Plasmonic Steam Generator T2

Relevanta dokument
FK Elektromagnetism och vågor, Fysikum, Stockholms Universitet Tentamensskrivning, måndag 21 mars 2016, kl 9:00-14:00

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (1:a omtentan), tisdag 17 juni 2014, kl 9:00-14:00

Övningsuppgifter/repetition inom elektromagnetism + ljus (OBS: ej fullständig)

4. Elektromagnetisk svängningskrets

r 2 C Arbetet är alltså endast beroende av start- och slutpunkt. Det följer av att det elektriska fältet är konservativt ( E = 0).

r 2 Arbetet är alltså endast beroende av start- och slutpunkt. Det följer av att det elektriska fältet är konservativt ( E = 0).

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (ETE055)

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (2:a omtentan), fredag 30 augusti 2013, kl 9:00-14:00

3.4 RLC kretsen Impedans, Z

4. Allmänt Elektromagnetiska vågor

Sensorer, effektorer och fysik. Grundläggande fysikaliska begrepp som är viktiga inom mättekniken

1( ), 2( ), 3( ), 4( ), 5( ), 6( ), 7( ), 8( ), 9( )

Införa begreppen ström, strömtäthet och resistans Ohms lag Tillämpningar på enkla kretsar Energi och effekt i kretsar

Elektriska och magnetiska fält Elektromagnetiska vågor

Steget vidare. (By JaunJimenez at English Wikipedia, CC BY 3.0, curid= )

Sensorer och elektronik. Grundläggande ellära

isolerande skikt positiv laddning Q=CV negativ laddning -Q V V

Tentamen i El- och vågrörelselära,

Sammanfattning av räkneövning 1 i Ingenjörsmetodik för ME1 och IT1. SI-enheter (MKSA)

3.7 Energiprincipen i elfältet

Sammanfattning av kursen ETIA01 Elektronik för D, Del 1 (föreläsning 1-10)

Tentamen i El- och vågrörelselära,

1. q = -Q 2. q = 0 3. q = +Q 4. 0 < q < +Q

Vad betyder det att? E-fältet riktat åt det håll V minskar snabbast


Provmoment: Ladokkod: Tentamen ges för: KBAST16h KBASX16h. TentamensKod: Tentamensdatum: Tid: 09:00 13:00

ETE115 Ellära och elektronik, tentamen oktober 2006

Fotoelektriska effekten

Förslag: En laddad partikel i ett magnetfält påverkas av kraften F = qvb, dvs B = F qv = 0.31 T.

Solar cells. 2.0 Inledning. Utrustning som används i detta experiment visas i Fig. 2.1.

Vecka 2 ELEKTRISK POTENTIAL OCH KAPACITANS (HRW 24-25) Inlärningsmål

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (1:a omtentan), tisdag 16 juni 2015, kl 9:00-14:00

Miniräknare, formelsamling

Impedans och impedansmätning

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin Föreläsning 7 Kvantfysik, Atom-, Molekyl- och Fasta Tillståndets Fysik

1. Betrakta en plan harmonisk elektromagnetisk våg i vakuum där det elektriska fältet E uttrycks på följande sätt (i SI-enheter):

Number 14, 15, 16, and 17 also in English. Sammanställning av tentamensuppgifter Kvant EEIGM (MTF057).

Impedans och impedansmätning

FYSIKUM STOCKHOLMS UNIVERSITET Tentamensskrivning i Vågrörelselära och optik, 10,5 högskolepoäng, FK4009 Tisdagen den 17 juni 2008 kl 9-15

Dugga i elektromagnetism, sommarkurs (TFYA61)

1. (a) (1 poäng) Rita i figuren en translationsvektor T som överför mönstret på sig själv.

Q I t. Ellära 2 Elektrisk ström, kap 23. Eleonora Lorek. Ström. Ström är flöde av laddade partiklar.

FYSIKTÄVLINGEN KVALIFICERINGS- OCH LAGTÄVLING. 4 februari 1999 SVENSKA FYSIKERSAMFUNDET

Sammanfattning av räkneövning 1 i Ingenjörsmetodik för ME1 och IT1. SI-enheter (MKSA)

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Kvantmekanik. Kapitel Natalie Segercrantz

Övningar. Nanovetenskapliga tankeverktyg.

