο. Η θερμότητα όμως προσφέρει επιπλέον ποσοστό κινητικής ενέργειας στα ηλεκτρόνια, τα οποία αποδεσμεύονται και βγαίνουν από το μέταλλο. Η εκπομπή όμως των ηλεκτρονίων δημιουργεί γύρω από το μέταλλο (κάθοδο) ένα «νέφος» από ηλεκτρόνια με αρνητικό φορτίο. Έτσι ανάμεσα στο «νέφος» και το νήμα δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο και για μια δοσμένη θερμοκρασία εμφανίζεται δυναμική ισορροπία μεταξύ ηλεκτρονίων και νήματος. Δηλαδή όσα ηλεκτρόνια εκπέμπονται από το νήμα σε ορισμένο χρονικό διάστημα, τόσα ακριβώς αναγκάζονται να ξαναγυρίσουν στον ίδιο χρόνο στο νήμα. Για να αποφύγουμε την επαναφορά των ηλεκτρονίων στο μέταλλο, θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε σε ορισμένη απόσταση ένα άλλο ηλεκτρόδιο (άνοδο) με πιο υψηλό δυναμικό, ώστε να δημιουργηθεί ένα αντίθετο ηλεκτρικό πεδίο. Τότε τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια δεν παραμένουν γύρω από την κάθοδο (νήμα), αλλά με την επίδραση του πεδίου κινούνται προς την άνοδο και κλείνουν το ανοδικό κύκλωμα. Το ρεύμα των ηλεκτρονίων διατηρείται όσο χρόνο η τάση της ανόδου είναι θετική. Το φαινόμενο αυτό εμφανίζεται στους ηλεκτρονικούς σωλήνες κενού, όπου διακρίνουμε δύο ηλεκτρόδια, την κάθοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο) και την άνοδο (θετικό ηλεκτρόδιο) και είναι τόσο περισσότερο έντονο όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στην κάθοδο και την άνοδο, όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία της καθόδου και όσο μεγαλύτερο είναι το εμβαδόν της επιφάνειάς της. Επίσης εξαρτάται από τη χημική σύσταση του υλικού της καθόδου. Η κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα στους σωλήνες δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα γνωστό ως ανοδικό ρεύμα (Ια). Όταν αυξάνεται η ανοδική τάση (Vα), τότε και η ένταση του ανοδικού ρεύματος αυξάνει μέχρι μια μέγιστη τιμή, που λέγεται ρεύμα κόρου (Ικορ).
Όλα τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από την κάθοδο (νήμα) φτάνουν στην άνοδο και το ανοδικό ρεύμα παίρνει τη μέγιστη τιμή του. Η εξάρτηση της έντασης του ανοδικού ρεύματος από την ανοδική τάση (Vα) δίνεται από τον τύπο του Λάγκμιουιρ: Ια = c ∙ Vα3/2 (όταν e είναι σταθερά που εξαρτάται από τη μορφή της καθόδου και την απόσταση των ηλεκτροδίων). Η επίδραση της θερμοκρασίας της καθόδου στο ρεύμα κόρου δίνεται από τον τύπο του Ρίτσαρντσον, (όταν Α σταθερά ίση με 120 Amp/cm2 ∙ grad2 για όλα τα μέταλλα, S το εμβαδόν της επιφάνειας της καθόδου, Τ η απόλυτη θερμοκρασία σε βαθμούς Kelvin, Β το έργο εξαγωγής του ηλεκτρονίου, Κ = 1,37 ∙ 10-16erg/grad, η σταθερά Μπόλτσμαν).
Το θερμοηλεκτρονικό φαινόμενο έχει σπουδαίες πρακτικές εφαρμογές και αποτέλεσε σπουδαίο κεφάλαιο της ηλεκτρονικής φυσικής, γιατί σ’ αυτό στηρίζεται η λειτουργία όλων των ηλεκτρονικών σωλήνων (Κούλιτζ κτλ.), η δημιουργία των ηλεκτρονικών λυχνιών (δίοδης, τρίοδης, πεντάοδης κτλ.), η λειτουργία του καθοδικού παλμογράφου και του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου, καθώς και η παραγωγή ακτίνων Ρέντγκεν.
Θερμοηλεκτρισμός. Φαινόμενο κατά το οποίο, όταν δύο διαφορετικά μέταλλα έρθουν σε επαφή, προκαλείται μεταξύ τους μια διαφορά δυναμικού (τάση επαφής). Αυτή εξαρτάται από τη φύση των δύο μετάλλων και από τη θερμοκρασία, δεν εξαρτάται όμως ούτε από την επιφάνεια επαφής ούτε από τη φύση των ενδιάμεσων μετάλλων, αρκεί και αυτά να έχουν την ίδια θερμοκρασία. Το φαινόμενο είναι γενικό και εκδηλώνεται πάντοτε στις επαφές δύο ετερογενών μετάλλων. Π.χ. στη σειρά των στοιχείων ψευδάργυρος - μόλυβδος - νικέλιο - σίδηρος - χαλκός - χρυσός - άργυρος, όταν το καθένα έρχεται σε επαφή με το προηγούμενό του αποκτά αρνητικό φορτίο, ενώ αντίθετα αποκτά θετικό φορτίο στην επαφή του με ένα από τα επόμενα.
