Принципы научности: Принцип научности

Принцип научности — Студопедия

Познание – очень сложный противоречивый процесс. Научное познание даёт возможность осуществить переход от явления к сущности. Познания окружающей действительности могут быть верными и неверными, если в процессе обучения учащиеся получают лишь представление о внешних свойствах предметов и явлений действительности – такие знания являются донаучными. Если в процессе обучения учащиеся получают знание понятий, законов, доказательств, они получают научные знания.

В основе принципа научности лежит ряд положений:

— мир познаваем, и человеческие знания, проверенные практикой, дают объективную картину развития мира

— наука в жизни человека играет важную роль, образование направлено на усвоение научных знаний

— научность обучения обеспечивается средним школьным образованием, зависит от реализации учителями принятого содержания.

В связи с этим к учителю предъявляются следующие требования:

— обучать на основе новейших достижений педагогики, психологии, методики

— знать, как правильно осуществить переход от явления к сущности

— изучение законов науки проводить, учитывая важные стороны процесса развития изучаемых явлений, а каждое новое научное понятие должно систематически повторяться

— поощрять исследовательскую деятельность учащихся.

Принцип доступности.

Известно, что знания учебного материала доступны тогда, когда они связаны: с уровнем развития школьников, с их личным опытом, со знанием, умением, навыком, которые имеются у школьников.

Если установить такие знания невозможно, то знания будут недоступны.

Принцип доступности вытекает из требований: с одной стороны знания закономерности возрастного развития, а с другой – организация и осуществление дидактического процесса в соответствии с уровнем развития учащихся.

Ещё Каменский выдвигал правила, которые связаны с принципом доступности: от лёгкого к трудному, от известного к неизвестному, от простого к сложному.

Для реализации этого принципа необходимо:

1)связь новых знаний со старыми;

2)связь между новыми знаниями и операциями мышления, которые сформированы или формируются. Л.С. Выготский выдвинул идею опережающего развития. Обучение должно вести за собой развитие. Учебный процесс может быть построен на механизмах мышления, которые ещё полностью не сформировались, но достаточны для усвоения нового материала.

В этих условиях будет интенсивно формироваться более высокий интеллектуальный уровень развития учащихся и становиться доступным более сложное содержание обучекния.

3)связь учебного материала с интересами, рассуждениями, склонностями ученика.

Поэтому к учителю и учебному процессу предъявляются следующие требования:

— связь нового материала со старым

— обязательно знать уровень развития ученика, способности и мыслительные операции, которые сформированы или формируются

— формировать познавательный интерес к обучению.

Принцип научности — это… Что такое Принцип научности?



Принцип научности

— требует учета особенностей развития учащихся, анализа материала т.з. их возможностей и такой организации обучения, чтобы они не испытывали интеллектуальных, моральных, физических нагрузок.

Словарь по педагогической психологии.
М. В. Гамезо.
2001.

• Принцип доступности
• Принцип природосообразности

Смотреть что такое «Принцип научности» в других словарях:

• ПРИНЦИП НАУЧНОСТИ — ПРИНЦИП НАУЧНОСТИ. Дидактический принцип, основанный на том, что содержание обучения знакомит учащихся с объективными научными данными, понятиями, теориями учебной дисциплины. В отношении изучения иностранных языков П. н. предполагает определение …   Новый словарь методических терминов и понятий (теория и практика обучения языкам)

• принцип научности — принцип, требующий обьективного, верного исследования психических явлений, способствующего установлению истины …   Энциклопедический словарь по психологии и педагогике

• Принцип научности — требует учета особенностей развития учащихся, анализа материала т.з. их возможностей и такой организации обучения, чтобы они не испытывали интеллектуальных, моральных, физических нагрузок …   Словарь-справочник по педагогической психологии

• Принцип фальсифицируемости — Фальсифицируемость (принципиальная опровержимость любого утверждения, опровергаемость, критерий Поппера) критерий научности эмпирической теории, сформулированный К. Поппером. Теория удовлетворяет критерию Поппера (является фальсифицируемой), если …   Википедия

• Принцип фальсификации — Фальсифицируемость (принципиальная опровержимость любого утверждения, опровергаемость, критерий Поппера) критерий научности эмпирической теории, сформулированный К. Поппером. Теория удовлетворяет критерию Поппера (является фальсифицируемой), если …   Википедия

• Фальсификации принцип — (см. Фальсификация) принцип (критерий) распознаваемости научного знания, научной истины, предположенный английским философом Карлом Поппером. Критерием научности теории является ее фальсифицируемость или опровержимость. Если какое либо учение… …   Начала современного естествознания

• КРИТЕРИИ НАУЧНОСТИ ПОЗНАНИЯ — – основные характеристики научного познания: 1) объективность предполагает, что познания явления осуществляется независимо от познающего субъекта, т.е. происходит отвлечение от интересов познающего индивида и от всего сверх природного; 2)… …   Философия науки и техники: тематический словарь

• ФИЛОСОФИЯ — (от греч. phileo люблю, sophia мудрость, philosophia любовь к мудрости) особая форма общественного сознания и познания мира, вырабатывающая систему знаний о фундаментальных принципах и основах человеческого бытия, о наиболее общих сущностных… …   Философская энциклопедия

• ПРИНЦИПЫ ОБУЧЕНИЯ — направляют деятельность педагогов, реализуя нормативную функцию дидактики. Поскольку дидактика одновременно теоретическая и нормативно прикладная наука, понятие принципа в ней выступает в разл. аспектах: с логич. точки зрения принцип можно… …   Российская педагогическая энциклопедия

• ОБУЧЕНИЕ — целенаправленно организованный, планомерно и систематически осуществляемый процесс овладения знаниями, умениями и навыками. Цели О. могут быть достигнуты при соблюдении дидактических принципов: научности, проблемности, наглядности, доступности,… …   Российская энциклопедия по охране труда

принцип научности — это… Что такое принцип научности?



принцип научности

принцип, требующий обьективного, верного исследования психических явлений, способствующего установлению истины.

Энциклопедический словарь по психологии и педагогике.
2013.

• ПРИНЦИП МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОСТИ
• ПРИНЦИП НИРВАНЫ

Смотреть что такое «принцип научности» в других словарях:

• ПРИНЦИП НАУЧНОСТИ — ПРИНЦИП НАУЧНОСТИ. Дидактический принцип, основанный на том, что содержание обучения знакомит учащихся с объективными научными данными, понятиями, теориями учебной дисциплины. В отношении изучения иностранных языков П. н. предполагает определение …   Новый словарь методических терминов и понятий (теория и практика обучения языкам)

• Принцип научности — требует учета особенностей развития учащихся, анализа материала т.з. их возможностей и такой организации обучения, чтобы они не испытывали интеллектуальных, моральных, физических нагрузок …   Словарь-справочник по педагогической психологии

• Принцип научности — требует учета особенностей развития учащихся, анализа материала т.з. их возможностей и такой организации обучения, чтобы они не испытывали интеллектуальных, моральных, физических нагрузок …   Словарь по педагогической психологии

• Принцип фальсифицируемости — Фальсифицируемость (принципиальная опровержимость любого утверждения, опровергаемость, критерий Поппера) критерий научности эмпирической теории, сформулированный К. Поппером. Теория удовлетворяет критерию Поппера (является фальсифицируемой), если …   Википедия

• Принцип фальсификации — Фальсифицируемость (принципиальная опровержимость любого утверждения, опровергаемость, критерий Поппера) критерий научности эмпирической теории, сформулированный К. Поппером. Теория удовлетворяет критерию Поппера (является фальсифицируемой), если …   Википедия

• Фальсификации принцип — (см. Фальсификация) принцип (критерий) распознаваемости научного знания, научной истины, предположенный английским философом Карлом Поппером. Критерием научности теории является ее фальсифицируемость или опровержимость. Если какое либо учение… …   Начала современного естествознания

• КРИТЕРИИ НАУЧНОСТИ ПОЗНАНИЯ — – основные характеристики научного познания: 1) объективность предполагает, что познания явления осуществляется независимо от познающего субъекта, т.е. происходит отвлечение от интересов познающего индивида и от всего сверх природного; 2)… …   Философия науки и техники: тематический словарь

• ФИЛОСОФИЯ — (от греч. phileo люблю, sophia мудрость, philosophia любовь к мудрости) особая форма общественного сознания и познания мира, вырабатывающая систему знаний о фундаментальных принципах и основах человеческого бытия, о наиболее общих сущностных… …   Философская энциклопедия

• ПРИНЦИПЫ ОБУЧЕНИЯ — направляют деятельность педагогов, реализуя нормативную функцию дидактики. Поскольку дидактика одновременно теоретическая и нормативно прикладная наука, понятие принципа в ней выступает в разл. аспектах: с логич. точки зрения принцип можно… …   Российская педагогическая энциклопедия

• ОБУЧЕНИЕ — целенаправленно организованный, планомерно и систематически осуществляемый процесс овладения знаниями, умениями и навыками. Цели О. могут быть достигнуты при соблюдении дидактических принципов: научности, проблемности, наглядности, доступности,… …   Российская энциклопедия по охране труда

Принципы научности и доступности (определение, функции, способы реализации).

Принцип научности обучения предполагает соответствие содержания образования уровню развития современной науки и техники, опыту, накопленному мировой цивилизацией. Принцип научности требует, чтобы содержание образования, реализуемое как в учебное, так и во внеучебное время, было направлено на ознакомление обучаемых с объективными научными фактами, явлениями, законами, основными теориями и концепциями той или иной отрасли, приближаясь к раскрытию ее современных достижений и перспектив развития.

Имея прямое отношение к содержанию образования, принцип научности определяет требования к разработке учебных планов, учебных программ и учебников. При построении учебного процесса он требует использования дополнительного материала, содержащего сведения о глобальных проблемах и современных достижениях. Последовательное осуществление принципа научности означает ориентацию процесса обучения на формирование у учащихся концептуального видения мира и создание его адекватного и реалистического образа.

Принцип научности имеет отношение и к методам обучения. В соответствии с ним педагогическое взаимодействие должно быть направлено на развитие у учащихся познавательной активности, креативного и дивергентного мышления, творчества, ознакомление их со способами научной организации учебного труда. Этому способствуют использование проблемных ситуаций, в том числе ситуаций личностного выбора, специальное обучение умению наблюдать явления, фиксировать и анализировать результаты наблюдений, вести научную дискуссию, доказывать свою точку зрения, работать с учебной и научной литературой.

Принцип доступности обучения при достаточном уровне его трудности требует учета в его организации реальных возможностей обучаемых, отказа от интеллектуальных и эмоциональных перегрузок, отрицательно сказывающихся на их физическом и психическом здоровье. Реализация этого принципа связана и с учетом уровня развития познавательной сферы обучаемых.

Однако обучение не должно быть излишне легким. В нем должна быть соблюдена мера психической напряженности и неопределенности, необходимая для поддержания у учащихся интеллектуального и энергетического тонуса, активности и интенсификации поисковых действий, связанных с преодолением учебных трудностей.

Рассматриваемый принцип предполагает построение учебного процесса таким образом, чтобы у учащихся появлялось желание преодолеть трудности и пережить радость успеха, достижения. Это помогает им снять повышенную тревожность и неуверенность в успехе при решении учебных задач.

