DIFERITE TIPURI DE MOTOARE

MOTOARE

1. - MOTOARE CU ABURI -

          Energia aburilor inca mai asigura o mare parte din energia folosita in prezent.Chiar si cele mai avansate reactoare nucleare

sunt doar simple surse de caldura care transforma apa in aburi 

pentru a actiona turbine legate la generatoare de electricitate.

---------------------------------------------------------------------------------  

Prima masina cu aburi a fost inventata in secolul I e. n. de catre in-

ginerul grec Heron din Alexandria. O sfera goala pe dinauntru era

pivotata pe doua tuburi prin care treceau aburii dintr-un mic fierba-

tor.Aburii umpleau sfera si ieseau prin tevi dispuse in parti opuse ale

acesteia. Jeturile de aburi care tasneau determinau sfera sa se ro-

teasca .Totusi ,in ciuda faptului ca era o inventie interesanta , masi-

na nu servea unui scop util.

Prima masina cu aburi cu utilitate practica a fost inventata in 1698

de un inginer englez pe nume Tomas Savery. Aburul dintr-o camera

era racit pana se condensa si forma o cantitate mica de apa. Redu-

cerea mare a volumului producea un vid partial,care era folosit pen-

tru a absorbi apa din minele de carbuni.

  

Forta pistonului

La masina inventatade inginerul englez Tomas Newcomen , in jurul

anului 1710 , aburii impingeau un piston in sus printr-un cilindru .

Apoi cilindrul era racit pentru a condensa aburii ,si pistonul era tras

in jos .Condensarea aburilor reducea presiunea din cilindru ,astfel

incat presiunea atmosferica era suficienta pentru a impinge pistonul in jos.Din acest motiv , Newcomen isi numea masina cu aburi ``at-

mosferica`.Ea era folosita pentru a pune in functiune pompe de mina.

Desi s-a dovedit mult mai eficienta decat sistemul lui Savery , masina

lui Newcomen era extrem de inceata si ineficace . Aceasta pentru ca

dupa racire cilindrul trebuia incalzit pentru a produce din nou aburi

necesari care sa impinga pistonul in sus.Altfel aburiii s-ar fi conden-

sat instantaneu.

 Masina lui Watt

Cel care a rezolvat aceasta problema a fost inginerul scotian James

Watt . La masina sa inventata in 1769 ,aburii treceau intr-o camera

separata pentru condensare .Deoarece cilindrul nu era incalzit si racit alternativ ,pierderile de caldura ale masinii erau relativ scazu-

te.De asemenea ,masina lui Watt era mai rapida ,pentru ca puteau

admite mai multi aburiin cilindru odata ce pistonul se intorcea in po-

zitia initiala.Aceasta si alte imbunatatiri concepute de Watt au fa-

cut ca masina cu aburi sa poata fi folosita intr-o gama larga de apli-

catii.

      In perioada victoriana ,locomotive cu aburi puternice revolutio-

nasera deja calatoria pe uscat.Masinile cu aburi au facut posibile si

tiparirea ziarelor ,torsul si tesutul textilelor si actionarea masinilor

de spalat in ``spalatoriile cu aburi`` .Masinile cu aburi puneau in

miscare caruselele ,iar unii fermieri foloseau energia de abur pentru

a ara pamantul.Antreprenorii de curatatorii aveau aspiratoare cu

aburi ,si la cele mai bune frizerii din orase existau chiar si perii pen-

tru masarea capului actionate de aburi.

Miscarea rotativa

    Miscarea primelor masini cu aburi produceau o miscare alterna-

tiva (de `` du-te-vino``)prin intermediul pistoanelor care se deplasau

in cilindrii.Aceasta miscare a putut apoi sa fie transformata in mis-

care rotativa prin mijloace mecanice.

    Turbinele cu aburi produc miscarea rotativa nemijlocit prin forta

aburilor.Mai multi inventatori au experimentat cu turbine cu aburi

in anii 1800 , insa abia in anul 1884 a aparut un model eficient si

manevrabi,inventat de inginerul englez Charles Parsons . La cativa

ani de la inventie turbinele Parsons erau folosite la propulsarea va-

selor si actionarea generatoarelor.

Transformarea energiei

        Masinile cu aburi si turbinele transforma caldura in energie .La

ambele caldura produsa de combustibil este folosita la fierberea  de

apa ,obtinandu-se un volum de aburi de 1600 de ori mai mare ,iar

aburii comprimati provoaca miscare . La motoarele cu piston aburii

se dilata intr-un cilindru ,impingand un piston.La turbinele cu aburi,

aburii care se dilata actioneza rotoare. In ambele cazuri , aburii pird

energie termica.

        Masinile cu aburi si turbinele sunt exemple de motoare cu arde-

re externa ,deoarece caldura se aplica in afara sectorului de lucru ,

de obicei prin combustie-arderea combustibililor . Aburii sunt creati

in fierbatoare prin arderea petrolului sau a carbunilor. In centralele

nucleare caldura este produsa prin reactii nucleare.

 2. - MOTOARE ELECTRICE -

             Electricitatea fiind o forma foarte avantajoasa de energie ,ge -

neratoarele si motoarele electrice au o utilizare foarte larga - de la

motoare pentru burghie si pana la locomotive.                    

--------------------------------------------------------------------------------

Electricitatea exista de la crearea materiei ,intrucat materia este formata din atomi ,care contin particule incarcate electric ,numite

protoni si electroni .Vechii greci stiau ca frecand o bucata de chih-

limbar cu o bucata de panza ,aceasta va atrage obiecte usoare ,dar

nu aveau o explicatie a acestui fenomen.De fapt ,frecarea genereaza

electricitate.

Materialele neincarcate electric au un numar egal de electroni,in -

carcati negativ,si de protoni ,incarcati pozitiv , care se neutralizeaza

reciproc .Insa prin frecarea a doua materiale ,se produce un transfer

de electroni de la unul la altul , dezechilibrand incarcarea lor elec-

trica . Cel care primeste electroni se incarca negativ , iar cel care pierde electroni se incarca pozitiv .