Η εμφάνιση φορτίων οφείλεται στη μετακίνηση ηλεκτρονίων από άλλα στοιχεία και στην πρόσληψή τους από άλλα. Για να είναι όμως δυνατή η έξοδος ενός ηλεκτρονίου από ένα μέταλλο, θα πρέπει η κινητική του ενέργεια να γίνει μεγαλύτερη από το έργο εξαγωγής, ώστε να υπερνικηθούν οι ελκτικές δυνάμεις. Η αύξηση της θερμοκρασίας, που οφείλεται στην προσφορά θερμότητας, έχει ως αποτέλεσμα να αυξηθεί και η κινητική ενέργεια των ελεύθερων ηλεκτρονίων του μετάλλου. Μερικά ηλεκτρόνια μεταβιβάζονται από το ένα μέταλλο στο άλλο, οπότε δημιουργείται περίσσεια ηλεκτρονίων στο ένα και έλλειψη στο άλλο. Τα δύο μέταλλα έχουν από το ένα μέρος διάφορο έργο εξόδου, από το άλλο διάφορη κινητική ενέργεια στα ελεύθερά τους ηλεκτρόνια. Αν ονομάσουμε b1 και b2 αντίστοιχα τις ολικές ενέργειες (δυναμική και κινητική) κάθε ηλεκτρονίου των δύο μετάλλων, κατά την επαφή τους η διαφορά ενέργειας b1 – b2 θα προκαλέσει ροή ηλεκτρονίων και επομένως μεταβολή του δυναμικού, μέχρις ότου η ολική ενέργεια γίνει η ίδια και στα δύο μέταλλα. Έτσι, σχεδόν αμέσως μετά την επαφή των δύο μετάλλων, δημιουργείται ισορροπία στην ανταλλαγή των ηλεκτρονίων. Η τιμή της τάσης επαφής δίνεται από τον τύπο:. Είναι δηλαδή το πηλίκο της διαφοράς ενέργειας προς το φορτίο του ηλεκτρονίου (e). Τάση επαφής αναπτύσσεται επίσης και μεταξύ μονωτών, οι οποίοι έρχονται σε στενή επαφή, μόνο που τα φορτία παραμένουν αυστηρά εντοπισμένα στα σημεία επαφής. Στην περίπτωση της επαφής δύο μετάλλων, πολλές φορές χρησιμοποιούμε και την τάση Γκαλβάνι, η οποία δίνεται από τον τύπο:, όπου (a2 – a1) η διαφορά των κινητικών ενεργειών των ηλεκτρονίων στα δύο μέταλλα και (e) το φορτίο του ηλεκτρονίου. Οπωσδήποτε, ο ρυθμιστικός παράγοντας για τη δημιουργία θερμοηλεκτρικής τάσης είναι η θερμοκρασία, γιατί, σύμφωνα με το νόμο του Βόλτα, σε κάθε κλειστό κύκλωμα από διάφορα μέταλλα, το αλγεβρικό άθροισμα των τάσεων επαφής είναι ίσο με μηδέν, εφόσον όλες οι επαφές βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία. Αυτό συμπεραίνεται από το αξίωμα διατήρησης της ενέργειας, γιατί, αν το άθροισμα δεν είναι μηδέν, θα παραγόταν συνέχεια ηλεκτρικό ρεύμα, χωρίς άλλη μεταβολή. Η θερμοηλεκτρική τάση που αναπτύσσεται σ’ ένα θερμό στοιχείο είναι ανάλογη προς τη διαφορά θερμοκρασίας των δύο επαφών και εξαρτάται από τη φύση των μετάλλων
Εe = c • ΔΘ. Ο συντελεστής (c) αριθμητικά εκφράζει την τάση η οποία αντιστοιχεί σε διαφορά θερμοκρασίας 1°C. Αν διατηρήσουμε σταθερή τη θερμοκρασία της μιας επαφής και αυξάνουμε συνέχεια τη θερμοκρασία της άλλης, θα παρατηρήσουμε στην αρχή αύξηση της θερμοηλεκτρικής τάσης, ύστερα ελάττωση μέχρι να μηδενιστεί και στη συνέχεια αλλαγή της φοράς. Η θερμοκρασία, για την οποία αναστρέφεται η φορά της θερμοηλεκτρικής τάσης, λέγεται θερμοκρασία αναστροφής του θερμοηλεκτρικού ζεύγους. Γενικά η φορά του θερμοηλεκτρικού ρεύματος είναι τέτοια, ώστε να προκαλεί θέρμανση της ψυχρής επαφής και ψύξη της θερμής. Σύμφωνα με το νόμο του Βόλτα, το άθροισμα των τάσεων Γκαλβάνι είναι μηδέν, εφόσον η θερμοκρασία των επαφών είναι η ίδια. Όταν όμως αυξήσουμε τη θερμοκρασία της μιας επαφής, μεγαλώνει και η κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων των δύο μετάλλων. Επειδή όμως η αύξηση δεν είναι ίδια και για τα δύο μέταλλα, η τάση θα πάρει νέα τιμή και επομένως στο σύνολο η τάση θα είναι διάφορη από το μηδέν. Αυτή η μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική παρατηρείται σε διάφορα φαινόμενα, όπως το φαινόμενο Ζέμπεκ, το φαινόμενο Πελτιέ και το φαινόμενο Τόμσον.
Φαινόμενο Ζέμπεκ. Είναι το βασικό φαινόμενο του θερμοηλεκτρισμού στο οποίο εκδηλώνεται η αλληλεπίδραση μεταξύ θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας (βλ. λ. θερμοηλεκτρικό ζεύγος).
Φαινόμενο Τόμσον. Στο φαινόμενο αυτό έχουμε μετατροπή της κινητικής ενέργειας σε θερμότητα και αντίστροφα. Σε έναν ομοιογενή μεταλλικό αγωγό διατηρούμε την ίδια θερμοκρασία σε δύο σημεία, που απέχουν ορισμένη απόσταση. Στην ενδιάμεση ζώνη προσφέρουμε θερμότητα, ώστε να αποκτήσει θερμοκρασία υψηλότερη από τα ακραία σημεία. Όταν ο αγωγός δε διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, η κατανομή της θερμοκρασίας στον αγωγό είναι συμμετρική. Με τη ροή όμως ηλεκτρικού ρεύματος παρατηρείται μια ασυμμετρία, που εξαρτάται από τη διεύθυνση του ρεύματος. Η αλλαγή της φοράς του ρεύματος προκαλεί αναστροφή της ασυμμετρίας. Το φαινόμενο εξαρτάται από τη φύση του μετάλλου, που εκφράζεται από το συντελεστή Τόμσον.
Φαινόμενο Πελτιέ. Δημιουργούμε ένα κύκλωμα που αποτελείται από δύο ράβδους χαλκού, με ενδιάμεση ένωση από ράβδο σιδήρου. Οι δύο επαφές του θερμοηλεκτρικού ζεύγους βρίσκονται μέσα σε γυάλινα δοχεία που λέγονται θερμοσκόπια. Τα δύο δοχεία συγκοινωνούν με ένα λεπτό σωλήνα, μέσα στον οποίο υπάρχει μια σταγόνα λαδιού, που χρησιμεύει για δείκτης. Όταν το ρεύμα κινείται από το χαλκό προς το σίδηρο, η επαφή (Τ) ψύχεται (βλ. σχήμα), ενώ η επαφή (Κ) θερμαίνεται, οπότε η σταγόνα κινείται προς την ψυχρότερη επαφή. Με την αναστροφή της φοράς του ρεύματος παρατηρείται το αντίθετο φαινόμενο. Στο φαινόμενο Πελτιέ επομένως, έχουμε έκλυση ή απορρόφηση θερμότητας, η οποία πραγματοποιείται κατά τη δίοδο ηλεκτρικού ρεύματος διαμέσου της επαφής δύο μετάλλων, ανάλογα με τη φορά τους. Το ποσό της θερμότητας είναι ανάλογο προς το χρόνο και την ένταση του ρεύματος και δίνεται από τον τύπο Q = Κ • Ι • t (όπου t ο χρόνος, Ι η ένταση του ρεύματος και Κ = 10-3 ο συντελεστής Πελτιέ). Η ψύξη που παρατηρείται οφείλεται στην κατανάλωση έργου. Δηλαδή, αν η φορά του ρεύματος είναι τέτοια, ώστε για να μετακινηθούν τα ηλεκτρόνια να χρειάζεται δαπάνη έργου, αυτό γίνεται σε βάρος της κινητικής ενέργειας των ηλεκτρονίων, οπότε παρατηρείται ψύξη της επαφής. Το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο και το φαινόμενο Πελτιέ είναι αντίστροφα φαινόμενα, αποτελούν δηλαδή αντιστρεπτή μεταβολή.
