ЭлементыЭлементы большой науки
Жизнь в науке. Дневники
Главная / Дневники / Константин Богданов / Запись

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ КНИЖКА О НАНОТЕХНОЛОГИЯХ

mbov1147
23.05.2009
17:19
В издательстве Просвещение в 2009 году вышла моя научно-популярная книжка "Что могут нанотехнологии". Книга представляет собой краткое изложение одноимённого элективного курса лекций, который я прочёл учащимся лицея №1586 г. Москвы в 2007-2008 г.г. Книжка адресована учащимся старших классов, студентам младших курсов и учителям. Содержание некоторых глав книжки можно найти на моём сайте - http://kbogdanov5.narod.ru

Ответить предыдущая | следующая

КОММЕНТАРИИ:

24.05.2009 11:05#
klink
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
Примите благодарность за Ваш труд. Это очень интересно как для учеников, так и для учителей.
24.05.2009 12:39#
voix
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
Познавательно :)

"С 2007 года появились в продаже аккумуляторы с электродами из проводящих наночастиц, которые могут быть установлены на электромобили. Эти литий-ионные аккумуляторы способны запасать энергию до 35 кВт.час, заряжаясь до максимальной ёмкости всего за 10 минут. Сейчас дальность пробега электромобиля с такими аккумуляторами – 200 км, но уже разработана следующая модель этих аккумуляторов, позволяющая увеличить пробег электромобиля до 400 км, что практически сравнимо с максимальным пробегом бензиновых машин (от заправки до заправки)"
24.05.2009 12:55#
voix
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
Еще :)

"иногда сопротивление R0 нанорезисторов вообще не зависит от их размеров и вещества, из которого они сделаны, а определяется только двумя фундаментальными физическими константами
R0 =h/(2e2)=12,9 кОм,
где e – заряд электрона (1,6×10-19 Кл), а h – постоянная Планка (6,6×10-34 Дж/с).
Величину R0 назвали квантом электрического сопротивления, имея ввиду, что в наномире сопротивления всех резисторов одинаковы...

Квантование электрического сопротивления – не единственная особенность проводимости в наномире. Оказалось, что иногда в нанорезисторе не выделяется «джоулево тепло» при прохождении тока. Эту необычную проводимость в наномире, независящую от длины резистора, площади его поперечного сечения и не сопровождающуюся выделением теплоты, назвали баллистической (от греч. ballo – бросаю)"

24.05.2009 18:46#
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
> Оказалось, что иногда в нанорезисторе не выделяется «джоулево тепло» при прохождении тока.

Позвольте спросить, куда же тогда девается из этого нанорезистора энергия электромагнитного поля, теряемая им при прохождении тока через упомянутые 13 килоом? Черти съедают?
24.05.2009 21:17#
voix
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
> куда же тогда девается из этого нанорезистора энергия электромагнитного поля, теряемая им при прохождении тока через упомянутые 13 килоом?

У вакуумного диода также имеется сопротивление, однако электроны в нем энергию не теряют.
Не стоит применять в лоб законы электротехники. Тем более, на таких масштабах.
25.05.2009 00:14#
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
> У вакуумного диода также имеется сопротивление, однако электроны в нем энергию не теряют.
Не стоит применять в лоб законы электротехники. Тем более, на таких масштабах.

Законы электротехники говорят, что если течет электрический ток из области большего потенциала в область меньшего - у электрического поля забирается и куда-то девается энергия. Вы хотите сказать, что в нанотрубках как-то иначе?

Да и почему, интересно, нагревается вакуумный диод, если электроны в нем не теряют энергию?
25.05.2009 00:49#
voix
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
> Законы электротехники говорят, что если течет электрический ток из области большего потенциала в область меньшего - у электрического поля забирается и куда-то девается энергия

Вы утверждали, что сопротивление должно приводить к нагреванию.
Но сопротивление может вызываться несколькими причинами. Это не только результат потерь электронами энергии на нагревание, но и следствие ограничения количества электронов, как в ламповом диоде. Или, как в нанотрубках, ограничение пропускной способности, которое потерей энергии на нагревание не сопровождается. Нанотрубка как лифт, в котором не может находиться более двух человек.

Почему нагревается ламповый диод я уже объяснял.
25.05.2009 01:07#
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
> Вы утверждали, что сопротивление должно приводить к нагреванию.

Я утверждал, что сопротивление это всегда потеря электрической энергии. Куда эта энергия деается - это второй вопрос. Если из изделия ничего не вылетает и химический состав не изменяется - то только в тепло.