Возникающие субъективные трудности обучения не должны быть результатом недостаточного профессионализма педагога или его неорганизованности. Опытный педагог заботится о подборе и постепенном усложнении учебных задач, понимая, что обучаемый может легко разувериться в своих способностях и возможностях и отказаться от выполнения кажущихся ему невозможными заданий. Это требует не приблизительного, а точного знания возрастных и индивидуальных особенностей учащихся, имеющегося у них опыта решения задач определенного типа.

Приходится считаться и с тем, что возможности обучаемых могут не только возрастать в процессе обучения, но и временно снижаться из-за усталости, развивающейся обычно к концу полугодия. Порой усугубляют это ошибки в планировании учебного процесса. Практика показывает, что в отдельные недели происходит суммирование учебных трудностей, каждая из которых в отдельности доступна, а вместе взятые они вызывают стрессовую ситуацию.

Внимание!

Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к
профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные
корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы.

Принцип доступности обучения требует осмысления проблемы трудности и объема учебного материала, подлежащего усвоению. Его трудность определяется степенью предсказуемости или непредсказуемости последующего элемента, а объем — количеством относительно самостоятельных элементов. Вот почему реализация доступности обучения во многом зависит от уровня методической подготовленности педагога, от его умения обоснованно построить изучение основных понятий и категорий с целью их последующего углубления и категоризации мышления. В то же время нельзя согласиться с утверждением известного американского педагога и психолога Дж.Брунера о том, что нет трудного материала, а есть трудные методики преподавания и что любой материал можно преподнести в доступной форме (например, элементы высшей математики в начальной школе).

При предъявлении недоступного для усвоения учебного материала снижается мотивация учения, ослабевает произвольность психических процессов, падает работоспособность, быстрее наступает утомление. Вместе с тем чрезмерное упрощение материала тоже снижает интерес к учению, не способствует формированию ответственного отношения к нему, не содействует развитию личности. Обучение, оставаясь доступным, должно вызывать интеллектуальные, нравственные и физические усилия.

Традиционная дидактика в целях обеспечения доступности при изложении учебного материала и организации учебной деятельности рекомендует идти от простого к сложному, от конкретного к абстрактному, от известного к неизвестному, от фактов к обобщениям и т.п. Однако этот же принцип, но в другой дидактической системе реализуется не с простого, а с общего, не с близкого, а с главного, не с элементов, а со структуры, не с частей, а с целого (В.В.Давыдов).

Поможем написать любую работу на аналогичную
тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему
учебному проекту

Узнать стоимость

Принципы научности и систематичности

         Выразительно эти принципы обеспечиваются процессом формирования системы знаний учащихся по основам биологической науки. Каждый раздел биологического курса соответствует определенной области научных знаний, хотя и не является простой её микроскопией. В истории школьной биологии имели место случаи, когда, как бы следуя принципу научности, создавались несколько уменьшенные, подобно вузовским, курсы для школы. Такое формальное копирование, например, в конце 30-х годов курса зоологии не соответствовало лимиту учебного времени, возможностям учащихся, ограниченности определенных средств обучения и приводило, по сути, к формальным знаниям, теряющим свою образовательную ценность.

         Принцип научности гарантирует полноценное научное знание фактов, понятий, законов, теорий, достоверно обоснованных, имеющих мировоззренческую и практическую значимость. Применение этого принципа выражается в тщательности и аргументированности отбора научного материала. Классические теории биологической науки включаются в школьный курс с опорой на научные факты. Например, теория клеточного строения подкрепляется наблюдениями учащихся, сравнительным описанием клеток различных тканей. Принцип научности определяет необходимость сочетания в учебном предмете давно открытых основополагающих законов, фактов с новыми достижениями. Поэтому в раздел общей биологии включен материал о строении клетки под электронным микроскопом, раскрываются данные об её химическом составе, энергетике, метаболизме.

         Систематичность как показатель научности изложения отражается в составе и структурно-последовательном расположении элементов содержания образования, в установлении взаимосвязи между ними, определении этапов развития и усложнения учебного материала. В итоге происходит такая методическая переработка основ биологической науки, в результате которой достигается целостность учебного предмета. Например, каждый раздел биологии представляет собой систему определенных областей биологических знаний: о растительном и животном мире, об организме и здоровье человека, об общих закономерностях живой материи. Однако эта система не является незыблемой и раз и навсегда установленной. Она обновляется и структурно изменяется под влиянием новых задач образования, обогащения школьной биологии современными достижениями науки и успехами практических областей её применения.

         Принцип научности определяет внутреннюю систему биологических знаний и их связь с другими учебными предметами. В методике биологии это подтверждается требованием последовательного раскрытия ведущих идей и общебиологических понятий во всех разделах предмета, что особенно важно для общего образования и развития учащихся.

         Таким образом, руководствуясь принципом научности, учитель биологии, методист, обеспечивающий высокий общеобразовательный и воспитательный уровни школьной биологии, увеличивают её вклад в формирование научного мировоззрения.

Поможем написать любую работу на аналогичную
тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему
учебному проекту

Узнать стоимость

Вопрос 9. Сущность принципов обучения научности, связи теории с практикой, доступности. Правила их реализации на практике

ТОП 10:

Принцип доступности Принцип базируется на законе тезауруса: доступным для человека является лишь то, что соответствует его тезаурусу. В переносном значении под этим понимается объем знаний, умений, способов мышления. Доступность обучения определяется возрастными особенностями школьников и зависит от их индивидуальных особенностей, от организации учебного процесса, применяемых учителем методов и связана с условиями протекания процесса обучения; доступность обучения определяется его предысторией; чем выше уровень умственного развития школьников и больше имеющийся у них запас представлений и понятий, тем успешнее они могут продвинуться вперед при получении новых знаний; постепенное нарастание трудностей обучения и приучение к их преодолению положительно влияют на развитие учащихся и формирование их моральных качеств; обучение на оптимальном уровне трудности положительно влияет на темпы и эффективность обучения, качество знаний. Классические правила, относящиеся к практической реализации принципа доступности, сформулированы еще Я. А. Коменским: от легкого к трудному, от известного к неизвестному, от простого к сложному. Все подлежащее изучению должно быть распределено сообразно ступеням возраста так, чтобы предлагалось для изучения только то, что доступно восприятию в каждом возрасте. Обучая, исходите из уровня подготовленности и развития учащихся, учите, опираясь на их возможности. Изучайте и учитывайте жизненный опыт учащихся, их интересы, особенности развития. Для доступности широко используйте аналогию, сравнение, сопоставление, противопоставление: дайте толчок мысли учащихся, покажите им, что даже самые сложные знания доступны для понимания. Введение каждого нового понятия должно не только логически вытекать из поставленной познавательной задачи, но быть подготовлено всем предшествующим ходом обучения. Наиболее трудными для понимания и усвоения учащимися являются закономерности развития общества, фундаментальные законы природы. Учителя всех учебных предметов должны вносить посильный вклад в процесс формирования методологических знаний — для этого иллюстрируйте примерами из своего учебного предмета многообразное проявление общих и всеобщих закономерностей. Принцип научности Принцип научности обучения требует, чтобы учащимся на каждом шагу их обучения предлагались для усвоения подлинные, прочно установленные наукой знания и при этом использовались методы обучения, по характеру приближающиеся к методам изучаемой науки. В основе принципа научности лежит ряд положений, играющих роль закономерных начал: мир познаваем, и человеческие знания, проверенные практикой, дают объективно верную картину развития мира; наука в жизни человека играет все более важную роль, поэтому школьное образование направлено на усвоение научных знаний, вооружение подрастающих поколений системой знаний об объективной действительности; научность обучения обеспечивается прежде всего школьного образования, строгим соблюдением принципов его формирования и зависит от реализации учителями принятого содержания; научность обучения, действенность приобретенных знаний зависят от соответствия учебных планов и программ уровню социального и научнотехнического прогресса, подкрепления приобретенных знаний практикой, от межпредметных связей. Практика прогрессивных дидактических систем выработала ряд правил реализации данного принципа. Каждое нововведенное научное понятие систематически повторяйте, применяйте и используйте на всем протяжении учебного курса. Изучение законов науки проводите с учетом наиболее важных сторон процесса развития изучаемых явлений, зависимости от внешних условий, места и времени, конкретных форм изменения явления, борьбы старого с новым, содержания и формы. В методах преподавания отражайте методы научного познания, развивайте мышление учащихся, подводя их к поисковой, творческой работе в учении. Систематически информируйте учащихся о новых достижениях в науке, технике, культуре; связывайте новые достижения с формируемой у учащихся системой знаний. Не упускайте возможности ознакомить учащихся с биографиями выдающихся отечественных ученых, их вкладом в развитие науки. Применяйте новейшую научную терминологию, не пользуйтесь устаревшими терминами, будьте в курсе последних научных достижений по своему предмету. Раскрывайте генезис научного знания, эмбриологию истины, последовательно реализуйте требования историзма в обучении. В связи с все увеличивающимся потоком научной информации основное внимание уделяйте ключевым проблемам науки, раскрывайте перед учащимися основные идеи научных достижений, приучайте их следить за научной информацией, поощряйте коллективное обсуждение научно-технических и социальных проблем. Поощряйте исследовательскую работу школьников. Найдите возможности ознакомить их с техникой экспериментальной и опытнической работы, алгоритмами решения изобретательских задач, обработкой первоисточников и справочных материалов, архивных документов. Освещая новые достижения в науке и технике, не забывайте рассказать о совершенствовании технологии обучения, раскрывайте сложности учебного труда и способы повышения его эффективности путем познания тайн обучения и внедрения новых средств; настойчиво пропагандируйте идеи научной организации учебного труда. 

Принципы обучения и воспитания

Понятие принципов обучения и воспитания

Замечание 1

Принципы обучения и воспитания — это некие исходные положения, которые определяют характер педагогической деятельности.

В обучении и воспитании используется система дидактических принципов:

• научность;
• доступность;
• систематичность обучения и воспитания;
• наглядность;
• самостоятельность и активность в усвоении знаний;
• учет индивидуальных и возрастных особенностей ребенка;
• связь обучения с жизнью.

Замечание 2

В основе организации процесса обучения и воспитания лежат ведущие дидактические принципы, которые реализуются на практике с учетом направленности педагогического процесса.

Специфические дидактические принципы обучения и воспитания учитывают основные требования и подходы к обучению.