Motorul cu megavolti

      Unul dintre generatoarele prin inductie des folosite este cel in -

ventat in anul 1931 de Van de Graaff . O curea confectionala dintr -

un material izolant transmite energia unei sfere metalice , care ajun-

ge in cele din urma la cateva milioane de volti.Generatorul electric de tip Van de Graaff  este utilizat pentru a testa materiale izolante

care trebuie sa reziste la tensiuni mari . De asemenea , acest tip de

generator este utilizat in cercetarea nucleara ,tensiunea inalta fiind

folosita pentru accelerarea vitezei particulelor de subatomi.

      Cu toate ca generatoarele prin frecare si inductie genereaza o

tensiune foarte inalta , ele nu pot genera curent continuu . Aceasta

nevoie a fost satisfacuta doar la sfarsitul anilor 1790 , cand omul de

stiinta italian Alessandro Volta a inventat prima baterie , inventie

care a condus la utilizarea electricitatii pentru iluminat la sfarsitul

secolului XIX .

      Chiar daca bateria este o sursa convenabila de electricitate uti -

lizata in multiple scopuri , ea se uzeaza si trebuie fie inlocuita , fie

schimbata .Asadar , bateria nu este o sursa potrivita pentru a genera

curent electric unei intregi comunitati.

     Experientele de la inceputul secolului al XIX-lea au dus la dezvol-

tarea generatoarelor moderne.

Motoare cu curent continuu

      Curentul continuu este un curent electric care circula intotdeau -

na in aceeasi directie dinspre o baterie sau orice alta sursa . Daca se conecteaza o baterie la la bobina unui motor electric simplu , aceas - ta se comporta ca un magnet, avand la un capat polul nord  si la ce -

lalalt polul sud . Intrucat polii opusi se atrag , polul nord al bobinei

este atras de polul sud al magnetului permanent , iar polul sud al bo-

binei este atras de polul nord al magnetului permanent . Aceste forte de atractie produc rotirea bobinei .

        Totusi , un schimbator automat numit comutator schimba direc -

tia de circulatie a curentului electric prin bobina .Cumutatorul unui

motor de curent continuu simplu este alcatuit dintr-un inel de cupru taiat in doua si instalat pe un material izolator , pe axa de rotatie .

Capetele bobinei sunt conectate la cele doua capete ale inelului .Cu-

rentul electric circula prin intermediul unei perechi de carbuni nu -

miti perii , conectati la partile opuse ale cumutatorului . Rotatia axu-

lui face ca fiecare din perii sa fie conectata pe rand la polii bobinei .

Motoare cu curent alternativ

       Curentul alternativ isi schimba de regula directia de 50 sau 60 de ori pe secunda . Unele motoare care functioneaza cu curent alter-

nativ au un rotor alimentat cu curent prin intermediul unui cumuta -

tor , la fel ca si in cazul motoarelor cu curent continuu . Insa la ma -

joritatea motoarelor cu curent alternativ , rotorul nu este conectat ,

motorul functionand in acest caz pe baza unui principiu numit induc-

tie  . Curentul alternativ care circula prin fluxurile statorului produc

un camp magnetic , ca si cel produs de rotirea unui magnet perma -

nent . Acest camp mobil produce un camp in fluxurile rotorului ,

magnetizandu-l . Astfel , el se roteste , din cauza respingerii polilor

sai de actre campul magnetic care il inconjoara .

      Rotorul poate fi prelucrat din bare de cupru sau de aluminiu , co-

nectate la capete la doua inele metalice . Ansamblul rotorului seama-

na cu o cusca , motiv pentru care acestui tip de motor i se mai spune

si motor-cusca de veverita.

Motoare sincrone

         La motoarele prin inductie , rotorul se misca mai incet decat

campul magnetic care il inconjoara . La motoarele sincrone , rotorul

se misca in acelasi timp cu campul magnetic care il inconjoara . Un

motor sincron simplu este constituit dintr-unul sau mai multi magneti

permanenti , polii acestora fiind atrasi de polii opusi ai campului magnetic inconjurator , astfel incat se rotesc cu aceeasi viteza . La

unele motoare , rotorul nu este un magnet permanent , ci un electro-

magnet , dar principiul de functionare este acelasi . Un alt tip de mo-

tor sincron  foloseste flucturatiile de curent alternativ pentru a pro-

duce un camp magnetic care determina rotirea unei roti zimtate.

Acesta este principiul de functionare a unor ceasuri electrice.

         Majoritatea motoarelor electrice genereaza miscare circulara.

Unele au insa spirele stativului liniare ,producand un camp magnetic

liniar , care va atrage materiale conductoare . Acest tip de motor se numeste motor prin inductie liniara  si este utilizat pentru a pune in

miscare usi glisante , benzi pentru bandaje la aeroporturi , precum si

la conducerea unor trenuri de mare viteza .

3. - MOTOARE CU BENZINA -

        Motorul cu benzina a revolutionat transportul la inceputul a -

nilor 1900 . Pe sosele , vehiculele cu aburi si gaze au cedat locul ce-

lor cu benzina . In aer , pana la aparitia motorului cu reactie doar

motoarele cu benzina asiguraau energia necesara zborului .

--------------------------------------------------------------------------------

Motoarele cu benzina , asemenea motoarelor DIESEL si celor de rachete , sunt motoare cu ardere interna . Combustibilul arde in in-

teriorul acestora pentru a asigura energia de miscare . La un altfel

de motor , vaporii de benzina sunt amestecati cu aer si aprinsi de o

scanteie . Amestecul de benzina si aer arde atat de repede incat ex-

plodeaza si gazele produse se dilata rapid . Aceasta dilatare impinge

un piston printr-un cilindru , iar miscarea pistonului roteste un ax

pentru producerea miscarii de rotatie . La motoarele mari actionea-

za mai multe pistoane si mai multi cilindri in succesiune rapida ,pen-

tru a produce o forta de torsiune mai uniforma . La motoarele cu

benzina rotative , care nu au cilindri , gazele actioneaza direct un

rotor .