Θερμοηλεκτρονικό (ή θερμιονικό) φαινόμενο. Η χαρακτηριστική ιδιότητα των μετάλλων να εκπέμπουν ηλεκτρόνια, όταν έχουν υψηλή θερμοκρασία. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται ανά μονάδα χρόνου, είναι τόσο μεγαλύτερος όσο αυξάνει η θερμοκρασία. Ο Έντισον το 1883 παρατήρησε ότι, αν μέσα σε μια λάμπα πυράκτωσης τοποθετήσουμε, σε μικρή απόσταση από το πυρακτωμένο νήμα, μια μεταλλική πλάκα και τη συνδέσουμε, διαμέσου ενός γαλβανόμετρου, με το θετικό πόλο της πηγής που τροφοδοτεί το νήμα, τότε το γαλβανόμετρο θα δείξει τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος. Το φαινόμενο αυτό, που λέγεται και θερμική εκπομπή ηλεκτρονίων ή φαινόμενο Έντισον, έμεινε ανεξήγητο μέχρι το 1901, οπότε ο Ρίτσαρντσον (βραβείο Νόμπελ) απέδειξε ότι τα μεταλλικά σύρματα, που βρίσκονται σε διάπυρη κατάσταση, εκπέμπουν ηλεκτρόνια στον κενό χώρο. Η εκπομπή των ηλεκτρονίων εξαρτάται και από τη χημική σύσταση του σώματος και είναι πιο έντονη σε ορισμένα υλικά, όπως π.χ. σε οξείδια στρόντιου και βαρίου.
Τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται ονομάζονται θερμικά ηλεκτρόνια. Ο Ρίτσαρντσον απέδειξε ότι η εκπομπή ηλεκτρονίων από διάπυρα μέταλλα είναι φαινόμενο ανάλογο με την εξάτμιση των υγρών, δηλαδή την έξοδο μορίων αερίου από την επιφάνεια ενός υγρού. Η κινητική ενέργεια των ελεύθερων ηλεκτρονίων των μετάλλων, στις συνηθισμένες θερμοκρασίες του περιβάλλοντος, είναι πολύ μικρή και δεν είναι ικανή να δημιουργήσει συνθήκες εξόδου των ηλεκτρονίων από το μέταλλο. Η θερμότητα όμως προσφέρει επιπλέον ποσοστό κινητικής ενέργειας στα ηλεκτρόνια, τα οποία αποδεσμεύονται και βγαίνουν από το μέταλλο. Η εκπομπή όμως των ηλεκτρονίων δημιουργεί γύρω από το μέταλλο (κάθοδο) ένα «νέφος» από ηλεκτρόνια με αρνητικό φορτίο. Έτσι ανάμεσα στο «νέφος» και το νήμα δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο και για μια δοσμένη θερμοκρασία εμφανίζεται δυναμική ισορροπία μεταξύ ηλεκτρονίων και νήματος. Δηλαδή όσα ηλεκτρόνια εκπέμπονται από το νήμα σε ορισμένο χρονικό διάστημα, τόσα ακριβώς αναγκάζονται να ξαναγυρίσουν στον ίδιο χρόνο στο νήμα. Για να αποφύγουμε την επαναφορά των ηλεκτρονίων στο μέταλλο, θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε σε ορισμένη απόσταση ένα άλλο ηλεκτρόδιο (άνοδο) με πιο υψηλό δυναμικό, ώστε να δημιουργηθεί ένα αντίθετο ηλεκτρικό πεδίο. Τότε τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια δεν παραμένουν γύρω από την κάθοδο (νήμα), αλλά με την επίδραση του πεδίου κινούνται προς την άνοδο και κλείνουν το ανοδικό κύκλωμα. Το ρεύμα των ηλεκτρονίων διατηρείται όσο χρόνο η τάση της ανόδου είναι θετική. Το φαινόμενο αυτό εμφανίζεται στους ηλεκτρονικούς σωλήνες κενού, όπου διακρίνουμε δύο ηλεκτρόδια, την κάθοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο) και την άνοδο (θετικό ηλεκτρόδιο) και είναι τόσο περισσότερο έντονο όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στην κάθοδο και την άνοδο, όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία της καθόδου και όσο μεγαλύτερο είναι το εμβαδόν της επιφάνειάς της. Επίσης εξαρτάται από τη χημική σύσταση του υλικού της καθόδου. Η κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα στους σωλήνες δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα γνωστό ως ανοδικό ρεύμα (Ια). Όταν αυξάνεται η ανοδική τάση (Vα), τότε και η ένταση του ανοδικού ρεύματος αυξάνει μέχρι μια μέγιστη τιμή, που λέγεται ρεύμα κόρου (Ικορ).
Όλα τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από την κάθοδο (νήμα) φτάνουν στην άνοδο και το ανοδικό ρεύμα παίρνει τη μέγιστη τιμή του. Η εξάρτηση της έντασης του ανοδικού ρεύματος από την ανοδική τάση (Vα) δίνεται από τον τύπο του Λάγκμιουιρ: Ια = c ∙ Vα3/2 (όταν e είναι σταθερά που εξαρτάται από τη μορφή της καθόδου και την απόσταση των ηλεκτροδίων). Η επίδραση της θερμοκρασίας της καθόδου στο ρεύμα κόρου δίνεται από τον τύπο του Ρίτσαρντσον, (όταν Α σταθερά ίση με 120 Amp/cm2 ∙ grad2 για όλα τα μέταλλα, S το εμβαδόν της επιφάνειας της καθόδου, Τ η απόλυτη θερμοκρασία σε βαθμούς Kelvin, Β το έργο εξαγωγής του ηλεκτρονίου, Κ = 1,37 ∙ 10-16erg/grad, η σταθερά Μπόλτσμαν).
Το θερμοηλεκτρονικό φαινόμενο έχει σπουδαίες πρακτικές εφαρμογές και αποτέλεσε σπουδαίο κεφάλαιο της ηλεκτρονικής φυσικής, γιατί σ’ αυτό στηρίζεται η λειτουργία όλων των ηλεκτρονικών σωλήνων (Κούλιτζ κτλ.), η δημιουργία των ηλεκτρονικών λυχνιών (δίοδης, τρίοδης, πεντάοδης κτλ.), η λειτουργία του καθοδικού παλμογράφου και του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου, καθώς και η παραγωγή ακτίνων Ρέντγκεν.