Принципы обучения и воспитания

В своей деятельности преподаватели базируются на определенных дидактических принципах обучения и воспитания:

1. Принцип научности. Способствует формированию научного мировоззрения, обеспечивает овладение обучающимися научными знаниями. Принцип основан на теории о познаваемости объективного мира, а также способности сознания человека давать правильное его отражение. В соответствии с принципом дети познают основы современных знаний в их историческом развитии, элементы научной методологии. У обучающихся вырабатывается устойчивая потребность в приобретении научных знаний (в том числе, самостоятельно).
   1. Принцип последовательности и систематичности. В соответствии с данным принципом, учебный материал должен подаваться в соответствии с внутренней логикой изучаемой дисциплины и, в тоже время, отвечать индивидуальным и возрастным психологическим особенностям обучающихся. Систематичность в обучении предполагает овладение научными знаниями, навыками и умениями в строго определенном соответствии. Важно учитывать основные правила дидактики: проводить обучение от простого к сложному, от известного к неизвестному, от легкого к трудному, от близкого к далекому. Реализация данного принципа обеспечивает расширение познавательных возможностей, равномерное накопление и углубление знаний.
2. Принцип связи теории с практикой. Принцип требует рационального сочетания теории с практическими навыками и умениями, соединения общего образования с общественно полезной деятельностью и трудовой подготовкой. Практика служит для закрепления, проверки истинности и применения усвоенных знаний.
3. Принцип сознательности. Принцип требует такого построения учебного процесса, при котором обеспечивается усвоение и использование обучающимися знаний и умений. Он связан с инициативностью, активностью и самостоятельностью обучающихся. Основные черты сознательного обучения: ясное восприятие учебного материала; понимание пользы образования; использование в обучении наблюдений и личного опыта.
4. Принцип наглядности. Обучение строится на основании конкретных образов. Наглядность способствует тому, что благодаря восприятию явлений и предметов окружающего мира формируются понятия, представления, развиваются речь и мышление. Наглядность обеспечивает связь между абстрактным и конкретным. На разных ступенях обучения характер и степень использования наглядности различны.
5. Принцип доступности. Предполагает построение процесса, при котором учитывают индивидуальные, возрастные особенности учащихся, уровень их подготовки, здоровье и эмоционально-волевая сфера ребенка. Методы обучения, программы и учебники разрабатываются в соответствии с этим принципом.
6. Принцип прочности знаний, умений и навыков. Определяет основательность усвоения учебного материала, его устойчивое закрепление в памяти учащихся, свободное применение и воспроизведение на практике.
7. Принцип дифференцированного и индивидуального подхода в обучении. В учебном коллективе педагогическое воздействие строится исходя из особенностей развития каждого ребенка.
8. Принцип природосообразности. В основе воспитания и обучения лежит научное понимание социальных и природных процессов.

Готовые работы на аналогичную тему

Замечание 3

Воспитание ребенка должно выстраиваться в соответствии с законами природы, с учетом индивидуальных, возрастных, половозрастных и психофизических особенностей, сензитивных периодов развития.

Личностно-ориентированное образование

В современном педагогическом процессе делается акцент на личностно-ориентированное образование.

Личностно-ориентированное образование ориентировано на воспитание, обучение и развитие обучающихся и строится:

• с учетом их индивидуальных особенностей — физиологических, возрастных, интеллектуальных, психологических;
• с учетом образовательных потребностей;
• с выделением групп обучающихся по способностям и знаниям, по профессиональной направленности;
• с направленностью на разный уровень программного материала;
• исходя из того, что каждый ребенок – это уникальная индивидуальность.

Процесс воспитания является необходимой составной частью социализации и развития ребенка. Воспитание дополняет педагогический процесс в целом, создает условия для систематического целенаправленного развития личности и основывается на общечеловеческих принципах.

Связь воспитания с другими факторами развития обучающихся отражает принцип целостности, который предполагает гармоничное и разностороннее и развитие личности, интеграцию воспитательных сил социума (семейное, социальное, школьное, религиозное воспитание). Принцип целостности означает непрерывность, единство требований и преемственность, взаимосвязь и последовательность воспитательных воздействий.

Целостный подход к воспитанию позволяет воспитать целостную личность в совокупности со всеми его особенностями (воля, память, мышление и т.д.).

Принцип культуросообразности определяет соответствие воспитания и обучения требованиям времени и среды, общечеловеческим ценностям культур. Он предполагает гармоничное соединение нравственных побуждений и внешних форм поведения.

научных принципов

научных принципов

Структура металлов:

Металлы составляют около двух третей всех элементов и около 24% массы планеты. Они повсюду вокруг нас в таких формах, как стальные конструкции, медная проволока, алюминиевая фольга и золотые украшения. Металлы широко используются благодаря своим свойствам: прочности, пластичности, высокой температуре плавления, тепловой и электрической проводимости и ударной вязкости.

Эти свойства также дают ключ к разгадке структуры металлов.Как и все элементы, металлы состоят из атомов. Прочность металлов предполагает, что эти атомы удерживаются вместе прочными связями. Эти связи также должны позволять атомам двигаться; иначе как металл можно было забивать в листы или вытягивать в проволоку? Разумной моделью была бы модель, в которой атомы удерживаются вместе прочными, но делокализованными связями.

Склеивание

Такие связи могут образовываться между атомами металлов, которые имеют низкую электроотрицательность и не сильно притягивают свои валентные электроны.Это позволило бы наиболее удаленным электронам быть общими для всех окружающих атомов, в результате чего положительные ионы ( катионов, ) были окружены морем электронов (иногда называемым электронным облаком).

Рисунок 1: Металлическое соединение .

Поскольку эти валентные электроны являются общими для всех атомов, они не считаются связанными с каким-либо одним атомом. Это сильно отличается от ионных или ковалентных связей, где электроны удерживаются одним или двумя атомами.Таким образом, металлическая связь получается прочной и однородной. Поскольку электроны притягиваются ко многим атомам, они обладают значительной подвижностью, что обеспечивает хорошую теплопроводность и электропроводность металлов.

Выше точки плавления металлы являются жидкостями, а их атомы расположены беспорядочно и относительно свободно перемещаются. Однако при охлаждении ниже температуры плавления металлы перестраиваются, образуя упорядоченные кристаллические структуры.

Рисунок 2: Расположение атомов в жидкости и твердом теле.

Кристаллы

Для образования наиболее прочных металлических связей металлы упаковываются как можно плотнее. Возможны несколько вариантов упаковки. Вместо атомов представьте себе шарики, которые нужно упаковать в коробку. Шарики помещали на дно коробки аккуратными упорядоченными рядами, а затем начинали второй слой. Второй слой шариков нельзя размещать непосредственно поверх других шариков, поэтому ряды шариков в этом слое перемещаются в промежутки между шариками первого слоя.Первый слой мрамора может быть обозначен как A, а второй слой как B, давая двум слоям обозначение AB.

Рисунок 3: AB упаковка сфер. Обратите внимание, что сферы слоя B помещаются в отверстия в слое A.

Укладка мрамора в третий слой требует решения. Снова ряды атомов будут гнездиться в полостях между атомами во втором слое, но существуют две возможности.Если ряды мрамора уложены так, что они находятся непосредственно над первым слоем (A), то расположение можно описать как ABA. Такое устройство насадки с чередующимися слоями будет обозначено как ABABAB. Такое расположение ABAB называется гексагональной плотной упаковкой (HCP).

Если ряды атомов упакованы в этом третьем слое так, чтобы они не лежали над атомами в слое A или B, то третий слой называется C. Эта последовательность упаковки будет обозначена ABCABC и также известна как гранецентрированный кубик (ГЦК).Оба устройства обеспечивают максимально плотную упаковку сфер, оставляя пустой лишь около четверти доступного пространства.

Наименьший повторяющийся массив атомов в кристалле называется элементарной ячейкой. Третье распространенное устройство упаковки в металлах, объемно-центрированная кубическая (ОЦК) элементарная ячейка, имеет атомы в каждом из восьми углов куба плюс один атом в центре куба. Поскольку каждый из угловых атомов является углом другого куба, угловые атомы в каждой элементарной ячейке будут разделены между восемью элементарными ячейками.Элементарная ячейка ОЦК состоит из двух атомов, одного в центре и восьми восьмых от углов.

В схеме FCC также есть восемь атомов в углах элементарной ячейки и по одному центру на каждой из граней. Атом в грани делится с соседней ячейкой. Элементарные ячейки FCC состоят из четырех атомов, восемь восьмых по углам и шесть половин на гранях. В таблице 1 показаны стабильные кристаллические структуры при комнатной температуре для нескольких элементарных металлов.

Таблица 1: Кристаллическая структура некоторых металлов (при комнатной температуре)

 Золото  

900 40

 Platinum 

Структуры элементарных ячеек определяют некоторые свойства металлов.Например, структуры FCC с большей вероятностью будут пластичными, чем BCC (объемно-центрированная кубическая) или HCP (гексагональная плотноупакованная). На рисунке 4 показаны элементарные ячейки FCC и BCC. (См. Активность кристаллической структуры)

Рисунок 4: элементарных ячеек для BCC и FCC.

Когда атомы расплавленного металла начинают собираться вместе, образуя кристаллическую решетку в точке замерзания, группы этих атомов образуют крошечные кристаллы.Эти крошечные кристаллы увеличиваются в размере за счет постепенного добавления атомов. Получающееся твердое вещество представляет собой не один кристалл, а на самом деле множество более мелких кристаллов, называемых зернами. Эти зерна растут до тех пор, пока не столкнутся с соседними растущими кристаллами. Образовавшаяся между ними граница раздела называется границей зерен. Иногда зерна бывают достаточно крупными, чтобы их можно было увидеть под обычным световым микроскопом или даже невооруженным глазом. Блестки, которые видны на недавно оцинкованном металле, представляют собой зерна. (См. Модель активности металлов с помощью частиц). На рисунке 5 показан типичный вид металлической поверхности с множеством зерен или кристаллов.

Рисунок 5: зерен и границ зерен металла.

Дефекты кристалла:

Металлические кристаллы не идеальны. Иногда есть пустые места, называемые вакансиями, где отсутствует атом. Другой распространенный дефект в металлах - дислокации, которые представляют собой линии дефектного соединения. На рисунке 6 показан один тип дислокации.

Рисунок 6: Поперечное сечение краевого дислокации, которое распространяется на страницу. Обратите внимание, как плоскость в центре заканчивается внутри кристалла.

Эти и другие дефекты, а также наличие зерен и границ зерен определяют многие механические свойства металлов. Когда к металлу прикладывается напряжение, возникают дислокации, которые перемещаются, позволяя металлу деформироваться.

Механические свойства:

Когда к металлам прикладываются небольшие нагрузки (напряжения), они деформируются и возвращаются к своей исходной форме при снятии нагрузки. Гибка стального листа является примером, когда скрепления изгибаются или растягиваются только на небольшой процент.Это называется упругой деформацией и включает временное растяжение или искривление связей между атомами.

Рисунок 7: Упругая деформация в металлическом стержне.

При приложении более высоких напряжений возникает остаточная (пластическая) деформация. Например, если скрепку сильно согнуть, а затем отпустить, она останется частично согнутой. Эта пластическая деформация включает разрыв связей, часто в результате движения дислокаций. См. Рис. 8. Дислокации легко перемещаются в металлах из-за делокализованной связи, но не перемещаются легко в керамике.Это во многом объясняет, почему металлы пластичны, а керамика - хрупка.

Рисунок 8: Движение дислокации в кристалле.

Если поместить под слишком большое напряжение, металлы будут механически разрушаться или ломаться. Со временем это также может быть результатом множества небольших нагрузок. Наиболее частая причина (около 80%) выхода металла из строя - усталость. Благодаря приложению и снятию небольших напряжений (до миллионов раз) по мере использования металла в нем образуются и медленно растут небольшие трещины.Со временем металл деформируется или ломается (ломается). (См. Раздел «Обработка металлов»)

Обработка:

В промышленности расплавленный металл охлаждают для образования твердого тела. Затем твердому металлу механически формируют конкретный продукт. Очень важно, как выполняются эти этапы, поскольку нагрев и пластическая деформация могут сильно повлиять на механические свойства металла.