Motoare in doi timpi

        Cel mai simplu motor cu benzina cu cilindri , folosit la unele masini mici si la multe motociclete , este motorul in doi timpi. Pentru

fiecare piston ciclul de operare  are doua faze . Intai pistonul urca in

cilindru pentru a comprima un amestec de combustibil si aer in spa -

tiul de deasupra sa . In acelasi timp , o noua incarcatura de amestec este aspirata pe sub piston . O scanteie produsa de o tensiune inalta ,

aprinde amestecul comprimat , si gazele care explodeaza imping pis-

tonul in josul cilindrului . Noul amestec impinge gazele arse in afara

printr-un canal de evacuare , si el insusi comprimat cand pistonul

urca din nou .

       Cand se afla sus , pistonul blocheaza canalul de evacuare , astfel

gazele dilatate nu pot iesi . Acest canal se deschide cand pistonul

ajunge jos . Pozitia pistonului controleaza , de asemenea , canalul de

admitere a amestecului de combustibil si aer si canal deversor.

        Miscarea de sus - jos a pistonului roteste un ax numit arbore

cotit cu manivela . De arborele cotit este asezat un volant greu , care

continua sa se roteasca dupa ce pistonul a ajuns in pozitia cea mai joasa . Astfel , volantul transforma exploziile de energie provocate de coborarea pistonului , intr-o miscare continua relativ uniforma ,

si impinge pistonul inapoi in sensul cilindrului in a doua parte a fie-

carui ciclu .

       Motoarele in doi timpi sunt relativ ieftine , dar sunt ineficiente in transformarea combustibilului in energie de miscare . Din acest

motiv , majoritatea motoarelor mai mari functioneaza pe ciclul mai

eficient in patru timpi .

Motoare in patru timpi

             La un motor in patru timpi exista patru faze in operarea fiecarui piston . La prima miscare in jos , numita cursa de admisiune,

amestecul de combustibil si aer este aspirat deasupra pistonului .

Apoi pistonul se misca in sus , comprimand amestecul , aceasta a doua faza fiind numita timp de compresiune  . Amestecul comprimat

explodeaza datorita unei scantei , impingand pistonul in jos in cea dea treia faza , numita cursa utila sau activa .  Apoi pistonul urca din

nou , de data aceasta expulzand gazele arse . Dupa aceasta a patra

faza , numita timp de evacuare , procesul se repeta .

        Desi motorul in patru timpi este mai eficient decat cel in doi

timpi , doar in jur de a treia parte din energia combustibilului este

transformata in energie utila de miscare . Restul se pierde . Proble -

ma principala se datoreaza miscarii oscilante (de `du-te-vino`) a

pistoanelor . Fiecare piston , osciland de mai multe mii de ori pe

minut ,consuma o parte din energia asigurata de combustibil .  

EFECTUL MAGNUS

Efectul MAGNUS

            Acest experiment a luat denumirea de Efectul Magnus după fizicianul şi chimistul german H.G. Magnus; el a fost primul care a experimentat(în anul 1853) şi a investigat acest efect.

Fie un cilindru de rotaţie asezat într-un curent de fluid în regim laminar, perpendicular pe axa cilindrului.

Datorită vâscozităţii (Forţei de frecare) cilindrul antrenează straturile de fluid din vecinătatea sa, în sensul mişcării sale de rotaţie. În pct. A viteza fluidului va fi mai mare decât în B, unde cilindrul se roteşte în sens invers curgerii fluidului. Conform teoriei lui Bernoulli, presiunea statică laterală asupra cilindrului va fi mai mare în B decât în A, astfel încât apare o forţă rezultantă transversală spre partea unde viteza fluidului este mai mare. Acesta este Efectul Magnus.

Ca regulă practică, corpul este împins transversal din regiunea cu liniile de curent rare spre regiunea cu liniile de curent dese.

Efectul poate fi ilustrat punând în rotaţie un cilindru din carton şi aruncându-l orizontal. După sensul rotaţiei, traiectoria cilindrului va curba lin sau brusc spre pământ. Se poate folosi şi un plan înclinat pe care se rostogoleste (şi luneca) un cilindru.

O altă experienţă se poate face după cum urmează:

Materiale necesare :

-          un mosor din carton uşor;

-          o bandă subţire şi uşoară de pânză ;

-          un beţişor ;

Descrierea experimentului :

1.      Înfăşurăm banda subţire şi uşoară de pânză peste mosorul din carton.

2.      Fixăm banda de pânză de beţişorul ţinut orizontal.

3.      Tragem brusc orizontal banda de pânză.

Observaţii :

Mosorul se va roti foarte repede şi va aluneca, părăsind masa, în loc să cadă după parabolă, mosorul va zbura în sus descriind o buclă.

P_static + P_dinamic + P_poziţie = constant

P_poziţie = constant

P_dinamic – creşte datorită faptului că straturile sunt antrenate de cilindru;

P_static – din Legea lui Bernoulli, presiunea statică scade → forţa laterală rezultantă va devia cilindrul,

obligându-l să efectueze o mişcare curbilinie.

Aplicaţii practice la:

·         aruncarea unei mingi de tenis;

·         lovirea unei mingi de golf;

·         şutarea unei mingi de fotbal.

e douq/orȎ@p@nt date de lungimea de unda a radiatiei care nu influenteaza in mod decisiv puterea
laserului. Pot exista laseri cu o culoare roz palida care sa fie mai nocivi
decat cei mai aprinsi si rosiatici laseri. Intre "laseristi" exista o
gluma: "Regula numarul unu in lucrul cu laserii: Nu te uita niciodata direct
in raza laser cu unicul ochi ramas intreg !".


Utilizarea laserilor cu semiconductori. Aspecte pozitive si negative ale
acestei tehnologii.