Θερμόμετρο. Όργανο του οποίου η λειτουργία στηρίζεται βασικά στο φαινόμενο της διαστολής ή συστολής των σωμάτων, όταν αυτά θερμαίνονται ή ψύχονται, και το οποίο μετρά θερμοκρασίες. Η σωστή ονομασία των θερμομέτρων θα έπρεπε να είναι θερμοκρασιόμετρα, γιατί μετρούν θερμοκρασίες και όχι θερμότητα. Η μέτρηση της θερμοκρασίας με τα θερμόμετρα στηρίζεται στην «αρχή της εξίσωσης των θερμοκρασιών», σύμφωνα με την οποία, όταν έρθουν σε επαφή δύο σώματα με διαφορετικές θερμοκρασίες, τότε, έπειτα από ορισμένο χρονικό διάστημα, οι θερμοκρασίες εξισώνονται. Αν είναι γνωστή δηλαδή η θερμοκρασία του ενός από τα σώματα μετά την επαφή, τότε, έμμεσα, μπορούμε να ξέρουμε και τη θερμοκρασία του άλλου. Πρέπει όμως το όργανο αυτό της σύγκρισης να απορροφά από το θερμομετρούμενο σώμα ελάχιστο ποσό θερμότητας, ώστε να μη μεταβάλλεται αισθητά η θερμοκρασία του. Υπάρχουν διάφοροι τύποι θερμομέτρων, ανάλογα με την αρχή της λειτουργίας και τις συνθήκες χρησιμοποίησης.
α) Υδραργυρικό θερμόμετρο. Η λειτουργία του βασίζεται στο φαινόμενο της θερμικής διαστολής του υδράργυρου. Χρησιμοποιείται υδράργυρος, γιατί έχει ορισμένα πλεονεκτήματα: η διαστολή του είναι σημαντική και ομοιόμορφη, παρασκευάζεται εύκολα σε καθαρή κατάσταση, είναι αδιαφανής και δε χρειάζεται τεχνητό χρωματισμό, έχει χαμηλό σημείο πήξης, δεν παρουσιάζει συνάφεια με το γυαλί του σωλήνα και είναι πολύ καλός αγωγός της θερμότητας. Το όριο για τη χρησιμοποίηση του υδραργυρικού θερμομέτρου είναι από –38,9°C, μέχρι και 300°C. Για μέτρηση μεγαλύτερων θερμοκρασιών μέχρι 700°C χρησιμοποιούμε θερμόμετρα από γυαλί χαλαζία, πάνω όμως από την επιφάνεια του υδράργυρου δεν υπάρχει κενό, αλλά άζωτο ή διοξείδιο του άνθρακα με πίεση. Το υδραργυρικό θερμόμετρο ανήκει στην κατηγορία των θερμομέτρων με υγρό, στην οποία επίσης ανήκουν και τα θερμόμετρα με οινόπνευμα (μέχρι –100°C), με πεντάνιο (μέχρι –190°C) και με τολουόλιο (μέχρι –80°C). Η ευαισθησία των θερμομέτρων είναι τόσο μεγαλύτερη, όσο το δοχείο του θερμομέτρου είναι μεγαλύτερο και η διάμετρος του σωλήνα μικρότερη.
Για τη μέτρηση των θερμοκρασιών χρησιμοποιούνται διάφορες κλίμακες, όπως του Κελσίου, του Φαρενάιτ και του Ρεωμύρου. Η κλίμακα του Κελσίου λέγεται και εκατονταβάθμια, επειδή διαιρείται σε 100 βαθμούς μεταξύ του σημείου πήξης του νερού (0°C) και του σημείου ζέσης του (100°C). Η αντιστοιχία μεταξύ βαθμών Κελσίου και Φαρενάιτ (°F) είναι η ακόλουθη: σε 0°C αντιστοιχούν 32°F και σε 100°C αντιστοιχούν 212οF. Επομένως 100 συνολικά βαθμοί Κελσίου αντιστοιχούν σε 180° Φαρενάιτ. Στην κλίμακα του Ρεωμύρου το 0°C αντιστοιχεί σε 0°R, ενώ 80°R αντιστοιχούν σε 100°C. Η αναγωγή των ενδείξεων στις θερμομετρικές κλίμακες Κελσίου, Φαρενάιτ και Ρεωμύρου γίνεται με την εφαρμογή του τύπου:
β) Θερμόμετρα με αέριο. Η μεταβολή της πίεσης ενός αερίου με σταθερό όγκο, όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία του, μας δίνει την ένδειξη για τη διαφορά θερμοκρασίας (π.χ. αερικό θερμόμετρο). Τα αέρια που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι το άζωτο, ήλιο και υδρογόνο.
γ) Ηλεκτρονικά θερμόμετρα αντίστασης. Η αντίσταση των μεταλλικών αγωγών μεγαλώνει με την αύξηση της θερμοκρασίας. Με τη χρησιμοποίηση κατάλληλου αγωγού, π.χ. σύρματος από λευκόχρυσο, και ενός οργάνου που μετρά αντιστάσεις, είναι δυνατό να κατασκευαστεί ηλεκτρικό θερμόμετρο.
δ) Θερμοηλεκτρικά θερμόμετρα. Η λειτουργία τους στηρίζεται στο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο. Αν τα άκρα δύο συρμάτων διαφορετικών μετάλλων κολληθούν «αυτογενώς» (χωρίς χρήση κολλητικής ουσίας) και η μια επαφή κρατιέται σε σταθερή θερμοκρασία, ενώ η άλλη θερμαίνεται, μεταξύ των δύο επαφών αναπτύσσεται μια θερμοηλεκτρική τάση. Αυτή η τάση, που αυξάνει με τη διαφορά θερμοκρασίας των δύο επαφών, μετριέται από ένα βολτόμετρο βαθμολογημένο κατευθείαν σε διαφορές θερμοκρασίας. Για να αποκτήσουμε μεγαλύτερη τάση, ώστε η μέτρηση να είναι ευκολότερη, συνδέουμε πολλά όμοια ζεύγη σε σειρά και σχηματίζουμε μια θερμοηλεκτρική στήλη.
ε) Οπτικά πυρόμετρα. Τα θερμόμετρα αυτά χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση πολύ υψηλών θερμοκρασιών, κυρίως στη μεταλλουργία. Η λαμπρότητα της ερυθράς ακτινοβολίας του διάπυρου σώματος συγκρίνεται με πρότυπη πηγή ερυθράς ακτινοβολίας, π.χ. ηλεκτρικής λάμπας, της οποίας μεταβάλλουμε τη λαμπρότητα του νήματος με τη μεταβολή της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος.
Αν το όργανο ρυθμιστεί κατάλληλα, ώστε το νήμα να εξαφανιστεί μέσα στο οπτικό πεδίο, τότε η φωτοβολία του νήματος θα συμπίπτει με τη φωτοβολία του πεδίου, οπότε και η ένδειξη του αμπερόμετρου, που είναι συνδεμένο με το όργανο, θα δείχνει τη θερμοκρασία του εξεταζόμενου σώματος. Το οπτικό πυρόμετρο χρησιμοποιείται χωρίς να έρχεται σε επαφή με τα σώματα, τα οποία, στην προκειμένη περίπτωση, είναι λιωμένο σίδερο ή ατσάλι κτλ. Απλώς γίνεται παρατήρηση του σώματος με ένα σωλήνα, όπως ακριβώς στα μικροσκόπια.