Что касается ваккумного диода - то под этим названием понимают изделие в целом, состоящее из катода с подогревателем, анода, колбы, выводов и вакуума внутри в конце концов. Как энергия преобразуется внутри - не важно, но все что не высветилось в виде света переходит в конце концов в тепло. Вы не можете замерить "сопротивление электронного луча" - к нему это понятие просто неприменимо.

Что касается нанотрубок - то энергия электронов очевидно переходит именно в тепло, но только не внутри самой трубки, а в анодном контакте. Но говорить про "сопротивление нанотрубки" без рассмотрения контактов по краям вообще-то некоректно.

PS И, кстати, оценка величины "кванта электрического сопротивления" делается, как можно судить по обсуждаемой научно-популярной статье, исходя из соотношения неопределенности для разности энергий. Выходит, электрон через нанотрубку банально туннелирует. То есть он вообще не находится какое-то определенное время "внутри нанотрубки".

В связи с тим любопытно, что произойдет с сопротивлением нанотрубки, если оцениваемое время пролета через нее электрона станет существенно больше получаемого из соотношения неопределенности? Расскажете? Нам ведь обещали независимость сопротивления от длины.

И что произойдет, если рядом разместить две нанотрубки. Нам ведь обещали независимость сопротивления от площади?
25.05.2009 10:24#
voix
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
>Но говорить про "сопротивление нанотрубки" без рассмотрения контактов по краям вообще-то некоректно

Почему некорректно? Через трубку при некотором напряжении на ее концах проходит определенный ток.
Отношение напряжения к току и будет сопротивлением. Потерь энергии при этом может не быть, просто трубка имеет ограниченную пропускную способность.

>И что произойдет, если рядом разместить две нанотрубки. Нам ведь обещали независимость сопротивления от площади?

Обещали независимость сопротивления от площади, начиная с некоторой критической величины, уменьшение которой к росту сопротивления не приводит. Если соединить параллельно две нанотрубки, сопротивление уменьшится, как в случае параллельного соединения проводников.

Но если две нанотрубки приложить друг к другу, то если суммарная площадь окажется меньше критической, то сопротивление не изменится.
Аналогично с длиной.

Другой вопрос, действительно ли сопротивление квантуется. Если площадь нанотрубки полторы критической, то сопротивление остается равным кванту и станет равным половине кванта только, когда площадь превысит две критических?
25.05.2009 12:44#
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
>Почему некорректно? Через трубку при некотором напряжении на ее концах проходит определенный ток.
Отношение напряжения к току и будет сопротивлением. Потерь энергии при этом может не быть, просто трубка имеет ограниченную пропускную способность.

А на закон сохранения энергии мы просто наплюем:-) Что знатным альтернативщикам какие-то там законы:-(
25.05.2009 13:28#
voix
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
>Что знатным альтернативщикам какие-то там законы:-(

Александр, у вас белая горячка - везде альтернативщики мерещатся :о)
25.05.2009 14:35#
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
> Почему некорректно? Через трубку при некотором напряжении на ее концах проходит определенный ток.

Спрашиваете, почему некоректно? Так ответьте для начала на следующий вопрос: каково сопротивление каждой половины длины такой трубки?

> Потерь энергии при этом может не быть, просто трубка имеет ограниченную пропускную способность.

Не может не быть потерь энергии, если трубка имеет ограниченную пропускную способность, и на электродах образуется разность потенциалов. Потенциальная энергия провалившегося через трубку электрона уменьшается. Провалившийся электрон оказывается над уровнем Ферми в аноде. Он быстро рассеивается на чем-нибудь и сваливается на уровень Ферми. С выделением соответствующего количества тепла. Говорить про сопротивление можно только когда модель простая - контакты металлические, никаких неравновесных электронов в точках подключения к внешней цепи нет.
25.05.2009 15:42#
voix
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
>каково сопротивление каждой половины длины такой трубки?

Для обычного проводника - у половинки сопротивление в 2 раза меньше.
У отдельной половинки нанотрубки - такое же сопротивление, что и у целой.
25.05.2009 15:49#
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
> Для обычного проводника - у половинки сопротивление в 2 раза меньше.
> У половинки нанотрубки - такое же сопротивление, что и у целой.

Да?