Diodele sunt larg raspandite. Faptul ca sunt ieftin de produs, usor de
folosit si foarte ieftin de folosit duce la producerea lor in masa si
includerea lor in cele mai multe aparate electronice ce au nevoie de laseri.
Lecturatoarele de cd, fie ele CD-ROM-uri sau CD-playere, sunt toate
prevazute cu diode laser. Playerele DVD au, deasemenea, diode laser, doar ca
acestea emit fascicule mult mai fine. CD-Writer-ele si CD-ReWriter-ele
folosesc diode ce emit laseri apropiati de IR (800 nm) si puteri de cativa
W. Aceleasi diode, dar de puteri ceva mai mici, sunt prezente si in
imprimantele cu laser. Alte produse care folosesc laseri emisi de diode sunt
cititoarele de coduri de bare (Bar-Code Readers), unele Scannere, Pointerele
etc. Poate cel mai important folos, dupa CD/DVD-playere, este cel adus in
comunicatiile prin fibra optica. In cadrul fiecarui emitator pe fibra optica
se afla o dioda laser. Mai nou s-a inceput folosirea diodelor si in
medicina si in holografie. Diodele nu sunt folosite in aplicatiile militare
(Radar, ghidare rachete, transmisiuni de date prin eter etc.), aplicatiile
astronomice (distante cosmice si determinari de compozitii), efectele
speciale de anvergura si holografia de mare intindere datorita puterii
limitate relativ mici pe care o dezvolta.


Concluzii.

Laserul cu semiconductori este o alternativa ieftina si fiabila la laserii
cu gaz. Marimile reduse, costurile mici de fabricatie si utilizare cat si
longevitatea lor confera diodelor atuuri importante in "lupta" cu celelalte
dispozitive de emisie laser. Singurele dezavantaje fiind puterile relativ
mici si fragilitatea, diodele sunt si vor fi cercetate extensiv pentru a fi
imbunatatite. Pentru noi este important sa intelegem cum functioneaza un
astfel de dispozitiv, la ce este folosit si incotro se indreapta cercetarile
pentru a ne familiariza inca de pe acum cu acest tip de laser pe care il vom
intalni din ce in ce mai des in viata noastra de zi cu zi. Este important
sa cunoastem pericolele pe care le aduce cu sine o dioda laser precum si
factorii care pot perturba buna functionare a acesteia pentru a sti cum sa
ne aparam si cum sa o protejam.
Laserul cu semiconductori este un domeniu ale carui orizonturi abia acum ni
se deschid, cu un viitor sigur si cu implicatii puternice in viata de zi cu
zi.

Efectul LASER

Introducere in problematica LASER

Despre efectul LASER se cunosc deja foarte multe. Aceasta ramura a stiintei
s-a dezvoltat foarte mult de la inceputurile sale (1955-1965) si pana in
ziua de astazi. Desi bazele teoretice erau mai mult sau mai putin stabilite,
primii care reusesc sa concretizeze toate teoriile si presupunerile au fost
doi rusi si un american.
In ordine sunt prezentati Charles H. Townes (Massachusetts Institute of
Technology (MIT), Cambridge, MA, USA; nascut in 1915), Nicolay Gennadiyevich
Basov (Lebedev Institute for Physics Akademija Nauk Moscow, USSR; nascut in
1922) si Aleksandr Mikhailovich Prokhorov (Lebedev Institute for Physics
Akademija Nauk Moscow, USSR; nascut in 1916). Cei trei au impartit premiul
Nobel atribuit in 1964 pentru "cercetarile fundamentale in domeniul
electronicii cuantice care au condus la construirea oscilatoarelor si a
amplificatorilor bazati pe principiul maser-laser".
Partea teoretica este usor de gasit in majoritatea manualelor, cursurilor si
compendiilor de fizica existente asa ca lucrarea de fata nu se va concentra
asupra acestui aspect. Principiul LASER consta in faptul ca atomii
elibereaza energie sub forma de fotoni atunci cand parcurg tranzitia de pe
un nivel de excitare metastabil spre un nivel de echilibru. Aceasta
tranzitie se face sub influenta unui factor declansator si de aceea emisia
de energie se numeste emisie stimulata sau emisie indusa. Odata pornita
reactia aceasta se propaga sub forma piramidala astfel, un foton emis de un
atom dezexcitat va declansa reactia la altul, acesta la randul lui va emite
un foton si il va elibera si pe cel incident. Avem doi fotoni care se vor
inmulti exponential. Astfel se produce o amplificare a radiatiei luminoase.


Realizarea practica a dispozitivelor LASER. Tipuri de laser.

Partile constituente ale unui laser sunt : mediul activ, sistemul de
excitare si rezonatorul optic. Partea esentiala a unui dispozitiv laser o
constituie mediul activ, adica un mediu in care se gasesc atomii aflati
intr-o stare energetica superioara celei de echilibru. In acest mediu activ
se produce amplificarea radiatiei luminoase (daca avem o radiatie luminoasa
incidenta) sau chiar emisia si amplificarea radiatiei luminoase (daca nu
avem o radiatie luminoasa incidenta). Sistemul de excitare este necesar
pentru obtinerea de sisteme atomice cu mai multi atomi intr-o stare
energetica superioara. Exista mai multe moduri de a realiza excitarea
atomilor din mediul activ, in functie de natura mediului. Rezonatorul optic
este un sistem de lentile si oglinzi necesare pentru prelucrarea optica a
radiatiei emise. Desi la iesirea din mediul activ razele laser sunt aproape
perfect paralele rezonatorul optic este folosit pentru colimarea mult mai
precisa, pentru concentrarea razelor intr-un punct calculat, pentru
dispersia razelor sau alte aplicatii necesare.
Dupa natura mediului activ deosebim mai multe tipuri de laser. Printre
acestea regasim laserul cu rubin, la care distingem bara de rubin tratat
drept mediul activ iar ansamblul sursa de lumina plus oglinzi poarta rolul
de sistem de excitare. Laserul cu gaz foloseste amestecuri de gaze rare
(He, Ne, Ar, Kr) sau CO2 drept mediu activ si o sursa de curent electric
legata la doi electrozi iau rolul de sistem de excitare.