Влияние размера зерна:

Давно известно, что свойства некоторых металлов можно изменять путем термической обработки.Зерна в металлах имеют тенденцию увеличиваться в размерах при нагревании металла. Зерно может увеличиваться в размерах за счет миграции атомов из другого зерна, которые в конечном итоге могут исчезнуть. Дислокации не могут легко пересекать границы зерен, поэтому размер зерен определяет, насколько легко дислокации могут перемещаться. Как и ожидалось, металлы с мелкими зернами прочнее, но менее пластичны. На рис. 5 показан пример зеренной структуры металлов.

Закалка и закалка:

Есть много способов термической обработки металлов.Отжиг - это процесс размягчения, при котором металлы нагревают, а затем дают медленно остыть. Большинство сталей можно закалить путем нагрева и закалки (быстрого охлаждения). Этот процесс использовался довольно рано в истории обработки стали. Фактически, считалось, что биологические жидкости являются лучшими гасящими жидкостями, и иногда использовалась моча. В некоторых древних цивилизациях раскаленные лезвия меча иногда вонзались в тела несчастных заключенных! Сегодня металлы закаливают в воде или масле.На самом деле закалка в растворах соленой воды происходит быстрее, поэтому древние не совсем ошибались.

В результате закалки металл становится очень твердым, но при этом хрупким. Осторожно нагревая закаленный металл и давая ему медленно остыть, вы получите металл, который останется твердым, но менее хрупким. Этот процесс известен как темперирование. (См. «Обработка металлов»). Это приводит к появлению большого количества мелких выделений Fe ₃ C в стали, которые блокируют движение дислокаций, тем самым обеспечивая упрочнение.

Холодная обработка:

Поскольку пластическая деформация возникает в результате движения дислокаций, металлы можно упрочнять, предотвращая это движение. Когда металл изгибается или приобретает форму, возникают и перемещаются дислокации. По мере увеличения количества дислокаций в кристалле они будут запутываться или скрепляться и не смогут двигаться. Это укрепит металл и усложнит его деформацию. Этот процесс известен как холодная обработка. При более высоких температурах дислокации могут перестраиваться, поэтому упрочнение происходит незначительно.

Можно попробовать со скрепкой. Разогните скрепку и несколько раз согните одну из прямых частей вперед-назад. Представьте себе, что происходит на атомарном уровне. Обратите внимание, что металл сложнее согнуть в одном месте. Вывихи образовались и запутались, увеличивая прочность. Скрепка со временем сломается на изгибе. Очевидно, что холодная обработка работает только до определенной степени! Слишком большая деформация приводит к запутыванию дислокаций, которые не могут двигаться, поэтому металл ломается.

Нагревание устраняет последствия холодной обработки. При нагревании холоднодеформированных металлов происходит перекристаллизация. Новые зерна образуются и растут, чтобы потреблять холодно обработанную часть. В новых зернах меньше дислокаций, и восстанавливаются первоначальные свойства.

Сплавы:

Наличие в металле других элементов также может изменить его свойства, иногда резко. Расположение и вид связи в металлах позволяет добавлять другие элементы в структуру, образуя смеси металлов, называемые сплавами.Даже если добавленные элементы являются неметаллами, сплавы могут иметь металлические свойства.

Медные сплавы производились в самом начале нашей истории. Бронза, сплав меди и олова, была первым известным сплавом. Его было легко получить, просто добавив олово к расплавленной меди. Орудия и оружие из этого сплава были прочнее, чем из чистой меди. Добавление цинка к меди дает еще один сплав - латунь. Хотя латунь труднее производить, чем бронзу, она была известна и в древние времена.(См. «Золотая» Пенни Активность) Типичный состав некоторых сплавов приведен в Таблице 2.

Таблица 2: Состав нескольких сплавов.

Сплавы представляют собой смеси, и их процентный состав может варьироваться.Это полезно, потому что свойствами сплавов можно управлять, варьируя состав. Например, электрикам нужен припой с другими свойствами, чем у сантехников. Электрический припой очень быстро затвердевает, образуя почти мгновенное соединение. Это будет непрактично для сантехников, которым нужно время, чтобы установить соединение. Электрический припой содержит около 60% олова, тогда как припой для сантехников - около 30%.

Первоначально олово содержало свинец, а поскольку олово использовалось для изготовления тарелок и кубков, вероятно, оно было источником отравления свинцом.Изготовленный сегодня олово не содержит свинца. Расширение знаний о свойствах металлов также приводит к созданию новых сплавов. Некоторые латуни образуют сплавы с памятью формы, которые можно сгибать и возвращать к своей первоначальной форме при осторожном нагревании. Цинковые сплавы, используемые в качестве покрытия на стали, замедляют коррозию (оцинкованная сталь). Сплавы кадмия находят широкое применение в солнечных элементах. Способность мельхиора противостоять образованию отложений делает его полезным в садках в рыбоводстве.

Чугун и сталь:

Углеродистые стали различаются по процентному содержанию углерода.Количество углерода влияет на свойства стали и ее пригодность для конкретного использования. Стали редко содержат более 1% углерода. Конструкционная сталь содержит около 0,1-0,2% углерода по весу; это делает его немного более пластичным и менее склонным к разрушению во время землетрясений. Сталь, используемая для изготовления инструментов, содержит около 0,5-1% углерода, что делает ее более твердой и износостойкой. Чугун содержит от 2,5 до 4% углерода и находит применение в недорогих приложениях, где его хрупкость не является проблемой. Удивительно, но чистое железо чрезвычайно мягкое и используется редко.Увеличение количества углерода приводит к увеличению твердости металла, как показано на следующем графике. В медленно охлаждаемых сталях углерод увеличивает количество твердого Fe ₃ C; в закаленных сталях он также увеличивает твердость и прочность материала.

Рисунок 9: Зависимость твердости стали от% углерода.

Рисунок 10: BCC железа, показывающее расположение межузельных атомов углерода.

Заколки для бобби и скрепки обрабатываются практически одинаково, но содержат разное количество углерода.Заколки и скрепки изготовлены из холоднокатанной стальной проволоки. Скрепка, содержащая мало углерода, в основном состоит из чистого Fe с некоторым количеством частиц Fe ₃ C. Заколка для шкворня имеет больше углерода и, следовательно, содержит большее количество Fe ₃ C, что делает ее намного более твердой и прочной.

Свойства стали могут быть адаптированы для специальных целей путем добавления в сплав других металлов. Среди металлов, добавляемых к этим специальным сталям, - титан, ванадий, молибден и марганец.Нержавеющая сталь содержит минимум 12% хрома, который останавливает дальнейшее окисление, образуя защитный оксид на поверхности.

Коррозия:

Коррозия металлов может быть серьезной проблемой, особенно при длительном применении в конструкциях, таких как автомобили, мосты и корабли. В большинстве случаев коррозия носит электрохимический (гальванический) характер. Для возникновения коррозии должны присутствовать анод (более легко окисляемая область) и катод (менее легко окисляемая область). Это могут быть разные типы металлов или просто разные участки одного и того же металла.Также должен присутствовать какой-то электролит, который может обеспечивать перенос электронов. Коррозия включает высвобождение электронов на аноде из-за высокого окислительного потенциала атомов на аноде. Когда электроны высвобождаются, образуются катионы металлов, и металл распадается. Одновременно катод, который имеет больший восстановительный потенциал, принимает электроны, либо образуя отрицательные ионы, либо нейтрализуя положительные ионы.

В случае серии активности или электродвижущей силы металл, такой как цинк, реагирует с водородом и служит как анодом, так и катодом.(См. Активность серии действий) Уравнение этой реакции:

2 Zn + 2 H ⁺ -> 2 Zn ²⁺ + H ₂

Пузырьки водорода на катоде при разрушении анода. Неровности поверхности, наличие примесей, ориентация зерен, локализованные напряжения и изменения окружающей среды - вот некоторые из факторов, определяющих, почему один кусок металла может служить обоими электродами. Например, головка и острие гвоздя обработаны холодным способом и могут служить анодом, а корпус - катодом.(См. Коррозия от активности железа)

Хотя окисление на аноде и восстановление на катоде - одновременные процессы, коррозия обычно происходит на аноде. Катод почти никогда не разрушается. В 1824 году Дэви разработал метод защиты корпусов кораблей от коррозии с помощью цинка, который можно периодически заменять. Цинк более активен, чем сталь в корпусе, и будет служить анодом и подвергаться коррозии; им приносят в жертву защиту стальной конструкции. Сталь, которая была бы и анодом, и катодом, обычно служит катодом.Это называется катодной защитой. Трубопроводы также защищены более активным металлическим магнием. Иногда электрические токи поддерживаются в коротких отрезках трубопроводов с такой же металлической проволокой, которая служит жертвенным анодом.

Коррозия - серьезная проблема, которую необходимо решить для эффективного использования металлов. Железо соединяется с кислородом воздуха, образуя оксид железа (ржавчину), в конечном итоге разрушая полезность металла. (См. Дополнительно: действие химического обогрева рук). К счастью, некоторые металлы, такие как алюминий и хром, образуют защитное оксидное покрытие, предотвращающее дальнейшее окисление (коррозию).Точно так же медь соединяется с серой и кислородом, образуя знакомую зеленую патину.

Понимание химии металлов ведет к разработке методов уменьшения и предотвращения коррозии. Атомы хрома примерно того же размера, что и атомы железа, и могут замещать их в кристаллах железа. Хром образует оксидный слой, который позволяет нержавеющей стали противостоять коррозии. Металлы можно окрашивать или покрывать другими металлами; оцинкованная (оцинкованная) сталь является примером. Когда эти два металла используются вместе, более активный цинк корродирует, жертвуя собой ради сохранения стали.

Металлические руды:

Золото, серебро и медь были первыми металлами, которые использовались, потому что они находятся в свободном или элементарном состоянии. Большинство металлов, встречающихся в природе, сочетаются с другими элементами, такими как кислород и сера. Энергия необходима для извлечения металлов из этих соединений или руд. Исторически сложилось так, что легкость, с которой данный металл может быть извлечена из руды, наряду с доступностью, определялась при его использовании, отсюда и раннее использование меди, олова и железа.Формулы для некоторых руд приведены ниже:

C

Эти руды представляют собой ионные соединения, в которых металлы существуют в виде положительных ионов.Например, степень окисления железа в гематите +3; степень окисления меди в халькоците +1. Извлечение металлов из их руд - это окислительно-восстановительная (Redox) реакция. В элементарном состоянии металлы состоят из атомов, а не ионов. Поскольку у атомов нет общего заряда, ионы металлов в реакции приобретают электроны; они уменьшены.

Общая реакция восстановления меди из халькоцита:

Cu ₂ S + O ₂ + Энергия -> 2 Cu + SO ₂

Это только общая реакция.Весь процесс не так прост. Восстановление металлов из их руд обычно требует ряда химических и механических процессов. Обычно они энергетически дороги, потребляют большое количество тепла и / или электроэнергии. Например, около пяти процентов электроэнергии, потребляемой в Соединенных Штатах, используется для производства алюминия. Изготовление алюминиевой консервной банки, начиная с руды, стоит примерно в сто раз дороже, чем плавление и образование переработанного алюминия. Извлечение металлов из руд может также приводить к образованию загрязнителей, таких как диоксид серы, указанный выше.По возможности, переработка и переработка металлов имеет смысл.