στ) Αυτογραφικά θερμόμετρα. Αποτελούνται κυρίως από ένα σωλήνα μεταλλικό, ο οποίος είναι γεμάτος με οινόπνευμα ή πετρέλαιο, ή έχουν μια σπείρα από διμεταλλικό υλικό. Με τη μεταβολή της θερμοκρασίας ο όγκος του υγρού αυξάνει και επομένως μεταβάλλεται η πίεση που ασκείται στα τοιχώματα του σωλήνα. Έτσι προκύπτουν δυνάμεις που προκαλούν ελαστικές παραμορφώσεις στο σωλήνα. Οι δυνάμεις αυτές, με κατάλληλη μηχανική διάταξη, μετακινούν ένα δείκτη ο οποίος έχει τη δυνατότητα να γράφει πάνω σε ένα κυλινδρικό τύμπανο, που στρέφεται γύρω από τον άξονά του με ωρολογιακό μηχανισμό. Τα αυτογραφικά θερμόμετρα βαθμολογούνται σε σύγκριση με τα υδραργυρικά και χρησιμοποιούνται από τους μετεωρολογικούς σταθμούς για τη συνεχή παρακολούθηση των μεταβολών της θερμοκρασίας σε μεγάλα χρονικά διαστήματα (π.χ. μήνες, βδομάδες, μέρες).
Άλλοι τύποι θερμομέτρων για ειδικές χρήσεις είναι το ιατρικό θερμόμετρο, το θερμόμετρο μέγιστου και ελάχιστου, το διαφορικό θερμόμετρο Μπέκμαν, το βολόμετρο κ.ά.
Θερμομετρικές κλίμακες. Οι εμπειρικές κλίμακες θερμοκρασίας, όπως η κλίμακα Κελσίου και η κλίμακα Φαρενάιτ. Οι κλίμακες αυτές βασίζονται στη χρήση σταθερών σημείων, όπως είναι το σημείο πήξης και το σημείο βρασμού του νερού και η υποδιαίρεση του θεμελιώδους διαστήματος μεταξύ των δύο αυτών σημείων σε μονάδες θερμοκρασίας (100 βαθμοί στην περίπτωση Κελσίου και 180 βαθμοί στην κλίμακα Φαρενάιτ).
Ωστόσο για επιστημονικούς λόγους η χρησιμοποιούμενη κλίμακα είναι η Διεθνής Πρακτική Κλίμακα Θερμοκρασίας (1968), η οποία είναι σχεδιασμένη να συμβαδίζει όσο το δυνατό με τη θερμοδυναμική θερμοκρασία και εκφράζεται στη μονάδα της θερμοδυναμικής θερμοκρασίας, που είναι το Κέλβιν. Τα έντεκα σταθερά σημεία της κλίμακας αυτής φαίνονται στον πίνακα κλιμάκων θερμοκρασίας. Επίσης πρέπει να καθορίζονται τα όργανα μέτρησης για τυχόν παρεμβολές μεταξύ τους. Πάνω από το σημείο πήξης του χρυσού χρησιμοποιούμε ένα πυρόμετρο ακτινοβολίας, που η λειτουργία του βασίζεται στο νόμο ακτινοβολίας του Πλανκ.


















ΠΙΝΑΚΑΣ ΚΛΙΜΑΚΩΝ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ
Τ/Κ t/°C
Τριπλό σημείο ισορροπίας υδρογόνου 13,81 -259,34
Θερμοκρασία ισορροπίας υδρογόνου, όταν η πίεση ατμού του είναι 25/76 της κανονικής ατμόσφαιρας 17,042 -256,108
Σημείο ισορροπίας βρασμού υδρογόνου 20,28 -252,87
Σημείο βρασμού του νέου 27,102 -246,048
Τριπλό σημείο οξυγόνου 54,361 -218,789
Σημείο βρασμού υδρογόνου 90,188 -182,962
Τριπλό σημείο του νερού 273,16 0,01
Σημείο βρασμού του νερού 373,15 100
Σημείο πήξης του υδραργύρου 692,73 419,58
Σημείο πήξης του αργύρου 1.235,08 961,93
Σημείο πήξης του χρυσού 1.337,58 1.064,43


Θερμομόνωση. Το σύνολο των μέσων και των μεθόδων που χρησιμοποιούνται σε ένα κτίριο ή μια κατασκευή με σκοπό τη μείωση της ταχύτητας ανταλλαγής θερμότητας μέσα από τοιχώματα που χωρίζουν περιοχές ή χώρους διαφορετικής θερμοκρασίας. Σε παλαιότερες εποχές δεν υπήρχε ανάγκη για πρόβλεψη θερμομόνωσης, επειδή στις πέτρινες παραδοσιακές κατασκευές τα μεγάλου πάχους τοιχώματα, οι ξύλινες στέγες και τα φυσικά υλικά δημιουργούσαν συνθήκες μόνωσης. Στη σύγχρονη εποχή οι κατασκευές έγιναν περισσότερο ελαφριές, τα υλικά πιο σύνθετα αλλά λιγότερο ανθεκτικά στις καιρικές μεταβολές, οπότε τη ρύθμιση του εσωτερικού κλίματος των χώρων κατοικίας και εργασίας ανέλαβαν διάφορα συστήματα, όπως η κεντρική θέρμανση και ο κλιματισμός. Επειδή όμως η απαραίτητη ενέργεια για τη λειτουργία των συστημάτων γίνεται όλο και ακριβότερη, φαίνεται όλο και περισσότερο η ανάγκη και η αξία της θερμομόνωσης. Μια καλή θερμομόνωση πρέπει να εξασφαλίζει την υγιεινή, άνετη και ευχάριστη διαβίωση χωρίς διατάραξη του θερμικού ισοζυγίου του ανθρώπινου σώματος, την οικονομία στην κατανάλωση ενέργειας, τον περιορισμό του κόστους κατασκευής και εγκατάστασης των συστημάτων θέρμανσης και ψύξης, την αποφυγή προβλημάτων που προκαλούν οι απότομες μεταβολές θερμοκρασίας, την αποφυγή συγκέντρωσης υδρατμών σε εσωτερικά δομικά στοιχεία, την προστασία από θορύβους του περιβάλλοντος.