Utveckling mot vågbeskrivning av elektroner. En orientering

Kapitel: 32 Elektromagnetiska vågor Maxwells ekvationer Hur accelererande laddningar kan ge EM-vågor

Hur elektromagnetiska vågor uppstår. Elektromagnetiska vågor (Kap. 32) Det elektromagnetiska spektrumet

Lösningsförslag Inlämningsuppgift 3 Kapacitans, ström, resistans

Tentamen i : Vågor,plasmor och antenner. Totala antalet uppgifter: 6 Datum: Examinator/Tfn: Hans Åkerstedt/ Skrivtid:

Tentamen i Fysik för M, TFYA72

Försättsblad till skriftlig tentamen vid Linköpings Universitet

Tentamen i SK1111 Elektricitets- och vågrörelselära för K, Bio fr den 18 okt 2012 kl 14-19

Vecka 4 INDUKTION OCH INDUKTANS (HRW 30-31) EM-OSCILLATIONER OCH VÄXELSTRÖMSKRETSAR

PHYS-A5130 Elektromagnetism period III våren Vecka 2

Vågrörelselära och optik

Theory Swedish (Sweden)

Föreläsning 1. Elektronen som partikel (kap 2)

Tentamen i Fysik för K1,

7. Atomfysik väteatomen

Impedans! och! impedansmätning! Temperatur! Komponentegenskaper! Töjning! Resistivitetsmätning i jordlager!.!.!.!.!

EXPERIMENTELLT PROBLEM 2 DUBBELBRYTNING HOS GLIMMER

Lösningar Kap 7 Elektrisk energi, spänning och ström. Andreas Josefsson. Tullängsskolan Örebro

Kaströrelse. 3,3 m. 1,1 m

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (EITF85)

BFL102/TEN1: Fysik 2 för basår (8 hp) Tentamen Fysik mars :00 12:00. Tentamen består av 6 uppgifter som vardera kan ge upp till 4 poäng.

Kvantbrunnar Kvantiserade energier och tillstånd

Innehåll. Fysik Relativitetsteori. fy8_modernfysik.notebook. December 12, Relativitetsteorin Ljusets dualism Materiens struktur Kärnfysik

Chalmers Tekniska Högskola Tillämpad Fysik Igor Zoric

1. Compute the following matrix: (2 p) 2. Compute the determinant of the following matrix: (2 p)

Innehåll. Fysik Relativitetsteori. fy8_modernfysik.notebook. December 19, Relativitetsteorin Ljusets dualism Materiens struktur Kärnfysik

4:2 Ellära: ström, spänning och energi. Inledning

WORKSHOP: EFFEKTIVITET OCH ENERGIOMVANDLING

WALLENBERGS FYSIKPRIS

Sammanfattning hydraulik

Vågrörelselära och optik

TENTAMEN. Linje: Tekniskt-Naturvetenskapligt basår Kurs: Fysik A Hjälpmedel: Miniräknare, formelsamling. Umeå Universitet. Lärare: Joakim Lundin

Föreläsnng Sal alfa

Tillståndsmaskin (Se separat skrift Tillståndsdiagram som hör till föreläsningen) insignal = övergångsvillkor, tillstånd, utsignal Switch Case

STORSEMINARIET 3. Amplitud. frekvens. frekvens uppgift 9.4 (cylindriskt rör)

1.1 Mätning av permittiviteten i vakuum med en skivkondensator

Tentamen: Atom och Kärnfysik (1FY801)

Svar och anvisningar

Tentamen i ELEKTROMAGNETISM I, för W2 och ES2 (1FA514)

Module 6: Integrals and applications

Preliminärt lösningsförslag till Tentamen i Modern Fysik,

Nanoelektronik. FAFA10 Kvantfenomen och nanostrukturer HT Martin Magnusson.

Prov (b) Hur stor är kraften som verkar på en elektron mellan plattorna? [1/0/0]

Tentamen i : Vågor,plasmor och antenner. Totala antalet uppgifter: 6 Datum:

Tentamen för FYSIK (TFYA68)

1. Ge en tydlig förklaring av Dopplereffekt. Härled formeln för frekvens som funktion av källans hastighet i stillastående luft.

TILLÄMPAD ATOMFYSIK Övningstenta 1

27,8 19,4 3,2 = = ,63 = 3945 N = = 27,8 3,2 1 2,63 3,2 = 75,49 m 2

Tentamensskrivning i Ellära: FK4005e Fredag, 11 juni 2010, kl 9:00-15:00 Uppgifter och Svar

BFL102/TEN1: Fysik 2 för basår (8 hp) Tentamen Fysik 2. 5 juni :00 12:00. Tentamen består av 6 uppgifter som vardera kan ge upp till 4 poäng.