LASER-ul cu semiconductori. Aprecieri teoretice.

Laserul cu semiconductori este constituit ca si celelalte tipuri de laser
tot pe sablonul mediu activ, sistem de excitare, rezonator optic. In acest
caz un amestec semiconductor este folosit ca mediu activ. Cel mai adesea se
folosesc combinatii de metale din aceleasi perioade ale grupelor IIIa si Va.
Dintre acestea semiconductorul cel mai folosit este cel format din Galiu
si Arsenic (GaAs). Alte medii active au fost obtinute atat din amestecuri
ale elementelor grupelor IIa si Via (Zinc si Seleniu " ZnSe) cat si din
amestecuri de trei sau patru elemente. Ultimele doua sunt mai ades folosite
pentru emisia unor radiatii mult mai precise din punct de vedere al lungimii
de unda. Sistemul de excitare este constituit din doua straturi de
semiconductori, unul de tip p si unul de tip n. Pentru a intelege mai bine
aceste doua notiuni trebuie amintite cateva considerente teoretice cu
privire la fizica solidului, in special principiul semiconductorilor.
Semiconductorii sunt o clasa de materiale larg folosita in electronica
datorita posibilitatii controlului proprietatilor electrice. Rezistivitatea
electrica a unui semiconductor scade odata cu cresterea temperaturii iar
valoarea ei poate fi modificata in limite foarte largi (10-2 - 108 W cm).
Intr-un semiconductor foarte pur, conductibilitatea electrica este data de
electronii proprii, numita si conductibilitate intrinseca, iar in cazul
materialelor impurificate avem de-a face cu o conductibilitate extrinseca.
Conductibilitatea intrinseca poate fi explicata pe scurt astfel. La 0K,
electronii sunt asezati in legaturile covalente formate intre atomii
semiconductorului intrinsec. Odata cu cresterea temperaturii unii electroni
se rup din legaturi fiind liberi sa circule in tot volumul cristalului. Se
produce un fenomen de ionizare, iar in locul electronului plecat ramane un
gol. Imediat el se ocupa cu un alt electron alaturat, golul se deplaseaza o
pozitie. Daca aplicam un camp electric in semiconductor, electronii liberi
se vor misca in sens invers campului, dar si golurile vor forma un curent
pozitiv de acelasi sens cu campul. Cel mai interesant fenomen il reprezinta
modificarea spectaculoasa a rezistivitatii electrice a semiconductorilor
prin impurificare. Astfel, daca din 105 atomi de Siliciu unul este inlocuit
cu un atom de Bor, rezistivitatea siliciului scade, la temperatura camerei,
de 1000 de ori !!! Impurificare reprezinta o problema specifica si
fundamentala a fizicii si tehnologiei semiconductorilor. Daca impurificam
Germaniul (grupa IVa, patru electroni de valenta) cu un element din grupa a
5-a (cinci electroni de valenta) vom obtine un amestec cu un electron de
valenta liber. Aceasta impuritate constituie un donor. Semiconductorul
astfel impurificat este de tip n, iar nivelul sau de energie este mai
aproape de zona de conductie. Daca impurificarea este facuta cu atomi din
grupa a 3-a (trei electroni de valenta), acesta se va integra in reteaua
cristalina cu doar trei legaturi covalente, ramanand, deci, un gol capabil
de a captura electroni in jurul atomului trivalent. Din aceasta cauza atomii
acestui tip de impuritati au primit numele de acceptori. Intr-un
semiconductor astfel impurificat vor predomina sarcinile pozitive, de unde
numele de semiconductor de tip p. Jonctiunile p  n sunt ansambluri formate
prin alipirea unui semiconductor de tip p cu unul de tip n . Zona de
separare, interfata, are marimi de ordinul 10-4 cm. La suprafata
semiconductorului n apare un surplus de electroni iar la suprafata
semiconductorului p un surplus de goluri. Astfel apare tendinta de
compensare a acestora prin difuzia electronilor de la un semiconductor la
celalalt.


Laserul cu semiconductori. Construire. Consideratii practice.