Относительная сложность извлечения металлов из руд указывает на то, что это их предпочтительное состояние. После удаления из руд и в элементарном состоянии большинство металлов проявляют значительную тенденцию реагировать с кислородом и серой и возвращаться в свое естественное состояние; они разъедают! При коррозии металл окисляется. Он теряет электроны, становясь положительным ионом. (См. Раздел «Коррозия металлов»)

Сводка по металлам

Металлы обладают полезными свойствами, включая прочность, пластичность, высокие температуры плавления, термическую и электрическую проводимость и ударную вязкость.Они широко используются в конструкциях и электротехнике. Понимание структуры металлов может помочь нам понять их свойства.

Атомы металлов связаны друг с другом прочными делокализованными связями. Эти связи образуются облаком валентных электронов, которые разделяются между положительными ионами (катионами) металлов в кристаллической решетке. В таком расположении валентные электроны обладают значительной подвижностью и могут легко проводить тепло и электричество. В кристаллической решетке атомы металлов плотно упакованы вместе, чтобы максимизировать прочность связей.Настоящий кусок металла состоит из множества крошечных кристаллов, называемых зернами, которые касаются границ зерен.

Из-за делокализованной природы связей атомы металлов могут скользить мимо друг друга, когда металл деформируется, вместо того, чтобы разрушаться, как хрупкий материал. Это движение атомов осуществляется за счет образования и движения дислокаций в решетке. Технологии обработки, которые изменяют связь между атомами или влияют на количество или подвижность дислокаций, могут иметь большое влияние на механические свойства металла.

Упругая деформация металла - это небольшое изменение формы при низком напряжении, которое можно восстановить после снятия напряжения. Этот тип деформации включает растяжение металлических связей, но атомы не скользят друг мимо друга. Пластическая деформация возникает, когда напряжение достаточно для постоянной деформации металла. Этот тип деформации включает разрыв связей, обычно за счет движения дислокаций.

Пластическая деформация приводит к образованию большего количества дислокаций в металлической решетке.Это может привести к снижению подвижности этих дислокаций из-за их тенденции запутываться или скрепляться. Пластическая деформация при температурах, достаточно низких, чтобы атомы не могли перегруппироваться (холодная обработка), может упрочнять металл в результате этого эффекта. Одним из побочных эффектов является то, что металл становится более хрупким. При использовании металла трещины имеют тенденцию образовываться и расти, что в конечном итоге приводит к его разрушению или разрушению.

Дислокации не могут легко пересекать границы зерен. Если металл нагреть, зерна могут стать больше, а материал станет мягче.Нагревание металла и быстрое охлаждение (закалка) с последующим легким нагревом (отпуском) приводит к более твердому материалу из-за образования множества мелких выделений Fe ₃ C, которые блокируют дислокации.

Смешивание металлов с другими металлами или неметаллами может привести к получению сплавов с желаемыми свойствами. Сталь, полученная из железа и углерода, может существенно различаться по твердости в зависимости от количества добавленного углерода и способа ее обработки. Некоторые сплавы обладают более высокой устойчивостью к коррозии.

Коррозия - основная проблема большинства металлов. Это окислительно-восстановительная реакция, в которой атомы металла образуют ионы, вызывающие ослабление металла. Один из методов, который был разработан для борьбы с коррозией в конструкциях, включает прикрепление расходуемого анода, сделанного из металла с более высоким окислительным потенциалом. В этом случае анод подвергается коррозии, оставляя катод, конструктивную часть, неповрежденным. Образование защитного покрытия на внешней стороне металла также может противостоять коррозии.Стали, содержащие металлический хром, образуют защитное покрытие из оксида хрома. Алюминий также устойчив к коррозии благодаря образованию прочного оксидного покрытия. Медь образует знакомую зеленую патину, реагируя с серой и кислородом в воздухе.

В природе можно найти лишь несколько чистых металлов. Большинство металлов существует в виде руд, соединений металла с кислородом или серой. Для отделения чистого металла от руды часто требуется большое количество энергии в виде тепла и / или электричества. Из-за такого большого расхода энергии имеет смысл по возможности утилизировать металлы.

Вопросы для обсуждения

1. Как руды добываются из земли?

2. Назовите 4 сплава и металлы, из которых они сделаны.

3. Какое влияние оказывает «холодная обработка» на металлы?

4. Какой процесс делает металлы твердыми, но хрупкими?

5. Какой процесс делает металлы мягче и удобнее в обработке?

6. Назовите три метода уменьшения коррозии.

7. Дайте 2 ценных результата переработки.

Проблема

Предположим, что радиус одного атома железа равен 1,24 ангстрем (1 ангстрем = 1 x 10 ^-8 см). Какой будет плотность объемно центрированного кубического (ОЦК) железа в граммах на кубический сантиметр? Подсказка: найдите массу и объем одной элементарной ячейки. Не забудьте считать только доли каждого атома в ячейке.

Добавочный номер:

Максимальная растворимость углерода в железе ОЦК составляет один атом на каждые 5000 атомов железа.Какой будет плотность стали при максимальном растворении углерода?

Решение

= m / V = ​​# атомов x (масса / атом) / объем ячейки

В ОЦК-железе на элементарную ячейку приходится два атома железа. (8 х 1/8 + 1)

Один атом железа имеет массу 55,85 а.е.м. или 9,27 x 10 ^-23 граммов.

Общая масса одной элементарной ячейки составляет 1,85 x 10 ^-22 граммов.

Пусть (r) будет радиус атома железа.Атомы в углах контактируют с атомом в середине, в результате чего диагональ коробки равна (4r).

Если мы назовем одну сторону коробки (L), диагональ грани куба будет равна (квадратный корень из 2) умноженным на (L).

Одна сторона, диагональ грани куба и диагональ прямоугольника образуют прямоугольный треугольник. Используя теорему Пифагора, (L) ² + (квадратный корень 2 x (L)) ² = (4r) ² .

Решая для L и подставляя для (r), мы находим, что L = 2.86 ангстрем или 2,86 x 10 ^-8 см.

Объем куба (элементарной ячейки) равен (л) ³ = 2,34 x 10 ^-23 см ³ . Разделив массу на объем, получим:

Плотность = 7,91 г / см ³ .

Следующая тема: Список литературы
Металлы Содержание
МАСТ Домашняя страница

.

Научные принципы

Научные принципы

Проводники, изоляторы и полупроводники:

Все материалы обладают электрическими свойствами, которые позволяют им быть
организован в
три широкие категории: проводники, изоляторы и полупроводники.
Металлы (чистые элементы и сплавы) обычно являются проводниками.
из
электричество. Тысячи миль алюминиевых и медных проводов
пересечь
страна приносит электричество в наши дома и на работу.
относительно
небольшое количество неметаллических веществ также можно отнести к классу
проводники.
Кроме того, очень немногие керамические соединения показали необычные
собственностью
сверхпроводимость при низкой температуре жидкого азота или
ниже.
неметаллические элементы и их соединения относятся к классу
электрический
изоляторы. Большинство керамических и пластмассовых материалов не проводят электричество.
под
обычные обстоятельства. Часто встречаются пластиковые покрытия.
покрытие меди
провода, чтобы защитить пользователя от ударов и предохранить устройства от короткого замыкания
замыканию.Керамические ручки используются там, где электрические провода прикреплены к
электрические столбы или
к задней части дома. Третья группа материалов,
полупроводники, банка
быть понятым из их имени, оказаться где-то посередине между
проводники и
изоляторы.

Хотя чистые элементы, такие как кремний, играют важную роль в
много
полупроводниковые приборы, это чаще всего используется путем добавления очень
маленький, но
контролируемое количество примесей с целью изменения его свойств.Материалы на основе кремния преобладают в полупроводниковой промышленности и
в
электронные устройства, такие как компьютеры и калькуляторы, но ряд
Другой
соединения также широко используются, включая GaAs (или галлий
арсенид), который
это материал, используемый в лазере проигрывателя компакт-дисков. Несколько других
комбинации
элементы, проявляющие полупроводниковые свойства, указаны на
периодический
таблицу ниже (см. рисунок 1). В чтениях и лабораторных занятиях
что следует,
акцент делается на том, что такое полупроводниковые материалы, как они
использовал, что
свойства, которыми они обладают, и почему они так себя ведут.

Рисунок 1: элементов, обнаруженных в элементах и ​​соединениях
полупроводники. группа
IV - элементарные полупроводники. Составные полупроводники
может быть сформирован
объединение групп III и V или II и VI.

Электрическая проводимость:

Электропроводность - это функция способности материала
нести
электрический ток. Электропроводность () материала равна
определяется
взяв обратную величину измеренного электрического
сопротивление (R) к
поток электричества в длине (L) материала, деленный на
площадь поперечного сечения (A).

См. Рисунок 2 для сравнения удельной электропроводности материалов.
Проводимость
зависит от температуры. При повышении температуры
проводимость
металл уменьшается. Напротив, проводимость чистого
полупроводники и
изоляторов увеличивается с повышением температуры. Контроль и
изменения
проводимость материалов - одна из проблем, стоящих перед
электронный
материаловеды.

Рисунок 2: Электропроводность некоторых распространенных
материалы.

При приложении электрического поля электроны могут проходить через
материал, если
есть пустые состояния во внешних (валентных) оболочках атомов
которые составляют
материал. Электрон не будет легко перемещаться между атомами
если есть
не вакантное состояние аналогичной энергии в принимающем атоме для него
оккупировать.
Мы моделируем пустое и заполненное состояния (энергия электронов
уровни) с использованием
квантовая теория. Один атом имеет электроны, локализованные около
сам.
атомная орбиталь одного атома может перекрываться с атомной
орбиталь другого
атом, образующий две молекулярные орбитали. Один, называемый связью
молекулярная
орбитальный, имеет низкую энергию, а другой с более высокой энергией -
называется
антисвязывающая молекулярная орбиталь. Поскольку все больше и больше атомов собираются в
сформировать
сплошной, количество связывающих и антисвязывающих орбиталей около
та же энергия
увеличивается, и они начинают приобретать характеристики
энергия
группа.(См. Рисунок 3). Энергетические различия между
орбитали в
полоса небольшая. Электроны могут свободно перемещаться между этими орбиталями.
в пределах
энергетическая полоса, пока орбитали не полностью заняты.
Самый высокий
занятая энергетическая зона называется валентной зоной. Но есть
это регион
который отделяет валентную зону от зоны проводимости
где есть
нет орбиталей. Электроны не могут иметь такую ​​энергию. В
изоляторы,
эта запрещенная зона относительно велика, и в полупроводниках
энергетический разрыв составляет
промежуточный.

Рисунок 3: Энергетические зоны металлов, полупроводников и
изоляторы. Для
изоляторы и полупроводники, нижняя полоса называется
валентная группа
а верхняя полоса называется зоной проводимости.
нижняя энергетическая полоса в
металл частично заполнен электронами.

Атомы, образующие металлические проводники, имеют много частично и полностью
незанятый
уровни с близкими энергиями: большое количество подвижных зарядов
перевозчики
может перемещаться по материалу, когда электрический потенциал
(напряжение) равно
приложенное.В полупроводнике или изоляторе валентная зона имеет вид
полностью
заполнены электронами в связующих состояниях, так что проводимость не может
происходят. Там
на соседних атомах отсутствуют вакантные уровни с одинаковой энергией. В
полный ноль,
его антисвязывающие состояния (зона проводимости) полностью пусты.
Есть
нет электронов, проводящих электричество. Вот почему изоляторы
не может
поведение. В случае полупроводников при повышении температуры
электроны в
валентная зона приобретает достаточно энергии для продвижения через
энергия
разрыв »в зону проводимости.Когда это происходит, эти повышенные
электроны могут
двигаться и проводить электричество. Чем меньше ширина запрещенной зоны, тем
легче это
для электронов переходить в зону проводимости.