Η θερμομόνωση, για να έχει σωστά αποτελέσματα στη μείωση των θερμικών απωλειών των εσωτερικών χώρων, θα πρέπει να εφαρμόζεται με βάση σωστή μελέτη και με ακριβή γνώση της σύνθεσης και των ιδιοτήτων των θερμομονωτικών υλικών που θα επιλεγούν. Στην Ελλάδα, όπως και σε άλλες χώρες, ισχύει ο «κανονισμός θερμομόνωσης των κτιρίων», ο οποίος με βάση τις κλιματολογικές συνθήκες των διάφορων περιοχών προσδιορίζει τις προδιαγραφές, ώστε να εξασφαλιστεί σωστή θερμομόνωση από τεχνοοικονομική άποψη. Τα θερμομονωτικά υλικά, που χρησιμοποιούνται διαθέτουν στη μάζα τους πολύ μεγάλο αριθμό κυψελίδων, όπου παγιδεύεται ο αέρας. Είναι γνωστό ότι ο ακίνητος αέρας έχει τη μικρότερη τιμή θερμικής αγωγιμότητας (λ = 0,02 kcal/hm • c), οπότε όσο περισσότερες κυψελίδες έχει ένα υλικό τόσο καλύτερο αλλά και ελαφρότερο είναι. Βέβαια σημαντικό ρόλο παίζουν και άλλες ιδιότητες των θερμομονωτικών υλικών, όπως η μηχανική αντοχή, η σταθερότητα του όγκου τους, η ανθεκτικότητα στις μεταβολές θερμοκρασίας και η μέση διάρκεια ζωής τους. Σε κάθε περίπτωση πάντως η θερμοκρασία και η υγρασία επηρεάζουν τις θερμομονωτικές ιδιότητες των υλικών. Τα θερμομονωτικά υλικά μπορούν να καταταγούν ανάλογα με την προέλευση και την επεξεργασία τους στα ακόλουθα:

Τύποι θερμομονωτικών υλικών Υλικά
ανόργανα φυσικά αμίαντος, κίσσηρης
ανόργανα τεχνητά υαλοβάμβακας, περλίτης, ορυκτοβάμβακας, βερμικουλίτης, μονωτικά τούβλα
οργανικά φυσικά φυσικός φελλός, άχυρο, καλάμια, σύρμη
οργανικά τεχνητά τεχνητός φελλός, ξυλόμαλλο, διογκωμένη πολυστερίνη, PVC, καουτσούκ, συνθετικά πλαστικά
σκυροδέματα φυσικά κισσηρόδεμα, αμιαντοσκυρόδεμα, αερομπετόν, κυψελομπετόν

Σε κάθε περίπτωση η χρήση θερμομονωτικών υλικών στις κατασκευές έχει ως συνέπεια και την ηχομόνωσή τους (Βλ. λ. μόνωση).
Θερμοπυρηνική αντίδραση. Οι αντιδράσεις της πυρηνικής φυσικής οι οποίες εξασφαλίζουν θερμικά την έναρξη και τη διατήρηση της σύντηξης. Σύντηξη είναι η πυρηνική αντίδραση κατά την οποία δύο ελαφροί πυρήνες ενώνονται για να σχηματίσουν σταθερότερους πυρήνες με σύγχρονη έκλυση ενέργειας. Η αντίδραση αυτή είναι δυνατή μόνο όταν οι δύο πυρήνες έχουν μεγάλη κινητική ενέργεια, πράγμα το οποίο επιτυγχάνεται με αύξηση της θερμικής ενέργειας. Οι ενέργειες που πρέπει να αποκτήσουν οι πυρήνες, για να αρχίσει η θερμοπυρηνική αντίδραση, αντιστοιχούν σε θερμοκρασίες 100.000.000°C. Στη θερμοκρασία όμως των 100.000°C, τα άτομα των στοιχείων ιονίζονται και το αρχικό μείγμα των ατόμων μετατρέπεται σε μείγμα ελεύθερων ηλεκτρονίων και ελεύθερων πυρήνων. Η ιδιόμορφη αυτή κατάσταση αερίων λέγεται πλάσμα. Επομένως το υλικό στο οποίο συμβαίνει η θερμοπυρηνική αντίδραση είναι το πλάσμα. Ένας τύπος θερμοπυρηνικής αντίδρασης, με βασικά συστατικά το δευτέριο και το τρίτιο, είναι ο εξής: Η αντίδραση αυτή χρησιμοποιείται στη βόμβα υδρογόνου, η έκρηξη της οποίας αποδίδει ισχύ δεκάδων μεγατόνων. Στη βόμβα υδρογόνου η θερμοπυρηνική αντίδραση συμβαίνει σε ελάχιστο χρόνο και δεν είναι ελεγχόμενη. Αν γίνει δυνατός ο έλεγχος της θερμοπυρηνικής αντίδρασης, τότε θα λυθεί το ενεργειακό πρόβλημα της ανθρωπότητας, γιατί ως πρώτη ύλη θα χρησιμοποιείται το δευτέριο, το οποίο υπάρχει σε όλα τα φυσικά νερά. Στον Ήλιο και τους άλλους απλανείς αστέρες, λόγω της υψηλής θερμοκρασίας του εσωτερικού τους, συμβαίνει σύντηξη υδρογόνου, κατά την οποία παράγεται ήλιο και σημαντικό ποσό θερμότητας, με αποτέλεσμα να ελαττώνεται το υδρογόνο και να αυξάνεται το ήλιο. Η ενέργεια που παράγεται σ’ αυτή την αντίδραση, σύμφωνα με τη σχέση Ε = m • c2, είναι αποτέλεσμα της απώλειας σε μάζα. Έχουμε λοιπόν μετατροπή της μάζας σε ενέργεια, η οποία ισούται με 2,55 • 1015 Τζάουλ για κάθε χιλιογραμμομόριο παραγόμενου ηλίου. Η αντίστοιχη αντίδραση είναι η εξής:
J/Kg-mol ηλίου, όπου νe το νετρίνο ηλεκτρονίου.
Άλλες θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στον Ήλιο και στους απλανείς και σ’ αυτές οφείλεται η ηλιακή και η αστρική ενέργεια είναι: α) Η αλυσίδα πρωτονίου-πρωτονίου και β) ο κύκλος του άνθρακα-αζώτου (κύκλος Bethe-Weizsäcker).
Θερμότητα. Η ενέργεια που μεταφέρεται κατά τις θερμικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ δύο σωμάτων διαφορετικής θερμοκρασίας, από το σώμα υψηλότερης στο σώμα χαμηλότερης θερμοκρασίας μέχρι να εξισωθούν οι δύο θερμοκρασίες.
Ενώ η θερμοκρασία χαρακτηρίζει πόσο ζεστό είναι ένα σώμα, η θερμότητα είναι ενέργεια που μεταφέρεται από ένα σώμα σε άλλο λόγω διαφοράς θερμοκρασίας τους. Η θερμότητα που απαιτείται για τη θέρμανση ενός σώματος έχει τα εξής χαρακτηριστικά: α) Είναι ανάλογη με την αύξηση της θερμοκρασίας Δθ, β) είναι ανάλογη με τη μάζα του σώματος m και γ) εξαρτάται από το υλικό και από τον τρόπο που γίνεται η μεταβολή μέσω της ειδικής θερμότητας του υλικού c. Τα παραπάνω συνοψίζονται στη βασική εξίσωση για τη μεταφορά θερμότητας: Q = m • c • Δθ, όπου Q η μεταφερόμενη θερμότητα.