Transkript:

Inledning Denna uppgift handlar om avancerade och effektiva metoder för att producera ånga, metoder som visat sig fungera experimentellt. Sfäriska nanostora silverpartiklar finns lösta i vatten (endast c:a partiklar per liter), och belyses med en fokuserad ljusstråle. En viss del av ljuset absorberas av nanopartiklarna, som blir varma och förångar vattnet, men endast volymen närmast partikeln och inte allt vatten. Ångan lämnar systemet i form av stigande ångbubblor. Alla detaljer i processen är ännu inte helt förstådda, men man vet att huvudprocessen är absorption av ljus genom s.k. elektroniska plasma-oscillationer av metalliska nanopartiklar. The device is known as a plasmonic steam generator. Figure 2.1 (a) A spherical charge-neutral nanoparticle of radius R placed at the center of the coordinate system. (b) A sphere with a positive homogeneous charge density (red), and containing a smaller spherical charge-neutral region (0, yellow) of radius, with its center displaced by. (c) The sphere with positive charge density of the nanoparticle silver ions is fixed in the center of the coordinate system. The center of the spherical region with negative spherical charge density (blue) of the electron cloud is displaced by, where. (d) An external homogeneous electric field. For timedependent, the electron cloud moves with velocity. (e) The rectangular vessel containing the aqueous solution of nanoparticles illuminated by monochromatic light propagating along the -axis with angular frequency and intensity. A single spherical silver nanoparticle Throughout this problem we consider a spherical silver nanoparticle of radius and with its center fixed at the origin of the coordinate system, see Fig. 2.1(a). All motions, forces and driving fields are parallel to the horizontal -axis (with unit vector ). The nanoparticle contains free (conduction) electrons moving within the whole nanoparticle volume without being bound to any silver atom. Each silver atom is a positive ion that has donated one such free electron. 2.1 Find the following quantities: The volume and mass of the nanoparticle, the number and charge density of silver ions in the particle, and for the free electrons 0.7 Page 1 of 5

their concentration, their total charge, and their total mass. Det elektriska fältet i ett laddningsneutralt område inuti en laddan sfär I fortsättningen antas att den relativa permittiviteten av alla ämnen är. Inuti en homogent laddad sfär med laddningstätheten och radien R bildas ett litet laddningsneutralt sfäriskt område med radien, då en motsatt laddningstäthet adderas, med sitt centrum förskjutet med från R-sfärens centrum, se fig. 2.1(b). 2.2 Visa att det elektriska fältet inuti det laddningsneutrala området är homogent där. Bestäm också. Den återförande kraften på det förskjutna elektronmolnet I det följande studeras den kollektiva rörelsen av fria elektroner genom att betrakta dem som en negativt laddad sfär med homogen laddningstäthet med centrum i, som kan röra sig längs x- axeln relativt centrum hos den positivt laddade sfären (silverjoner) fixerad i origo hos koordinatsystemet, se fig. 2.1(c). Antag att en yttre kraft flyttar elektronmolnet till en ny jämviktsposition där. Förutom små nettoladdningar i motsatta ändar av nanopartikeln förblir den laddningsneutral. Detta svarar mot i föregående uppgift. 2.3 Uttryck i termer av följande två storheter: Den återförande kraften som silverjonerna utövar på elektronmolnet och arbetet som den externa kraften uträttar vid förflyttningen av elektronmolnet. 0,9 Den sfäriska silvernanopartikeln i ett konstant yttre elektriskt fält En silvernanopartikel placeras i vakuum och påverkas av av en yttre från ett konstant yttre elektriskt fält, vilket förflyttar elektronmolnet en liten sträcka, där. 2.4 Uttryck förflyttningen av elektronmolnet i, och den elektronladdning genom the yz-planet i mitten av silvernanopartikeln. Page 2 of 5