Аналогия:

Может помочь аналогия для объяснения этого процесса проведения. Представить

автомагистраль в Лос-Анджелесе с четырьмя полосами местного движения и четырьмя
экспресс
полосы движения на север (направление, противоположное электрическому полю). Сейчас
представить
что строительство остановило движение на всех скоростных полосах
(валентная полоса).Между тем местные полосы движения (полоса проводимости) полностью закрыты.
опорожнить
потому что все решили ехать по экспресс-полосам, чтобы ехать быстрее.
Никто не может
двигаться по экспресс-полосам, а на местных полосах нет машин
так что никто
попадает куда угодно. Неожиданно футбольная команда LA Raiders (жара
энергия) выходит
другого автобуса застрял в пробке и решает поднять
барьер
(энергетическая щель) в местные переулки. Чем выше барьер,
медленнее
команда поднимет машины через барьер, и меньшее количество машин доберется до
шаг.Каждый раз, когда автомобиль поднимается над барьером, он начинает двигаться так
"текущий поток"
начинается. Каждый раз, когда автомобиль снимается с полосы скоростного движения, другие
машины могут двигаться
в отверстие, которое он оставляет, поэтому немного тока также переносится
там (в
валентная зона). Обратите внимание, что машина на местных полосах движется по
напротив
направление от дыры осталось! К сожалению, машины в
местный
полосы время от времени сходятся на съездах, и
экспресс
дорожки, чтобы заполнить дыры, поэтому только ограниченное количество тока может
течь.

Эта аналогия хорошо подходит для объяснения проводимости в чистом виде.
(Внутренняя)
полупроводники, в которых носители заряда происходят из химических
облигации в
само вещество. Тепловая энергия в полупроводнике увеличивает
количество
электроны продвигаются в пустую зону проводимости;
вакансии (или
дырок), создаваемые в этом процессе, обеспечивают подвижность электронов в
валентная полоса
через материал. При высоких температурах эти полупроводники
относительно
хорошие проводники, потому что в них больше электронов

зона проводимости и дыры в валентной зоне, доступные для
движение электронов.Но при низких температурах собственные полупроводники являются изоляторами.
так как
количество электронов и дырок уменьшается. При абсолютном нуле
свойственный
полупроводник не имел бы электронов в зоне проводимости.
Однако
наиболее важные полупроводники относятся к внешнему типу,
где некоторые
примесь (другой элемент) была намеренно добавлена ​​в
твердый для
увеличить проводимость. Свойства внешнего
полупроводники
регулируется наличием этих примесей.

Допинг:

Легирование может дать два типа полупроводников в зависимости от
элемент
добавлено. Если элемент, используемый для легирования, имеет хотя бы еще один
валентный электрон
чем основной полупроводник, то n-тип (отрицательный тип)
полупроводник создан. Например, если добавлен мышьяк
к кремнию
кристалл, мышьяк имеет на один валентный электрон (5) больше, чем
кремний (4).
Этот дополнительный электрон может переносить ток.Итак, как атом
в Си
как машина, которая решает выехать на местные переулки Лос-Анджелеса
автострада с
скоростные полосы забиты. С кремнием или другой группой IV
полупроводники, любые
член Группы V (азот не используется) мог образовывать n-тип
полупроводник.
Если полупроводник легирован элементом, имеющим хотя бы один
меньше электронов
чем основной материал, то р-тип (положительный тип)
полупроводник. Например, если кремний легирован
с участием
алюминия (три валентных электрона), в
валентная полоса.Опять же, любой член Группы III мог легировать основной полупроводник из
Группа IV и
показать тот же эффект. Твердое тело будет иметь "положительное" отверстие в
его электронный
структура, которая двигалась бы в направлении, противоположном электрону
течь .
Таким образом будет сформирован полупроводник p-типа. Это было бы как если бы
футбол
команда подняла машину и поставила ее на середину между
скоростные полосы и
местные переулки. Допинг нельзя применять до такой степени, чтобы
беспокоит
кристаллическая структура основного полупроводника.Допинг делается в
диапазон
частей на миллион концентраций, но может достигать нескольких частей
за тысячу.
Полупроводник, легированный до нескольких частей на тысячу уровней, имеет
проводимость
близок к таковому из плохого металла. Обдумываемый вопрос о рисунке 4:
Почему
уровни примесей n-типа и p-типа немного отличаются
из
уровни в собственном полупроводнике?

Рисунок 4: Полупроводник p-типа и n-типа.Пятый
валентный электрон
легирующей примеси n-типа может легко перейти в проводимость
группа и носить
ток. В полупроводнике p-типа электроны
легко продвинулся в
вакантный уровень в допанте. Это создает дыру в
валентная полоса, которая
может переносить ток, двигаясь в направлении, противоположном
электронный поток.

Концепция отверстия :

Несколько дополнительных аналогий могут помочь объяснить дыру.
концепция.Для
На первый вам понадобится шесть стульев и пять студентов. Расстановка
шесть
стульев и попросите пять учеников сесть в ряд, оставив стул на
право
вакантными. Предположим, что клеммы внешнего тока положительны к
право
и отрицательный слева. Поскольку поток возбужденных электронов движется
сквозь
кристалл к положительному выводу, поэтому электроны из связанного
перемещение сайта
к положительной клемме в соседнее отверстие, в результате чего отверстие
мигрировать
к отрицательной клемме.Попросите учеников (электронов) двигаться
один стул
вправо; обратите внимание, что пустой стул (положительное отверстие) имеет
переехал,
фактически слева.

Для второй демонстрации требуется стеклянная пробирка, наполненная
глицерин и
закупоривают. Обязательно оставьте пузырек воздуха внутри пробки.
труба.
глицерин представляет собой электроны, а пузырь воздуха представляет собой
положительный
отверстия. Поскольку трубка переворачивается, и электроны движутся в своих
направление (вниз
- в этом случае из-за силы тяжести, но из-за положительной клеммы в
электронный
сценарий), воздушный пузырь движется в обратном направлении (вверх -
из-за плотности
различия в этом случае, но из-за влечения к отрицательному
терминал в
электрический шкаф.) После этих двух демонстраций должно быть
ясно, что
полупроводниковые дырки и электроны движутся противоположно
направления.

Рисунок 5: Схема пузырька (дыры), движущегося вверх в
перевернутый
пробирка с глицерином.

Применение и исследования:

Строительный блок большинства полупроводниковых устройств включает сочетание
р-тип и
Области n-типа в p-n переходы. Представьте себе, что приносит
вместе двое
кристаллы, один из которых n-типа, а другой p-типа.Некоторые из
электроны
от потока n-типа к материалу p-типа. В момент
где p-тип
и n-типа встречаются (интерфейс) электроны с n-стороны заполняют
дыры на
р-сторона и нарастание противоположно заряженных ионов, и
таким образом
потенциал через барьерные формы. Это накопление заряда
называется
потенциал перехода. Барьер предотвращает дальнейшую миграцию
электроны и
чистый ток равен нулю.

Если на p-n переход с отрицательным
Терминал
соединен с n-областью, а p-область соединена с
положительный
клемма, электроны будут течь к положительной клемме,
в то время
отверстия потекут к отрицательной клемме.Это называется
вперед
смещение и токи. Однако если положительный вывод
подключен
к n-типу и отрицательному, подключенному к p-типу, a
обратное смещение
формы и отсутствие текущих потоков из-за наращивания потенциала
барьер. В
другими словами, эти устройства должны быть включены в электрическую цепь.
с
соблюдайте полярность, иначе они не будут работать. Это приложение
п-п
переход используется во многих электронных устройствах. На рисунке 6 показан
формирование
потенциал на p-n переходе.На рисунке 7 показан эффект прямого
и отрицательный
смещение на p-n переходе.

Рисунок 6: p-n переход до и после двух материалов.
принес в
контакт. Когда два материала помещаются вместе,
электроны из
n-сторона совмещаем с отверстиями на p-стороне. это
приводит к положительному
заряд на n-стороне перехода и отрицательный заряд
накопление на
сторона p. Это разделение заряда создает соединение
потенциал.Примечание:
На стыке нет электронов и дырок, они имеют
в сочетании с каждым
Другой.

Рисунок 7: p-n переход при прямом и обратном смещении.
Обратите внимание, что в
прямое смещение, шлагбаум понижается, а в
обратное смещение,
барьер поднят.

Обдуманный вопрос: в каждом случае на Рисунке 7, какая сторона
подключен к
положительный вывод внешнего источника напряжения? Будут электроны или
дыры нести
ток, когда соединение имеет такое расположение?

Электронные устройства:

Есть много электронных устройств, которые работают с комбинациями
п-п
переходы, такие как диоды, солнечные элементы и транзисторы.В этом
раздел краткое
будет дано объяснение каждого из этих основных устройств.

Диод представляет собой приложение с p-n-переходом, которое действует как
выпрямитель для
преобразование переменного тока в постоянный.
Это связано с
способность диода пропускать ток в одном направлении, но
не в
Другой.

Солнечные элементы - это устройства с p-n-переходом, которые используют солнечный свет для создания
электрический
энергия. Это энергия солнечных фотонов, которая вызывает

электроны продвигаются в зоны проводимости и несут
ток.Однако ток, производимый солнечным элементом, невелик. Это
занимает много солнечных
ячеек, чтобы производить ток, достаточный для выполнения крупномасштабной работы. Если
выход энергии
от солнечных батарей может быть увеличено, солнечная энергия может быть использована для
больше, чем
отдельные, изолированные приложения.

Транзисторы - еще одно применение p-n перехода.
Транзисторы, в отличие от
диоды, содержат более одного p-n перехода. Из-за этого
транзистор может
использоваться в цепи для усиления небольшого напряжения или тока в
больший или
функционирует как двухпозиционный переключатель.Транзисторы бывают двух основных типов:
биполярный
переходные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET).
Примерно 95%
всех электронных систем используют один или оба этих типа
устройства.

БЮТ состоят из трех слоев легированных материалов, либо n-p-n
или п-н-п в
конфигурации. BJT действует как бугорок или плотина в открытом ручье.
контролировать
количество пропускаемого тока; таким образом, по мере того, как отбойник опускается, больше
текущий может
течь.В BJT высота выпуклости регулируется основанием
ток в
полупроводник. BJT был изобретен в 1948 году Джоном Бардином,
Вальтер
Бриттен и Уильям Шокли с использованием германия. BJT остались
только
важных трех терминальных полупроводниковых устройств около дюжины
годы спустя
их изобретение, и помогли запустить современную электронику
эпохи.

С начала 1960-х годов полевой транзистор считался одним из самых
важный
устройства в твердотельной технике.В настоящее время многие из
применения
BJT были заменены металл-оксидными полупроводниковыми полевыми транзисторами.
(МОП-транзисторы).
Полевые МОП-транзисторы теоретизировались много лет, прежде чем они смогли стать
изготовлен.
Причина, по которой полевые МОП-транзисторы не могли быть созданы, заключалась в том, что ученые не
еще развит
методы выращивания высококачественного диоксида кремния (SiO ₂ ) на
кремний. FET
функционирует больше как ворота для управления потоком тока (например,
клапан на
кран).Полевые транзисторы относительно просты в изготовлении по сравнению с
BJT, и они
зарекомендовали себя как чрезвычайно быстрые и надежные переключатели в миниатюрных размерах.
схема
компоненты с гораздо меньшим энергопотреблением, чем у BJT. Самый современный
микропроцессоры
основаны на устройствах FET - от чипов Pentium в ПК до процессоров
супер
компьютеры. Транзисторы, диоды и другие электронные устройства
объединены в
множество различных шаблонов для формирования современных интегральных схем.