Γενικά, η θερμοκρασία ενός σώματος μεταβάλλεται, όταν μεταφέρεται θερμότητα ανάμεσα στο σώμα και στο περιβάλλον. Υπάρχουν περιπτώσεις στις οποίες, ενώ υπάρχει μεταφορά θερμότητας, δε συμβαίνει μεταβολή της θερμοκρασίας. Τότε το σώμα αλλάζει μορφή, δηλαδή υφίσταται μεταβολή φάσης. Η θερμότητα (Q) που είναι αναγκαία για να μεταβληθεί η φάση μίας ουσίας απαλλαγμένης από προσμείξεις, μάζας m, είναι: Q = m • L, όπου L η λανθάνουσα θερμότητα. Όταν η μεταβολή φάσης αντιστοιχεί στην τήξη, η σταθερά ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα τήξης (Lτηξ), ενώ όταν η ουσία περνά από την υγρή στην αέρια φάση ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα εξαέρωσης.
Μονάδα μέτρησης της θερμότητας είναι η θερμίδα (cal). Έχει οριστεί ότι η θερμίδα είναι ίση με 4,186 Joule: 1cal = 4,186 Joule. Αυτό σημαίνει ότι 4,186 Joule μηχανικής (ή οποιασδήποτε άλλης μορφής) ενέργειας θα αυξήσουν τη θερμοκρασία 1 gr νερού από τους 14,5°C στους 15,5°C.
Η θερμότητα μεταφέρεται με τρεις διαφορετικούς μηχανισμούς: α) με αγωγιμότητα, β) με ρεύματα και γ) με ακτινοβολία.
Η αγωγιμότητα οφείλεται στην ανταλλαγή κινητικής ενέργειας ανάμεσα στα μόρια. Ο ρυθμός (Η) με τον οποίο η θερμότητα άγεται μέσω μιας πλάκας εμβαδού Α ισούται με: Η = k • A •, όπου k ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας και η βαθμίδα θερμοκρασίας.
Στα μέταλλα (άργυρο, χαλκό, αλουμίνιο), η διάδοση της θερμότητας γίνεται εύκολα, γι’ αυτό και χαρακτηρίζονται ως θερμικοί αγωγοί. Άλλα μη μεταλλικά σώματα, όπως τα πλαστικά, το χαρτί, ο φελλός, η πολυουρεθάνη ή ακόμα και το λίπος του σώματος έχουν πολύ μικρή θερμική αγωγιμότητα και χαρακτηρίζονται ως θερμικοί μονωτές.
Στα υγρά και στα αέρια η θερμότητα διαδίδεται κυρίως με ρεύματα μεταφοράς της ύλης τους από μία περιοχή που έχει υψηλή θερμοκρασία προς μία άλλη λιγότερο θερμή. Εάν ένα αντικείμενο έχει θερμοκρασία Τα και το περιβάλλον του θερμοκρασία Ταο, τότε η καθαρή ενέργεια ακτινοβολίας Ρκαθ που κερδίζει ή χάνει το σώμα κάθε δευτερόλεπτο δίνεται από το νόμο του Stefan: Ρκαθ = σ • Α • e(T4 - To4), όπου σ είναι μία σταθερά ίση με 5,6696 • 10-8W/m2 • K4, A το εμβαδόν της επιφάνειας σε τετραγωνικά μέτρα και e μία σταθερά που εξαρτάται από τις ιδιότητες της επιφάνειας, παίρνει τιμές ανάμεσα στο μηδέν και στη μονάδα και λέγεται συντελεστής εκπομπής.
Η ηλιακή θερμότητα διαδίδεται με ακτινοβολία.
Θόρυβος. Ταλάντωση του αέρα με μεγάλη διάρκεια, η οποία αντιστοιχεί σε ακανόνιστα ηχητικά κύματα, που δεν παρουσιάζουν καμιά περιοδικότητα, ούτε συγκεκριμένη συχνότητα. Οι θόρυβοι είναι ήχοι που δεν έχουν καθορισμένο μουσικό χαρακτήρα και μολονότι μεταφέρουν μικρή ενέργεια, τα ψυχοφυσιολογικά αποτελέσματά τους πάνω στους ανθρώπους μπορεί να είναι πολύ μεγάλα. Δυνατοί θόρυβοι προκαλούν αίσθημα φόβου και κάνουν πιο έντονες ορισμένες λειτουργίες του οργανισμού (π.χ. προξενούν ταχυπαλμίες). Αυτή είναι και η αιτία που, σε μερικούς ανθρώπους, και οι παραμικρότεροι θόρυβοι ενεργούν διεγερτικά. Υποστηρίζεται από πολλούς ότι η οξύτητα της όρασης αυξάνεται όταν δημιουργούνται δυνατοί θόρυβοι. Η αδιάκοπη όμως έκθεση σε δυνατούς θορύβους προκαλεί ελάττωση της ακοής. Αυτό παρατηρείται συνήθως σ’ αυτούς που εργάζονται σε βαριά βιομηχανικά συγκροτήματα, στους οδηγούς μεγάλων αυτοκινήτων κτλ. Με πειράματα σε μεγάλες ομάδες εργαζομένων πνευματικά, βρέθηκε ότι η απόδοση της εργασίας είναι αντίστροφα ανάλογη προς την ένταση των θορύβων. Απλούστερη μέθοδος για τη μέτρηση των θορύβων είναι με το μετρητή Ντεσιμπέλ. Ο μετρητής αποτελείται από ένα μικρόφωνο, που παγιδεύει τους ήχους και τους μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια, από έναν ενισχυτή, ο οποίος ενισχύει το ηλεκτρικό σήμα, και από ένα ηλεκτρικό όργανο μέτρησης συγκριτικά βαθμολογημένο.
Στα πειραματικά εργαστήρια χρησιμοποιούνται οι μονάδες Μπελ και Ντεσιμπέλ για τη σύγκριση των ηχητικών σημάτων. Στις πρακτικές εφαρμογές, για τον προσδιορισμό της στάθμης θορύβου, χρησιμοποιείται η μονάδα σον.
Ηλεκτρ. Όταν πάρουμε ένα μικρής ισχύος ραδιοφωνικό σήμα, που φτάνει στην κεραία λήψης από έναν πολύ μακρινό πομπό ή από έναν πομπό μικρής ισχύος, η πρώτη μας σκέψη είναι να αυξήσουμε την ενίσχυση του δέκτη. Όσο όμως αυξάνουμε την ενίσχυση, τόσο το μεγάφωνο δίνει ήχο, όπου το σήμα διαμόρφωσης χάνεται πολλές φορές μέσα σε ένα πλήθος από παράσιτα και θορύβους. Τα παράσιτα αυτά και οι θόρυβοι ενισχύονται στο δέκτη κατά τον ίδιο τρόπο, όπως και το επιθυμητό σήμα. Επομένως πρόβλημά μας είναι να καταπολεμήσουμε όλους αυτούς τους δυσάρεστους ήχους που ενοχλούν την καθαρή λήψη και που ονομάζονται με μια λέξη «θόρυβοι».