Revenind la laserul cu semiconductori, avand stabilita o baza teoretica
minimala putem trece la detalierea practica a principiilor enuntate
anterior.
Laserul cu conductori este, de fapt, un sandwich format din 3 straturi de
semiconductori la care se adauga elementele sistemului de excitare. La
acest tip de laser energia necesara excitarii sistemului de atomi din mediul
activ cat si factorul declansator sunt date de curentul electric care se
aplica, conform figurii. Datorita faptului ca acest sandwich corespunde
modelului clasic de dioda, de aici incolo se va folosi si termenul de dioda.
Randamentul unei astfel de diode este in jurul a 30% dar amplificarea este
destul de mare. Curentul necesar trebuie sa aiba o densitate de cateva mii
de amperi pe centimetru dar avand in vedere ca o dioda laser are marimi
foarte mici, curentul necesar este adesea sub 100mA. Pentru a obtine
rezultate satisfacatoare, in practica se folosesc mai multe straturi decat
se prezinta in figura. Cat priveste stratul activ, lungimea lui nu depaseste
1 mm, iar grosimea sa este, in functie de model, de la 200 pana la 10 nm. In
general grosimea stratului activ variaza intre 200 si 100 nm. Datorita
faptului ca este atat de subtire, fascicului emis este foarte divergent
(pentru un laser) si astfel laserul cu semiconductori se bazeaza foarte mult
pe rezonatorul optic ce trebuie ales cu mare grija si trebuie pozitionat
foarte precis pentru a obtine performante maximale. De obicei un sistem
format din doua lentile plan-convexe pozitionate cu fetele convexe una spre
cealalta la anumite distante calculabile este suficient pentru a obtine un
fascicul destul de bine colimat cu razele aproape perfect paralele.
Din desenul de mai sus se poate observa ca emisia laser se face in doua
directii. Acest fenomen este tratat in mod diferit in functie de necesitati.
Se poate crea o cavitate rezonanta prin pozitionarea unei oglinzi perfecte
si a uneia semitransparente, se poate folosi emisia "din spate" pentru a
masura proprietatile fasciculului principal, se poate folosi aceeasi emisie
din spate pentru a masura si controla curentul ce trece prin dioda. Diodele
laser sunt foarte sensibile la curenti si de aceea controlul strict asupra
acestora este absolut necesar. Uneori este necesara doar o variatie mica a
tensiunii sau a puterii si dioda se va arde. Mai jos este un prezentat un
montaj clasic de dioda cu posibilitate de control a curentului:
Diodele laser sunt poate, cele mai fragile dispozitive de emisie laser.
Faptul ca stratul activ are, de fapt, marimea unei bacterii este cel ce sta
la baza afirmatiei anterioare. Acest strat poate fi usor distrus prin
supunerea la curenti neadecvati, prin influente electrostatice, prin
incalzire excesiva. Stratul activ se poate autodistruge chiar si fara
prezenta vre-unuia din factorii enumerati mai sus. Simpla emisie a luminii
poate vaporiza acest strat minuscul daca lumina emisa este prea puternica.
O dioda, desi minuscula, poate dezvolta puteri ale luminii de pana la 3-5
mW. Desi sunt mai rare si mult mai scumpe, diodele ce dezvolta zeci de mii
de mW exista si se gasesc in inscriptoarele de CD si in alte instrumente si
aparate de profil. In ceea ce priveste divergenta fasciculului, in prezent,
majoritatea pointerelor reusesc performanta de a pastra divergenta la sub un
mm la fiecare 5 metri. Spectrul de culori acoperit de laserii cu
semiconductori este in zona rosie 630-780 nm dar nu este limitat numai aici.
Laseri verzi sau chiar albastri exista si sunt intens cercetati. Problema
este ca diodele de verde si albastru au o viata efemera (cele mai
performante ating doar cateva sute de ore) si functioneaza la temperaturi
scazute (apropiate de 0K). Fata de clasicul GaAs (care emite in rosu-IR),
pentru laserii albastri se prefera ZnSe si GaN. Primul a fost exclus treptat
din cercetari datorita rezistivitatii mari, consumului mare de energie,
randamentului mic si a multor altor factori descoperiti experimental.
Ultimele cercetari s-au concentrat pe GaN, iar de cand prof. Shuji Nakamura
a realizat primul montaj practic si fiabil pentru generarea laserului
albastru, cercetarile au luat amploare. Un fapt inedit, la data realizarii
diodei pentru laserul albastru, in 1993, Shuji Nakamura nu avea nici macar
un doctorat in buzunar, era doar un simplu cercetator pierdut intr-un
laborator al unei firme japoneze obscure. Recent, prof. Nakamura s-a
alaturat colectivului profesoral de la Colegiul de Inginerie al
Universitatii Californiene din Santa Barbara, SUA.
Revenind la laserii uzuali, trebuie mentionate si o serie de pericole ce pot
apare chiar si pe langa laserii cu semiconductori care sunt cunoscuti a fi
mai putin puternici. S-a calculat ca o dioda obisnuita are o putere mult mai
mare chiar si decat a soarelui la ecuator. Toate amestecurile din stratul
activ au o putere de emisie mult mai mare decat a aceleiasi cantitati de
suprafata solara. Diodele prezente pe piata fac parte din clasele II si
IIIa, ceea ce inseamna ca prezinta risc scazut de vatamare la operarea
conforma cu manualul si la expunerea fugara, efemera a ochiului in raza
laser. Totusi, trebuie avut in vedere ca orice expunere indelungata produce
vatamari punctiforme ale retinei si nu este nevoie de efecte immediate
pentru ca retina sa fie vatamata. Regula numarul unu in lucrul cu laserii,
nu se priveste direct in raza laser chiar daca nu se simte nici o durere sau
chiar daca raza este palida. CULOAREA SI STRALUCIREA RAZELOR LASER NU AU NICI O LEGATURA CU PUTEREA RADIATIEI. Aceste doua proprietati sunt date de lungimea de unda a radiatiei care nu influenteaza in mod decisiv puterea
laserului. Pot exista laseri cu o culoare roz palida care sa fie mai nocivi
decat cei mai aprinsi si rosiatici laseri. Intre "laseristi" exista o
gluma: "Regula numarul unu in lucrul cu laserii: Nu te uita niciodata direct
in raza laser cu unicul ochi ramas intreg !".


Utilizarea laserilor cu semiconductori. Aspecte pozitive si negative ale
acestei tehnologii.

Diodele sunt larg raspandite. Faptul ca sunt ieftin de produs, usor de
folosit si foarte ieftin de folosit duce la producerea lor in masa si
includerea lor in cele mai multe aparate electronice ce au nevoie de laseri.
Lecturatoarele de cd, fie ele CD-ROM-uri sau CD-playere, sunt toate
prevazute cu diode laser. Playerele DVD au, deasemenea, diode laser, doar ca
acestea emit fascicule mult mai fine. CD-Writer-ele si CD-ReWriter-ele
folosesc diode ce emit laseri apropiati de IR (800 nm) si puteri de cativa
W. Aceleasi diode, dar de puteri ceva mai mici, sunt prezente si in
imprimantele cu laser. Alte produse care folosesc laseri emisi de diode sunt
cititoarele de coduri de bare (Bar-Code Readers), unele Scannere, Pointerele
etc. Poate cel mai important folos, dupa CD/DVD-playere, este cel adus in
comunicatiile prin fibra optica. In cadrul fiecarui emitator pe fibra optica
se afla o dioda laser. Mai nou s-a inceput folosirea diodelor si in
medicina si in holografie. Diodele nu sunt folosite in aplicatiile militare
(Radar, ghidare rachete, transmisiuni de date prin eter etc.), aplicatiile
astronomice (distante cosmice si determinari de compozitii), efectele
speciale de anvergura si holografia de mare intindere datorita puterii
limitate relativ mici pe care o dezvolta.