Ekvivalent kapacitans och induktans för en en silvernanopartikel Både för ett konstant och ett tidsberoende fält, kan nanopartikeln beskrivas som med en ekvivalent elektrisk krets. Den ekvivalenta kapacitansen kan fås genom sambandet arbetet åtgår för att separera laddningarna till energin hos kondensatorn med laddningen. Separationen ger en ekvivalent spänning över kondensatorn. som 2.5a Uttryck systemets ekvivalenta kapacitans C, i and, och beräkna värdet. 2.5b Bestäm, för denna kapacitans, den ekvivalenta spänning uttryckt i och, som en ekvivalent kondensator ska anslutas till för att laddningsmängden ska lagras. 0,3 För ett tidsberoende elektriskt fält, rör sig elektronmolnet med hastigheten, fig. 2.1(d). Det har kinetiska energin och ger en elektrisk ström genom det fixa yz-planet. Den kinetiska energin hos elektronmolnet kan tillskrivas till energin hos en ekvivalent spole med induktansen och strömmen. 2.6a Uttryck både och i termer av hastigheten. 0,7 2.6b Uttryck den ekvivalenta induktansen i termer av partikelns radie, elektronens laddning och massan, the elektronkoncentrationen, och beräkna dess värde. Plasmonresonansen för en silvernanopartikel Från analysen ovan följer att rörelsen hos elektronmolnet runt jämvikstläget kan beskrivas med en ideal LC-krets som oscillerar vid sin resonansfrekvens. Denna svängning hos elektronmolnet är en s.k. plasmonresonans, med plasmafrekvensen. 2.7a Ge ett uttryck för plasmafrekvensen för elektronmolnet uttryckt i elektronladdningen och massan, elektrontätheten och permittiviteten. 2.7b Beräkna i rad/s och våglängden i nm för ljus i vakuum med. 0,4 Silvernanopartikeln belyst med ljus med plasmafrekvensen I resten av uppgiften, belyses nanopartikeln med monokromatiskt ljus med vinkelplasmonfrekvensen och intensiteten. När våglängden är stor,, Page 3 of 5

kan nanopartikeln anses befinna sig i ett homogent harmoniskt oscillerande fält. Drivet av, kommer oscillerar elektronmolnets centrum med samma frekvens med hastigheten och konstant amplitud. Denna oscillerande elektronrörelse leder till absorption av ljus. Energin som tas upp av partikeln omvandlas antingen till värme inuti partikeln eller återemitteras av partikeln som spritt ljus. Uppvärmningen orskas av slumpartade inelastiska kollisioner, där varje fri electron då och då träffar en silverjon och förlorar hela sin kinetiska energy, som förvandlas till vibrationer hos silverjonerna (värme). Den genomsnittliga tiden mellan kollisionerna är, där för silvernanopartiklar kan användas. 2.8a 2.8b Ange ett uttryck för tidsmedelvärdet av den genererade värmeeffekten i nanopartikeln och tidsmedelvärdet, av kvadraten på strömstyrkan, vilket innehåller tidsmedelvärdet av hastigheten hos elektronmolnet. Ange ett uttryck för den ekvivalenta ohmska resistansen i en ekvivalent resistormodell av nanopartikeln med värmeeffekten på grund av elektronmolnets strömstyrka I. Beräkna det numeriska värdet av. Den inkommande ljusstrålen förlorar i medeltal en viss effekt på grund av spridning mot elektronmolnet (återemission). beror på egenskaperna hos det spridande elektronmolnet (amplitud och plasmafrekvens ) och hos ljuset (ljusfarten och permittiviteten i vakuum). ges i dessa variabler av. 2.9 Utnyttja uttrycket för för att finna ett uttryck för den ekvivalenta spridningsresistansen (analogt med ) i en ekvivalent resistormodell, och beräkna. Ovanstående ekvivalenta kretselement kombineras till en LCR-kretsmodell av silvernanopartikeln, som drivs av en harmonisk oscillerande ekvivalent spänning, bestämd av det inkommande ljusets elektriska fält. 2.10a Härled uttryck för de genomsnittliga värmeförlusterna och uttryckta i elektriska fältets amplitud vid plasmafrekvensen. 1,2 2.10b Beräkna de numeriska värdena på,, och. 0,3 Page 4 of 5

Ångbildning med hjälp av ljus En vattenlösning av silvernanopartiklar har en koncentration en rektangulär genomskinlig behållare av storlek ljus med normalt infall vid plasmafrekvensen, med samma intensitet se fig. 2.1(e). Vattnets temperatur är. Den placeras i och belyses med som ovan, och vi antar, i överensstämmelse med observationer, att nanopartikelns hela värmeförluster går till bildandet av ånga vid, utan att höja vattnets temperatur. Den plasmoniska ånggeneratorns termodynamiska verkningsgrad definieras av kvoten, där är effekten som går till produktion av ånga i hela behållaren, medan är det inkommande ljusets totala effekt. Större delen av tiden är varje nanopartikel omgiven av ånga istället för vatten och kan därmed beskrivas som om den befann sig i vakuum. 2.11a Beräkna totala massan ånga per sekund,, som produceras av den plasmoniska ånggeneratorn genom belysning av ljus vid plasmafrekvensen och med intensiteten. 0,6 2.11b Beräkna det numeriska värdet på den plasmoniska ånggeneratorns termodynamiska verkningsgrad. 0,2 Page 5 of 5