Вообще-то ток одинаковый - верно? Падение напряжения - половина? Или разности потенциалов тоже в нанотрубках не суммируются? И как Вы тогда получили у обоих половинок 13 килоом, поделив падение напряжения на участке на ток? ;-)

И тогда второй вопрос. Скажите, а если поделить напряжение в батарейке моих часов на ток в генераторе Ленинградской АЭС мы тоже получим "сопротивление"?
25.05.2009 16:57#
voix
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
>И как Вы тогда получили у обоих половинок 13 килоом, поделив падение напряжения на участке на ток?

Я же вам уже объяснял.

Если сопротивление нанотрубки у вас 13 килоом, то если вы ее разделите пополам и оставите в цепи половинку, то сопротивление этой половинки также останется 13 килоом.

Если вы к нанотрубке в 13 килоом присоедините такую же нанотрубку и общая длина окажется меньше критической, то сопротивление составной нанотрубки составит те же 13 килоом.

Если длина составной трубки превысит критическую более, чем в 2 раза, но менее, чем в 3 раза, то сопротивление такой трубки составит 26 килоом.
25.05.2009 17:04#
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
> Если сопротивление нанотрубки у вас 13 килоом, то если вы ее разделите пополам и оставите в цепи половинку, то сопротивление этой половинки также останется 13 килоом.

Нет-нет.
Вопрос был про то, какое сопротивление у каждой половинки ЦЕЛОЙ нанотрубки?
25.05.2009 17:22#
voix
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
>Вопрос был про то, какое сопротивление у каждой половинки ЦЕЛОЙ нанотрубки?

У целой нанотрубки 13 килоом. Так?
Подключаете источник напряжения к половинке трубки, измеряете ток. Считаете сопротивление, получаете те же 13 килоом.
25.05.2009 17:30#
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
> Подключаете источник напряжения к половинке трубки, измеряете ток. Считаете сопротивление, получаете те же 13 килоом.

По Вашим словам получается, что про сопротивление в данной системе можно говорить только после рассмотрения подключения источника вместе с контактами к трубке, и что рассматривая трубку у отрыве от источника говорить про сопротивлегние нет никакого смысла. И что рассматривать абстрктную "разность потенциалов" недостаточно. Именно это я и утверждал, спасибо.
25.05.2009 16:21#
voix
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
>Не может не быть потерь энергии, если трубка имеет ограниченную пропускную способность, и на электродах образуется разность потенциалов

Давайте рассмотрим следующую схему:

На одном конце нанотрубки некий источник питания накапливает электроны, создавая отрицательный потенциал. Через нанотрубку электроны могут пройти только по одному, создавая конечный ток.
Разогнанные электроны в конце нанотрубки источник питания с помощью магнитного поля разворачивает и возвращает к скоплению электронов в начале нанотрубки.

Напряжение равно 5 вольт, ток 0.4 миллиампера. Чему у вас равны потери энергии в данном случае?
25.05.2009 16:31#
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
> На одном конце нанотрубки некий источник питания накапливает электроны, создавая отрицательный потенциал.
> Через нанотрубку электроны могут пройти только по одному, создавая конечный ток.

> Разогнанные электроны в конце нанотрубки источник питания с помощью магнитного поля разворачивает и возвращает к скоплению электронов в начале нанотрубки.

> Напряжение равно 5 вольт, ток 0.4 миллиампера. Чему у вас равны потери энергии в данном случае?


Если не хотите отвечать по поводу сопротивления половинок - давайте рассмотрим магнитное поле. Но Вы недостаточно описали систему. Может быть в ней вооще никакого тока не будет?

Источник питания создает отрицательный потенциал относительно потенциала какой точки в системе?
Что создает разность потенциала на концах трубки? Или электроны ускоряются сами собой без разности потенциала?
Каким образом "разогнанные электроны" покидают конец трубки?
25.05.2009 17:14#
voix
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях

>Источник питания создает отрицательный потенциал относительно потенциала какой точки в системе?
Что создает разность потенциала на концах трубки? Или электроны ускоряются сами собой без разности потенциала?
Каким образом "разогнанные электроны" покидают конец трубки?


Начало и конец нанотрубки соединены сверхпроводником.
Диод в цепи разрешает ток только в одном направлении.
Отрицательный потенциал создается изначально. Источник питания способен его поддержать, дополнительно разгоняя развернутые магнитным полем электроны, в случае, если будут какие-то потери энергии.
25.05.2009 17:41#
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
> Начало и конец нанотрубки соединены сверхпроводником.