Οι θόρυβοι αυτοί διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: στους εξωτερικούς, που προέρχονται από ανεπιθύμητα σήματα (παράσιτα), και τους εσωτερικούς ή βάθους, που οφείλονται σε αυτό τον ίδιο το δέκτη.
1. Εξωτερικοί θόρυβοι. Προέρχονται γενικά από απότομες μεταβολές ρεύματος και έχουν συνήθως μορφή σπινθήρων. Έτσι π.χ. μια αστραπή προκαλεί ένα παράσιτο στο δέκτη μας. Ο λόγος είναι ότι ο σχηματισμός ενός σπινθήρα συνοδεύεται από εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας που περιέχει στο φάσμα της και συχνότητες που βρίσκονται μέσα στην καμπύλη επιλογής του δέκτη, όποια και αν είναι η συχνότητα συντονισμού του. Ο θόρυβος προέρχεται ακριβώς από αυτό το μέρος της ακτινοβολίας, που η επιλογή του δέκτη δεν μπορεί να το σταματήσει.
Η κατηγορία των εξωτερικών θορύβων περιλαμβάνει τα ατμοσφαιρικά παράσιτα και τα βιομηχανικά παράσιτα. Τα ατμοσφαιρικά παράσιτα οφείλονται γενικά σε ηλεκτρικές εκκενώσεις μέσα στην ατμόσφαιρα (αστραπές). Σε αυτά όμως κατατάσσουμε επίσης και τα «κοσμικά» παράσιτα, όσα δηλαδή προέρχονται από την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία των ουράνιων σωμάτων. Είναι πολύ ενοχλητικά για συχνότητες μικρότερες από 1 Mc/sec (κυρίως στα μακρά κύματα), εξασθενούν πολύ στα βραχέα και σχεδόν εξαφανίζονται στα υπερβραχέα κύματα.
Τα βιομηχανικά παράσιτα πηγάζουν από ένα πλήθος συσκευών, όπου παράγονται σπινθήρες και γενικότερα απότομες μεταβολές ρεύματος. Τέτοιες συσκευές είναι: μηχανές αυτοκινήτων (μπουζί), μηχανές συνεχούς ρεύματος (από το σύστημα του συλλέκτη με τις ψήκτρες), οικιακές συσκευές (ανεμιστήρες, ηλεκτρικές σκούπες κτλ.), ιατρικές συσκευές κτλ. Διακρίνονται από το γεγονός ότι δίνουν θόρυβο με κάποια συνέχεια και κανονικότητα που δεν έχουν τα ατμοσφαιρικά παράσιτα.
Τα βιομηχανικά παράσιτα καταπολεμούνται με διάφορα αντιπαρασιτικά συστήματα. Έτσι, για μια μηχανή συνεχούς ρεύματος, χρησιμοποιούμε δύο πυκνωτές συνδεδεμένους σε σειρά και παράλληλους προς τη μηχανή, ενώ συγχρόνως γειώνεται το μέσο του αγωγού μεταξύ των δύο πυκνωτών. Για μια ιατρική συσκευή διαθερμίας το αποτελεσματικότερο μέσο είναι να την κλείσουμε μέσα σ’ ένα μεταλλικό κλουβί από συρματόπλεγμα (κλουβί Φαραντέι) κτλ.
2. Ο εσωτερικός θόρυβος του δέκτη (θόρυβος βάθους) εξηγείται ως εξής: Γνωρίζουμε ότι ο δέκτης περιλαμβάνει διάφορους αγωγούς, αντιστάσεις, λυχνίες κτλ. Σ’ όλα αυτά τα εξαρτήματα κυκλοφορούν ηλεκτρικά ρεύματα, που σχηματίζονται από νέφη ηλεκτρονίων, όταν τα νέφη αυτά μετακινούνται κάτω από την επίδραση μιας εξωτερικής ηλεκτρικής τάσης. Μέσα στο νέφος τα ηλεκτρόνια κινούνται ακατάστατα με μια κίνηση που ονομάζεται θερμική, γιατί οφείλεται στο ότι όλα τα σώματα περικλείνουν θερμική ενέργεια που μικροσκοπικά εμφανίζεται ως κινητική ενέργεια των ελεύθερων ηλεκτρονίων της ύλης. Αυτή η αέναη θερμική κίνηση δημιουργεί μια τάση στα άκρα των αγωγών ελάχιστων μικροβόλτς, η οποία, όταν ενισχυθεί από το δέκτη, εμφανίζεται σαν θόρυβος. Όσο οξύτερη είναι η επιλογή του δέκτη, τόσο λιγότερος θόρυβος θα περάσει προς την έξοδο.
Εκτός από τους θορύβους των αγωγών και αντιστάσεων έχουμε και τους θορύβους των λυχνιών. Σε αυτές, επειδή έχουμε διαδοχική άφιξη των ηλεκτρονίων στην άνοδο (σαν σκάγια από βολές όπλων), ο θόρυβος ονομάζεται «θόρυβος βολής», και όταν αυξάνονται τα ηλεκτρόδιά τους, έχουμε το «θόρυβο κατανομής», γιατί το ηλεκτρονικό ρεύμα μοιράζεται ανάμεσα στην άνοδο και στα άλλα ηλεκτρόδια. Με βάση τα πιο πάνω, εύκολα καταλαβαίνουμε ότι η επτάοδη λυχνία μπορεί να χρησιμοποιηθεί με επιτυχία στα μακρά και τα μεσαία κύματα, γιατί σε αυτά επικρατούν οι εξωτερικοί θόρυβοι, ενώ δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί στις περιοχές των βραχέων και υπερβραχέων κυμάτων, γιατί σ’ αυτές επικρατούν οι εσωτερικοί θόρυβοι του δέκτη, και η επτάοδη λυχνία, λόγω των πολλών ηλεκτροδίων της, τους ενισχύει.
Η καταπολέμηση των θορύβων κάθε μορφής, οδηγεί σε σημαντική μείωση του συνολικού σήματος θορύβου, κυρίως διαμέσου των φίλτρων. Έτσι καλυτερεύει ο λόγος σήμα/θόρυβος, γιατί μικραίνει ο παρονομαστής. Ο λόγος αυτός μπορεί επίσης να αυξηθεί, αν μεγαλώσει ο αριθμητής, δηλαδή το σήμα. Αυτό είναι απαραίτητο για να εξασφαλίζεται μια άνετη ραδιοφωνική λήψη. Υπάρχουν όμως περιπτώσεις όπου η αύξηση του σήματος είναι πολύ δύσκολη ή αδύνατη.

No comments:

Post a Comment