Интегральная схема (ИС) была рабочей лошадкой
«микроэлектроника
эпоха », начавшаяся в конце 1950-х гг.Эти чипы, как правило, сделаны из
кремний,
состоят из комбинаций четырех основных электрических областей.
Эти регионы
содержат резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы.
С 1971 г.
Крупномасштабная интеграция (СБИС) позволила миллионы таких регионов
быть
изготовлен на микросхеме размером всего один квадратный сантиметр. Не только
эти
элементы схемы становятся меньше, они тоже становятся быстрее.
Например
современный типичный настольный компьютер на базе Pentium может выполнять десятки
миллионы
операций в секунду, тогда как современные суперкомпьютеры
оценен в
гигафлопс (миллиарды операций в секунду).Терафлоп (триллионы
из
операций в секунду) машины будут готовы к производству
2000 год.

Свойства и обработка электронных материалов:

Преобладание электронных материалов в данной информации
возраст должен в
частью нескольких фундаментальных научных открытий в
девятнадцатый век.
Большинство современных полупроводниковых устройств требуют химического
элементы кремний,
германий или галлий (в сочетании с мышьяком), но ни один из них не
было
изолированные или идентифицированные до 1824 г.Хотя кремний - второй
большинство
изобилие элемента в земной коре, оказалось очень трудно
отдельный
из его природных соединений, таких как диоксид кремния в обычном песке
и другие
силикатные минералы. Благодаря настойчивости и изобретательности шведский
химик по имени
Наконец Берцелиус получил неуловимый кремний. Он прореагировал кремнием
тетрафторид с металлическим калием и химически восстановил его от
его состав
чтобы впервые получить элемент кремний.

SiF ₄ + 4K ---> 4KF + Si

Более чем в десять тысяч раз более редким, чем кремний, существование
галлий и
германий даже не подозревался, пока таблица элементов
было предложено
Менделеева в 1868 году. В течение двух десятилетий открытие и
характеристика
из этих элементов ясно показали, что таблица Менделеева является инструментом,
не только для
запись химической информации, а также для прогнозирования результатов
химического
исследовательская работа.Наконец, эти же два элемента вместе с
кремний, который
предоставил полигон для исследования полупроводников
несколько
десятилетия спустя.

Согласно очень общим тенденциям свойств на периодической
стол, это может быть
показали, что элементы приобретают металлический характер, когда
собираться в
слева от точки (строки) или вниз по семейству (столбец). Таким образом было бы
ожидаемый
что самые металлические элементы будут найдены внизу слева
угол
стол и наименее металлический в правом верхнем углу.Это сделано
довольно
очевидно, отображая иллюстрированную периодическую таблицу. Eсть
постепенный
переход свойств с металлических на неметаллические при переходе к
право
через период и до семьи. Линия разделения обычно
размещен на
стол в виде лестничного узора с элементами
падающий на
сторона этой линии слабо классифицируется как полупроводники. Видеть
Рисунок 8.

Рисунок 8: Периодическая таблица элементов.Элементы к
слева от
жирная линия - металлы, а справа -
неметаллы. Выделенные
элементы являются элементарными полупроводниками или используются в составе
полупроводники.

В центре репрезентативных элементов IV группы (углерод
семья) элементы
были обнаружены некоторые очень важные свойства, которые
промежуточный
между металлическим и неметаллическим. Возможно, имеет наибольшее значение
это
характеристика полупроводника.Без свинца (и олова
ниже его
температура перехода), все остальные элементы семейства могут
иметь их
атомы расположены так же, как и в алмазе (чистый углерод).
В этом
форма, углерод обладает очень высоким сопротивлением току электричества;
таким образом это может
считается плохим проводником и классифицируется как электрический
изолятор.
С другой стороны, олово в его обычном кристаллическом расположении на
комната
температура, имеет относительно низкое сопротивление потоку
электричество; таким образом
это достаточно хороший электрический проводник, когда он
металлическая форма.Однако у олова есть температура перехода, выше которой оно имеет
кристалл алмаза
структура и гораздо более плохой проводник. И чистый кремний, и
чистый германий
ведут себя как идеальные изоляторы при абсолютном нуле (-273 ° C), но
при умеренном
температуры их сопротивление потоку электричества уменьшается
измеримо.
Так как они никогда не становятся хорошими дирижерами, они классифицируются как
электрический
полупроводники.

При выборе полупроводникового материала для электронных
приложений, ряд
факторов необходимо учитывать.Первостепенное значение имеет
собственная запрещенная зона
размер (разница в энергии между валентностью и проводимостью
группы).
Кроме того, обычные химические и физические свойства
основной материал
и его соединения также играют важную роль. Кремний имеет
преимущество
образуя защитный оксид поверхности при нагревании в кислороде. кремний
также формирует
стабильные проводящие соединения со многими другими элементами, включая
металлы, которые
помочь произвести к нему стабильные электрические контакты.

Как и углерод, кремний имеет четыре электрона, которые можно использовать для
связь, и это
называется четырехвалентным. Кремний образует несколько соединений, которые
аналогичны
углеродным, например, силану (SiH ₄ ) соответствует
метан (CH ₄ ),
и тетрахлорид кремния с четыреххлористым углеродом. В этих
соединения, оба
углерод и кремний сосредоточены между четырьмя другими
равномерно распределенный
элементы, образующие тетраэдрическую геометрию молекулы.В своем
расширенные соединения
как силикаты в кварце, каждый атом кремния окружен
четыре кислорода
атомы в открытой тетраэдрической сетке. Когда кремний очищается в
его
элементарной формы, он имеет молекулярную геометрию, подобную алмазу
где каждый
атом кремния окружен четырьмя другими атомами, которые окружены
четыре и так
в расширенной сети.

Материалы на основе арсенида галлия очень полезны в оптоэлектронике.
потому что они
позволяют высокоэффективное поглощение и излучение света.Будущее
исследования будут
сосредоточиться на максимальном использовании полезных свойств каждого из этих
материалы
смешивание и наслоение их для улучшения оптоэлектронной чувствительности,
потребляемая мощность
и скорость передачи сигнала.

Производство полупроводников состоит из двух основных этапов.
схемы для
компьютеры и другие электронные устройства, рост и производство.
Во-первых, это
необходимо для выращивания почти идеальных кристаллов полупроводника
материал, который
нарезаются на тонкие плоские диски, называемые вафлями.Второй шаг,
устройство
изготовление, включает формирование схемы, травление или
депонирование
компоненты схемы на пластине, а затем секционирование большего
вафли в
кусочки меньшего размера, называемые штампами. Изготовление устройств может
иногда
задействовать более ста шагов.

Рост кристалла:

Выращиваются крупные монокристаллы полупроводников (Si и GaAs).
из расплава
используя технику Чохральского.Сырье (чистое, как
возможно)
помещают в тигель и нагревают до температуры выше его плавления
точка.
затравочный кристалл помещается в расплавленный полупроводник и извлекается.
медленно в
вращающаяся мода. Этот метод можно использовать для выращивания кристаллов как
большой как двенадцать
дюймов в диаметре. Конечный кристалл имеет цилиндрическую форму и
должен быть разрезан
на тонкие диски с помощью пилы с алмазным напылением. Эти вафли затем
полированная
с использованием зерен из очень твердых мелких частиц, таких как диоксид кремния (SiO ₂ ).Из-за
характер процесса затвердевания, окончательный твердый полупроводник
чище
чем сырье, которое было использовано для его производства. См. Рисунок 9.

Рисунок 9: Техника Чохральского для выращивания одиночных
кристалл
полупроводники.

Изготовление схемы:

После того, как полупроводниковые пластины достаточной чистоты были
изготовлено, схема
элементы необходимо размещать на поверхности. Добавлены элементы схемы
к
пластина с помощью травления или осаждения.Пример использования
травление в
изготовление схемы было бы травлением нескольких тысяч
Ангстремы (10
^-8 см) полупроводника между каждым устройством,
фактически
изоляция устройств друг от друга. Потому что маленькие столовые
сформированный как
Результат этого процесса называется мезоизоляцией. Большинство схем
элементы,
однако они осаждаются, имплантируются или выращиваются на поверхности. Эти
может включать
изоляторы (например, SiO ₂ выращивается при производстве полевых МОП-транзисторов) или
металлы (например,грамм..
Алюминий наносится для подключения устройств к микросхеме.)
Допанты могут быть
имплантировали на поверхность пластины и позволяли диффундировать в
материал
нагревая его. И травление, и осаждение требуют процесса, называемого
фотолитографии. На рисунке 9 показан типичный процесс фотолитографии.
используется для
мезы изоляции, а на рисунке 10 показано осаждение металла.
После многих
на пластине сформированы устройства, они разделены на
отдельные фишки
с помощью процесса секционирования.

Рисунок 10: Типичный процесс фотолитографии для изоляции
устройства
на микросхеме. На этапе А тонкий слой светочувствительного
полимер помещается на
чип. На этапе B свет выборочно освещает часть
полимер.
Неэкспонированная часть снимается в проявочном
процесс на этапе C.
незащищенная поверхность чипа стравливается
химический процесс в шаге
D. Наконец, на этапе E, оставшийся полимер удаляется,
оставляя месу
нетравленный полупроводник, окруженный протравленной областью.

Рисунок 11: Нанесение металла на полупроводник. По шагам
A и B,
Чип покрыт светочувствительным полимером и свет
обнажает полимер в
область, в которой металл должен быть помещен на микросхему. В
шаг C,
открытая область удаляется в процессе, называемом
разработки. Металл покрывает
поверхность на этапе D. Это делается путем испарения металла и
позволяя пар
конденсироваться на поверхности полупроводника.когда
оставшийся полимер
удаляется на этапе E, металл остается только в области
незащищенный
полимер.

Резюме полупроводников:

Полупроводниковые приборы теперь ежедневно влияют на нашу жизнь.
Хотя
изоляторы и проводники полезны сами по себе,
полупроводники, такие
поскольку кремний и арсенид галлия кардинально изменили способ
в котором
миллиарды людей живут. Их промежуточная способность проводить
электричество в
комнатная температура делает их очень полезными для электронных
Приложения.Для
Например, современная компьютерная индустрия стала возможной благодаря
способность
кремниевые транзисторы для работы в качестве быстрых переключателей включения / выключения.

У всех материалов есть энергетические зоны, в которых могут существовать их электроны.
В металлах,
валентная зона частично заполнена, и электроны могут двигаться
сквозь
материал. Однако в полупроводниках существует запрещенная зона, которая
существует, и
электроны не могут легко перепрыгнуть через зазор при низких температурах. В
выше
температуры, большее количество электронов полупроводника может перепрыгнуть через
разрыв; и это
соответственно увеличивается проводимость.Электрические свойства также могут
быть изменен
легирование (добавление примесей к полупроводниковому материалу). это
тоже является одним из
их большие активы.