Concluzii.

Laserul cu semiconductori este o alternativa ieftina si fiabila la laserii
cu gaz. Marimile reduse, costurile mici de fabricatie si utilizare cat si
longevitatea lor confera diodelor atuuri importante in "lupta" cu celelalte
dispozitive de emisie laser. Singurele dezavantaje fiind puterile relativ
mici si fragilitatea, diodele sunt si vor fi cercetate extensiv pentru a fi
imbunatatite. Pentru noi este important sa intelegem cum functioneaza un
astfel de dispozitiv, la ce este folosit si incotro se indreapta cercetarile
pentru a ne familiariza inca de pe acum cu acest tip de laser pe care il vom
intalni din ce in ce mai des in viata noastra de zi cu zi. Este important
sa cunoastem pericolele pe care le aduce cu sine o dioda laser precum si
factorii care pot perturba buna functionare a acesteia pentru a sti cum sa
ne aparam si cum sa o protejam.
Laserul cu semiconductori este un domeniu ale carui orizonturi abia acum ni
se deschid, cu un viitor sigur si cu implicatii puternice in viata de zi cu
zi.

Efectul Doppler

            Unda emisă de o sursă de oscilaţii se propagă de la sursă până la receptorul care o detectează. Prin detectarea undei se înţelege măsurarea unei anumite mărimi caracteristice ei, de exemplu, frecvenţa undei. Dacă sursa şi receptorul sunt în repaus unul faţa de celalalt, frecvenţa undei măsurată de receptor este egală cu frecvenţa undei emisă de sursă. Aşa se întâmplă atât cu undele sonore cât şi cu cele luminoase. Dacă însă sursa de oscilaţii este în mişcare faţa de receptor, frecvenţa undei măsurată de receptor diferă de  aceea a undei emisă de sursa de oscilaţii. Acest fapt care se observă când sursa şi receptorul sunt în mişcare unul faţă de celălalt, se numeşte efectul Doppler; acest efect este foarte important atât în ştiinţă cât şi în tehnică.

            Explicaţia efectului Doppler se va face folosind figura 1. care redă undele sferice ce izvorăsc din sursa de oscilaţii S. Dacă sursa se mişcă, de exemplu din S in S', undele sferice emise succesiv, se apropie unele de altele in sensul de mişcare al sursei. Distanţa dintre suprafeţele sferice de egala fază reprezintă lungimea de undă; se observă astfel că la receptorul R staţionar, ajung în unitatea de timp, unde cu suprafeţele sferice mai apropiate între ele în comparaţie cu situaţia în care sursa ar fi în repaus faţă de receptor. Întrucât suprafeţele de egală fază sunt aparent mai apropiate, lungimea de unda aparenta la este mai mica şi deci frecvenţa undelor măsurată de receptor este în acest caz mai mare. Dacă sursa este staţionară, iar receptorul se deplasează către sursa S, ca în figura 2., acesta întâlneşte în unitatea de timp mai multe unde sferice, decât dacă receptorul ar fi fost fix şi undele ar fi ajuns la el. Ca urmare receptorul în mişcare către sursă detectează o frecvenţa mai mare.

În consecinţă, frecvenţa detectată de receptor creşte dacă mişcarea relativă a sursei faţă de receptor, receptorul fiind în poziţia R' in figura1., printr-un raţionament analog cu acela făcut mai înainte, se ajunge la concluzia că frecvenţa măsurată de receptor scade. Dacă sursa stă pe loc iar receptorul R' se deplasează, în situaţia figurii 2, de la dreapta spre stânga, depărtându-se de sursă, undele sferice ajung la receptor mai rar in timp, decât dacă receptorul ar fi fost în repaus şi deci acesta detectează o frecvenţa mai mică. Prin urmare, frecvenţa detectată scade, daca mişcarea relativă a sursei faţă de receptor îi depărtează pe unul de celălalt.

            Pentru a exprima cantitativ modificarea frecvenţei în efectul Doppler se notează cu u viteza de deplasare a sursei S faţă de receptor, cu nS frecvenţa undelor emise de sursă si cu nR frecvenţa undelor măsurate de receptor. Undele studiate se propagă cu viteza v in mediul în care se găsesc sursa şi receptorul; această viteză fiind o caracteristică a mediului respectiv nu este afectată de mişcarea sursei sau a receptorului.

            În timpul t sursa emite nS*t şi, dacă sursa ar fi fixă, aceste unde ar parcurge distanţa v*t. Lungimea de undă se obţine ca raportul intre distanţa v*t parcursă si numărul de unde care acoperă această distanţa adică relaţia obţinută este binecunoscută, dar ea a fost stabilită printr-un raţionament nou care va fi folosit în cazul în care există mişcarea sursei sau a receptorului.

            Dacă sursa se deplasează către receptor cele nS*t unde emise de sursa se vor răspândi într-un spaţiu mai mic decât v*t, deoarece în timpul t sursa însăşi s-a deplasat cu distanţa u*t. Aceasta înseamnă că numărul de unde nS*t emise de sursă în timpul t se vor găsi în spaţiul v*t-u*t , iar lungimea de undă aparentă, definită ca raportul între spaţiul v*t-u*t si numărul de unde nS*t este frecvenţa corespunzătoare lungimii de undă la este frecvenţa măsurată de receptor nR.

            Dacă sursa se depărtează de receptor, numărul de unde nS*t se întind pe distanţa v*t+u*t; lungimea de undă aparentă este în acest caz la =(v+u)/ nS. Adoptând convenţia că u este pozitiv pentru mişcarea sursei către receptor şi negativ când sursa se îndepărtează de receptor, relaţia (1) este aplicabilă şi în acest caz.

            Presupunând apoi că receptorul se mişcă spre sursă cu viteza u', viteza sa relativă faţă de unde este v+u', iar numărul de unde pe care receptorul le întâlneşte în timpul t este (v+u')t/la în care la=v/nS.

Dacă receptorul se depărtează de sursă, la el ajung mai puţine unde în timpul t, (v-u')t/la, şi deci frecvenţa măsurata de receptor va fi  (v-u')la. Convenţia ca u' să fie pozitiv când receptorul se apropie de sursa si negativ când se depărtează de sursă, face ca relaţia (2) să se aplice şi în acest caz.

În rezumat frecvenţa măsurată creşte  nR>nS, la apropierea relativă, adică fie pentru u>0 fie pentru u'>0 şi frecvenţa măsurată scade, nR<nS, la depărtarea relativă, adică fie pentru u<0 fie="" o:p="" pentru="" u="">

            Aceste rezultate sunt aplicabile în multe cazuri. De exemplu pentru undele sonore un observator percepe o frecvenţă mai mare, adică sunete mai înalte dacă sursa de sunete se apropie de el si o frecvenţă mai mică, adică sunete mai joase, dacă sursa se depărtează.

            Efectul Doppler este foarte important în astronomie unde prin măsurarea frecvenţei radiaţiilor care provin de la stele sau galaxii îndepărtate se poate stabili mişcarea acestora faţă de planeta noastră. Prin astfel de măsurători se obţine întotdeauna  o frecvenţă mai mică a radiaţiilor luminoase caracteristice aştrilor respectivi. Aceasta înseamnă că lungimea de undă măsurată este mai mare decât cea reala; cu alte cuvinte are loc o deplasare spre „roşu" a radiaţiilor luminoase respective) lumina roşie are lungimea de undă cea mai mare în domeniul vizibil). Valoarea variaţiei frecvenţei creşte cu distanţa de la Pământ, ceea ce sugerează că întregul Univers este în expansiune, adică toţi aştrii se îndepărtează spre limitele Universului, cu viteze din ce în ce mai mari pe măsură ce sunt mai depărtaţi de Pământ. Aceasta este o problema majora a cosmologiei şi studiul ei se bazează în principal pe efectul Doppler.

Efectul Coanda

 

Efectul Coanda

         Henri Coanda, parinte al aviatiei cu reactie, s-a nascut la Bucuresti in 1886. Dupa absolvirea scolii primare, a urmat liceul militar din Iasi. Profesorii sai (printre care si istoricul A.D. Xenopol) aveau o parere foarte buna despre acest tanar sprintar „ca argintul viu, pe care nu-l puteai tine in loc decat intr-un flacon sau in tubul unui termometru".

         Spiritul sau inventiv s-a manifestat inca de timpuriu. Nu avea 14 ani impliniti cand a inventat o seceratoare-treieratoare, pusa in miscare de aripile unei mori de vant. In 1903 termina, ca sef de promotie, liceul militar din Iasi. La varsta de 19 ani, construieste in atelierele Arsenalului armatei de pe dealul Spirei (Bucuresti) macheta unui avion propusat de o racheta, ceea ce dovedeste ca de timpuriu il preocupa tehnica reactiva, in care avea sa se manifeste atat de stralucit. Spirit avid de cunostinte, profita de libertatea castigata pentru a urma cursurile ce-l intereseaza la mai multe scoli superioare din strainatate (la Technische Hochschule din Charlottemburg - Berlin, apoi la Universitatea din Liege si in cele din urma la Scoala superioara de electricitate din Montefiore, unde, impreuna cu Caproni, construieste un planor cu care zboara).

Aviatia a ramas cu toate acestea marea pasiune a acestui mare inventator. In 1930, cand se apropia de 45 de ani, Coanda nu era de loc multumit de performantele aviatiei si astfel dupa multe zile si nopti de calcule Coanda inventeaza „aerodinele lenticulare" sau „discurile zburatoare" . „Aerodina lenticulara" este un obiect din otel care seamana cu un castron, iar un tub de cauciuc aduce aer comprimat in el. Zborul aerodinei lenticulare se bazeaza pe o descoperire a sa, care i-a permis „sa faca sa devieze un jet fluid ce patrunde intr-un alt fluid". Atunci se produce un efect ciudat, efect pe care el l-a folosit si care se numeste EFECTUL COANDA.

         Cum a ajuns Coanda l-a descoperirea acestui efect?

Studiind scurgerea jeturilor fluide, Coanda a constatat ca prelungind unul din peretii canalului in care are loc scurgerea printr-un volet inclinat sau curb, jetul deviaza de la directia initiala, urmarind aproximativ profilul voletului.

Explicatia fenomenului este urmatoarea: dupa iesirea din canal, jetul antreneaza particulele mediului ambiant in partea unde nu exista voletul, dar si particulele domeniului fluid situat intre jet si volet. Daca voletul este suficient de lung, locul particulelor aspirate din domeniul situat intre volet si jet nu mai poate fi luat de particulele care vin dinafara acestui domeniu si depresiunea astfel creata deviaza scurgerea in directia voletului. Doua mici discuri de felul acesta sunt suficiente, desi suprafata lor e de doar 30cmp, ca sa ridice un om in sus cu o viteza careia nu ise poate opune nici chiar zidul sonic.

         Efectul Coanda este brevetat in Franta la 8 octombrie 1938, sub nr. 374943 si se aplica nu numai „discurilor zburatoare", ci si altor dispozitive si sisteme de deplasare.

         In tara noastra, efectul Coanda a fost studiat si utilizat in scopuri practice de catre inginerul C. Teodorescu-Tintea.

Acesta a construit o serie de dispozitive functionand pe baza efectului Coanda, dintre care cele mai importante sunt:

à retelele de voleti depresivi, cunoscute in prezent sub denumirea de retele Teodorescu-Coanda ;

à reversorul de tractiune cu voleti depresivi pentru franarea avioanelor cu reactie de mare viteza ;

à turbina radiala cu palete depresive ;

à amortizorul de zgomot pentru motoarele cu combustie interna si pentru turbomotoarele de avion.