Достаточно. То есть никакой разности потенциалов между концами нанотрубки нет, и, соответственно, тока в нанотрубке тоже нет.
25.05.2009 17:52#
voix
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
>> Начало и конец нанотрубки соединены сверхпроводником.
>Достаточно. То есть никакой разности потенциалов между концами нанотрубки нет, и, соответственно, тока в нанотрубке тоже нет


Вы диод упустили из виду :)
Две сверхпроводящие обкладки конденсатора, соединенные с одной стороны сверхпроводником ЧЕРЕЗ ДИОД, который не позволяет заряженному конденсатору разрядиться.
С противоположной стороны обкладки соединили нанотрубкой.
Дальше по тексту :)
25.05.2009 17:58#
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
> Вы диод упустили из виду :)

Диод как вариант демона Максвелла, я надеюсь? ;-)

Как говорила Алиса, "все страньше и страньше". Через сверхпроводник течет ток? То есть диод отперт? То есть он ни на что не влияет? Может быть тогда его выкинуть для простоты рассмотрения?
25.05.2009 18:28#
voix
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
>Через сверхпроводник течет ток? То есть диод отперт? То есть он ни на что не влияет?

Странное у вас представление о диодах :)

Через диод ток может идти только в одном направлении.
В моем случае через диод могут пройти возвращающиеся электроны, но он запирает электроны, которые образуют потенциал. Т.е. вернувшийся электрон обратно уйти тем же путем не сможет. Для него, как и для других электронов потенциала остается путь только через нанотрубку. Которая пропускает электроны лишь по одному.

25.05.2009 18:35#
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
> Т.е. вернувшийся электрон обратно уйти тем же путем не сможет.

Слушайте, а зачем нам нужны вообще сверхпроводники и нанотрубки? Может быть поставим рядом в батарею несколько таких диодов, и будет получать энергию прямо из окружающего тепла? В одну сторону электрончики будут пропускаться, в другую - нет?
25.05.2009 18:44#
voix
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
>Слушайте, а зачем нам нужны вообще сверхпроводники и нанотрубки?

Понятно. Свою точку зрения о тепловых потерях тока при прохождении через нанотрубку, вы отстоять не смогли :)
25.05.2009 18:51#
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
> Понятно. Свою точку зрения о тепловых потерях тока при прохождении через нанотрубку, вы отстоять не смогли :)

Простите, но отстоять свою точку зрения перед Вами, действительно, невозможно.
26.05.2009 14:01#
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
>Через диод ток может идти только в одном направлении.
В моем случае через диод могут пройти возвращающиеся электроны, но он запирает электроны, которые образуют потенциал. Т.е. вернувшийся электрон обратно уйти тем же путем не сможет. Для него, как и для других электронов потенциала остается путь только через нанотрубку. Которая пропускает электроны лишь по одному

И мы получаем прекрасный perpetum mobile! :-)

Вообще-то это только детям позволительно изобретать вечный двиатель из диода. Лично я этим баловался в возрасте лет так в 10, если не раньше :-)
26.05.2009 14:25#
voix
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
>И мы получаем прекрасный perpetum mobile!

Нет. Мы получаем экономичный источник питания, который использует энергию разогнанных электронов, которая в обычном случае превращается в тепло.
25.05.2009 09:18#
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
>Да и почему, интересно, нагревается вакуумный диод, если электроны в нем не теряют энергию

Очень даже теряют. Когда об анод стукаются. Кстати, в старых ламповых передатчиках легко было видеть, как краснеет именно анод. Причем, если лампу приличо перегрузить, чтобы нагрев был быстрым, то краснеет даже не весь анод, а именно те места, куда попадает поток электронов (ясно по конструкции лампы). Правда там не диод а триод или пентод, но это не меняеет сути дела. Я даже дырки, выгоревшие в анодах, видел во времена своей радиолюбительской молодости. Как раз в тех местах, куда больше всего электронов попадает:-)

В любом случае диод это не резистор. А "сопротивление пространства между анодом и катодом" это бред собачий. Сопротивлением обладает только весь диод целиком, вместе с анодом, на котором и выделяется тепло.

>Но сопротивление может вызываться несколькими причинами. Это не только результат потерь электронами энергии на нагревание

Сопротивление определяется ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО потерями энергии. На нагревание, или, к примеру, на излучение. Нет потерь энергии - нет (активного) сопротивления. Правда, бывает еще реактивное сопротивление. Но оно по своей сути "сопротивление" в кавычках.
25.05.2009 15:37#
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
>Позвольте спросить, куда же тогда девается из этого нанорезистора энергия электромагнитного поля, теряемая им при прохождении тока через упомянутые 13 килоом? Черти съедают?