Добавление примесей в полупроводниковый материал может привести к двум
разные
типы электрического поведения. Это так называемые n (отрицательные)
и р
материалы (позитивного) типа. Элементы группы V, такие как мышьяк, добавлены в
кремний или
германий производят n-тип за счет своего дополнительного валентного электрона.III группа
материалы, такие как бор, производят p-тип, поскольку они имеют только три
валентность
электроны. Когда материал n-типа соединен с p-типом
материал,
устройство демонстрирует поведение диода. То есть ток может течь в одном
направление
через интерфейс, но не через другой.

Диоды не только действуют как выпрямители, они также привели к
развитие
транзистор. Биполярный переходной транзистор (BJT) - это диод с
третий
добавлен материал для создания второго интерфейса.Либо npn, либо pnp
типы существуют,
но их основная работа по сути такая же, как у двух диодов
соединен с
друг друга. Правильное смещение напряжений на каждом
диод
устройство может допускать большое усиление тока. Сегодня металл
окись
полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFETS) заменили
BJT во многих
Приложения. Теперь миллионы транзисторов можно разместить на
одиночный кремний
микросхема или интегральная схема. Эти микросхемы IC более надежны и
потреблять меньше
мощности, чем большие схемы на электронных лампах прошлого.

Производство электронных устройств состоит из двух основных этапов.
из сырых
материалы. Сначала полупроводник расплавляется и затравочный кристалл
используется, чтобы
возьмите большой кристалл чистого твердого полупроводника из
жидкость. Вафли из
полупроводник нарезается и полируется. Далее схема
узор вытравлен
или нанесены с использованием фотолитографического процесса. Наконец,
отдельные фишки
отделены от оригинальной пластины.

Скорость электронных вычислений также значительно увеличилась с
интегрированный
цепи. Время цикла современных компьютеров теперь измеряется в
наносекунд.
Оптоэлектронные (лазерные диоды) исследования расширяют уже существующие
огромная ставка на
какая информация может быть передана. В общем, полупроводники
продолжать
продвигать технический прогресс в 21 век.

Следующая тема: Ссылки

Содержание полупроводников

Домашняя страница MAST

.

научных принципов - это ... Что такое научные принципы?

,

научных принципов | Официальный веб-сайт метода Монтиньяка

Коэффициент энергии вторичный

Вопреки широко распространенному мнению, энергетический фактор вторичен (что не означает, что им следует пренебрегать) по отношению к увеличению веса. Эпидемиологические исследования показывают, что нет корреляции между потреблением калорий и ожирением. Есть даже доказательства того, что во многих случаях верно обратное. С 1960 года среднесуточное потребление калорий в западных странах снизилось примерно на 35%.Тем не менее, за тот же период ожирение подскочило на 400%.

Для получения дополнительной информации об отсутствии научной концепции теории калорий

Функциональной причиной набора веса является гиперинсулинизм / высокий уровень сахара в крови

Гиперинсулинизм - это результат чрезмерной секреции гормона инсулина поджелудочной железой. Инсулин - это то, что снижает уровень сахара в крови в ходе метаболических процессов, следующих за пищеварением.

Когда мы едим углеводную / глюкозную пищу (хлеб, паштет, картофель, фрукты, сахар…), они превращаются в глюкозу. Глюкоза проходит через стенку кишечника и попадает в кровоток. Это провоцирует пики гликемии; повышение уровня сахара в крови, которое натощак составляет примерно 1 г на литр крови. Гликемия вызывает секрецию инсулина, который отправляет избыток глюкозы в кровоток, чтобы она могла храниться в нашей печени и мышечной ткани. Это возвращает гликемию к исходному уровню.

У человека, механизм которого работает нормально, секреция инсулина пропорциональна уровню сахара в крови. Таким образом, инсулин, выделяемый его организмом, необходим для снижения гликемии.

Однако у некоторых людей реакция инсулина непропорциональна гликемии. Эта чрезмерная секреция инсулина известна как гиперинсулинизм.

За последние 25 лет многочисленные научные исследования показали, что гиперинсулинизм всегда связан с избыточным весом, а à fortiori - с ожирением.Медицинский исследователь Б. Жанрено довольно хорошо описал этот процесс: «Во всех случаях ожирения, независимо от вида и механизма, всегда присутствует гиперинсулинизм, и этот гиперинсулинизм прямо пропорционален индексу массы тела (ИМТ), который измеряет степень избыточного веса. «. Он добавляет, что «у животных избыточный вес может быть спровоцирован инъекцией инсулина. Избыточный вес восстанавливается после прекращения лечения».

Избыток инсулина приводит к увеличению веса , и, наоборот, пониженный уровень инсулина приводит к потере веса , .

Углеводы с высоким ГИ лежат в основе гиперинсулинизма

Вопреки устоявшимся представлениям, один углевод не то же самое, что другой; они не являются взаимозаменяемыми, поскольку не все они вызывают одинаковый метаболический ответ. Более того, было показано, что все они всасываются нашим кишечником за один и тот же промежуток времени, и в результате классификация их как быстрых и медленных сахаров является абсолютно абсурдной и вводящей в заблуждение.

Для получения дополнительной информации о вводящем в заблуждение представлении о медленном / быстром сахаре

С начала 1980-х годов было доказано, что 980 углеводов, которые относятся к одной и той же категории (два сложных крахмала, таких как, например, чечевица и картофель), могут содержать одинаковое количество калорий и тем не менее вызывать совершенно разные уровни сахара в крови. , возможно, в два-три раза выше от одного до другого.

Чтобы отразить, как наш организм действительно реагирует на углеводы, углеводы были ранжированы по шкале в зависимости от их способности повышать уровень сахара в крови. Углеводы с низким ГИ - это те, которые вызывают низкий уровень сахара в крови, тогда как углеводы, которые вызывают высокий уровень сахара, относятся к категории с высоким ГИ.

Для получения дополнительной информации о гликемическом индексе

Инсулинорезистентность

Человек, который иногда употребляет один или несколько углеводов с высоким ГИ, будет выделять инсулин, необходимый для снижения уровня сахара в крови.Однако, когда у человека есть привычка потреблять углеводы с высоким ГИ, его тело вырабатывает инсулинорезистентность (также известную как низкая чувствительность к инсулину). Фактически, глюкоза, несмотря на секрецию инусулина, будет оставаться в кровотоке этого человека. Это состояние известно как синдром инсулинорезистентности, и оно особенно заметно в случаях диабета типа II.

Что происходит, так это то, что рецепторы инсулина перестают адекватно функционировать, а глюко-зависимые клеточные ткани не могут распознавать присутствие инсулина.Высокий уровень сахара устанавливается, поскольку глюкоза накапливается в нашем кровотоке, а не попадает в клетки. В результате этой инерции наш организм становится «нетерпеливым» и приказывает нашей поджелудочной железе выделять больше инсулина, что только способствует обострению гиперинсулинизма. Это становится порочным кругом, в котором гиперинсулинизм переходит в инсулинорезистентность.

Гиперинсулинизм - это то, что заставляет нас набирать вес

Как отмечают многие авторы, одним из важнейших свойств инсулина является то, что он влияет на жировой обмен.Это известно как липогенез .

• Хранение жирных кислот в жировом резерве
  Инсулин и гиперинсулинизм a fortior i стимулируют активность фермента, а именно липопротеинлипазы . Функция этого фермента заключается в перемещении циркулирующих жирных кислот (которые соответствуют жирам, съеденным в последний прием пищи), чтобы запасать их в виде триглицеридов, тем самым увеличивая объем жировых клеток ( адипоцитов, ).
• Кроме того, инсулин вызывает ингибирование другого фермента, триглицерид липазы ,.Этот фермент отвечает за липолиз , а именно за освобождение запасов жира. (см. ниже.)

Если пик гликемии после еды слишком высок, соответствующий уровень глюкозы, скорее всего, превысит потребности нашего организма. Гиперинсулинизм, спровоцированный указанной гипергликемией, под действием липопротеинлипазы будет преобразовывать эту остаточную глюкозу в жир, который будет накапливаться в жировых клетках.

Гиперинсулинизм, безусловно, является функциональной причиной увеличения веса!

Правильный вопрос: во что превратились бы эти жирные кислоты, если бы они не накапливались в процессе липогенеза.Ответ прост, хотя и удивителен: если бы они не были активированы липопротеинлипазой (из-за инсулина), эти жирные кислоты просто сжигались бы нашим организмом, который в этих условиях имеет тенденцию регулировать метаболические характеристики адекватным образом.

Процесс похудания (ЛИПОЛИЗ)

Как мы видим, липогенез - это метаболический процесс, который приводит к накоплению жировых отложений и, следовательно, к увеличению веса. Липолиз - это с точностью до наоборот: это метаболический процесс, который приводит к высвобождению жиров и, следовательно, к потере веса.

Наш организм оказывается в ситуации, которая заставляет его искать жир в жировых клетках les cellules graisseuses (адипоцитах), чтобы использовать их в качестве карбюранта, тем самым уменьшая их объем. Чтобы это сработало, уровень инсулина должен быть низким. Механизм следующий: низкий уровень инсулина активирует фермент триглицерид-липаза, который отвечает за вывод жирных кислот из жировой ткани (адипоцитов), доставляя их в кровоток, чтобы они могли использоваться в качестве углеводов. Затем наш организм попытается использовать их (сжечь), изменяя свои энергетические характеристики в соответствии со своими потребностями.

В заключение можно сказать, что инсулин - это то, что катализирует набор веса. Таким образом, чтобы похудеть, мы должны контролировать уровень инсулина, стараясь поддерживать его как можно ниже. Чтобы достичь этого, мы должны стараться поддерживать пики гликемии после еды (после еды) на самом низком уровне.

Единственным решением будет, естественно, есть только углеводы с низким, а желательно с очень низким ГИ. Опыт показывает, что при употреблении в пищу исключительно углеводов ГИ с низким содержанием углеводов (35 или ниже) инсулиновая реакция остается достаточно низкой, чтобы позволить нашему ферменту для похудания - триглицерид-липазе - работать и, таким образом, спровоцировать процесс похудания.

Ключевым фактором набора веса, как мы только что убедились, является потребление углеводов с высоким ГИ

Описанный выше феномен липогенеза объясняет, почему и как. Точно так же понимание феномена липолиза позволяет нам осознать тот факт, что если мы хотим похудеть, мы должны есть углеводы с низким ГИ.

Однако мы понимаем, что прибавка в весе - это не только результат накопления жиров, которые мы едим. Инсулин также влияет на избыток глюкозы в результате чрезмерного потребления углеводов с высоким ГИ.

Многие годы диетологи считали, что глюкоза не может быть превращена в жир. Вот почему они рекомендовали диеты, богатые углеводами, делая вид, что они не заставляют людей набирать вес. Профессор Уолтер УИЛЛЕТТ осудил этот факт, когда сказал: «, посоветовав людям исключить жиры из своего рациона и рекомендуя есть углеводы, диетологи способствовали распространению ожирения на год». Неспособность диетологов в униформе или упорных диетологов посоветовать своим пациентам, какие углеводы есть, вынудила людей, страдающих ожирением, использовать собственные устройства и склонность к употреблению углеводов с высоким ГИ.Это заставляло их тела выделять больше инсулина и вырабатывать большее количество избыточной глюкозы, в которой их организм не нуждался и которая в конечном итоге откладывалась в виде жира.

Научное исследование метода Монтиньяка

,