На самом деле здесь просто нелокальная проводимость. Довольно известная штука, кстати. Можно вспомнить аномальный скин-эффект, например. Причина его аномальности как раз в нелокальности проводимости. Но можно ли говорить, что в нанотрубке возникает бездиссипативное сопротивление? Вряд ли, просто тут вообще не применимо представление о резисторе. Само представление о резисторе априори предполагает локальность. Но популяризаторы зачастую грешат звучными (и при этом бессмысленными) терминами. А потом некий любитель, начитавшись таких опусов, начинает "с пеной у рта" отстаивать всякие глупости. При этом со ссылками на литературу:-)

Что же касается прохождения тока через нанотрубку, то тут никакого содержательного вопроса просто нет: ток нелокально связан с электрическим полем. Он всегда связан с полем нелокально:-) Но на больших масштабах (в макро а не нанофизике) этой нелокальностью обычно можно принебречь. Довольно близкая аналогия с пространственной дисперсией света в кристаллах, кстати. В общем ускоряются электроны в одном месте, а выделяют тепло - в другом. Ничего мистического. Но называть это сопротивлением нельзя, ну в крайнем случае "сопротивлением" в кавычках, в очень условном смысле.
25.05.2009 16:49#
mbov1147
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
Не думал, что будет такая "кровавая" дискуссия о "баллистической" проводимости, которая известна с о-о-очень давних времён. Я написал популярную статью об этом полтора года назад на nanometer.ru http://www.nanometer.ru/2008/02/20/12034863405053_6061.html
и там она не вызвала таких бурных дискуссий.
Полностью согласен с alexander-yu.
Во-первых, никакого сопротивления в обычном смысле этого слова нанотрубка, конечно, не имеет. В названии статьи так и написано - закон Ома не соблюдается, значит и сопротивления НЕТ.
Во-вторых, электроны, действительно, берут энергию в одном месте, а расстаются с ней в другом, как поглощение и выделение энергии в атоме.
В-третьих, научно-популярная статья - это не научная статья. Цель научно-популярной статьи - обратить внимание читателя на что-то новое. Название должно быть броским, иначе читать не будут. Правила жанра. Извините, если перебрал...
25.05.2009 20:32#
lesnik
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
"Цель научно-популярной статьи - обратить внимание читателя на что-то новое."

Но вводить в заблуждение не стоит. Если закон Ома не выполняется, то нельзя им и пользоваться при выводе "кванта сопротивления". Или по крайней мере, надо это оговорить. Вообще, правильнее было бы назвать данное явление квантованием электрического тока. Но в мезоскопике, если не ошибаюсь, прижилось именно понятие "квантование сопротивления", что может быть не совсем точно отражает суть явления.

И вообще говоря, сопротивление зависит от размеров и в баллистическом режиме. При заданном напряжении, при большей ширине проводника, большее число каналов проводимости открыто, а значит течёт больший ток - меньше сопротивление. Конечно, если только напряжение не бесконечно мало.

Ещё там у вас для металлов написано о распределении Больцмана, а на самом деле в металлах - распределение Ферми, Е = Е_Ферми и длина волны значительно меньше. Большие длины волн и распределение Больцмана характерны для полупроводников.
26.05.2009 13:17#
Научно-популярная книжка о нанотехнологиях
>Не думал, что будет такая "кровавая" дискуссия о "баллистической" проводимости, которая известна с о-о-очень давних времён.

Просто у нас тут водится представитель некого племени, обладающего феноменальными способностями любую простую вещь так извратить, что остается только удивляться:-) Ну, может, еще ругаться:-(

>Во-первых, никакого сопротивления в обычном смысле этого слова нанотрубка, конечно, не имеет.

Вот это следовало бы более явно подчеркнуть. Но теперь уже "поезд ушел", к сожалению, книга уже вышла. Впрочем, будем надеяться, что ее будут читать не только такие читатели, как voix.
Вести дневник и оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи
Логин:
Пароль:
Зарегистрироваться
Последние сообщения
Помощь
Всего дневников: 641

Пользователей
в системе: 2729

Всего записей
и комментариев: 48562

Записей и комментариев
за последние 24 часа: 18

АКТИВНЫЕ ДНЕВНИКИ


 
Энциклопедия | Новости | Блоги | Календарь | Право | Библиотека | Детские вопросы | ЖОБ При поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия