Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)1 DIELEKTRYKI TADEUSZ HILCZER.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)1 DIELEKTRYKI TADEUSZ HILCZER."— Zapis prezentacji:

1 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)1 DIELEKTRYKI TADEUSZ HILCZER

2 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)2 Przewodnictwo ciekłych dielektryków

3 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)3 Pomiar własności elektrycznych komórka pomiarowa 0 układ pomiarowy

4 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)4 Pomiar własności elektrycznych 0 VI E

5 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)5 Pomiar własności elektrycznych 0 V E

6 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)6 Pomiar własności elektrycznych 0 V I E

7 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)7 Jonizacja Stan zjonizowania materii jednorodnej określa gęstość jonizacji - całkowity ładunek elektryczny Q, wytworzony w objętości V przez N jonów: Jeżeli jony mają jednakowy ładunek q wówczas: Czyli N - gęstość nośników ładunku

8 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)8 Jonizacja Szybkość jonizacji w j - szybkość powstania N par jonów o ładunku Q w elemencie objętości V w przedziale czasu t: Jeżeli jony mają jednakowy ładunek q wówczas: w p - szybkość powstawania nośników ładunku:

9 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)9 Jonizacja Jonizację drobiny A można opisać jako zderzenie z cząstką B - atomem, jonem, czy kwantem promieniowania. Wnioski z modelu zderzeniowego są przybliżone - dokładniejszy opis jest skomplikowany ze względu na zachodzące konkurencyjne procesy, np. wzbudzenie drobin, rekombinacja.

10 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)10 Przewodnictwo gazów Wytworzone w gazie jony dodatnie i ujemne mają w jednorodnym słabym polu elektrycznym E szybkość prawie równą średniej szybkości ruchu cieplnego. Pomiędzy kolejnymi zderzeniami na jon działa dodatkowa siła F E : która wywołuje przyspieszenie w kierunku pola E. W polu E energia jonu E j jest większa o wielkość uzyskaną na koszt pola E. Przy kolejnych zderzeniach jon przekazuje molekułom pewną część energii b E j (b < 1) swojej energii.

11 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)11 Przewodnictwo gazów Jeżeli w czasie t jon dozna x zderzeń i zmieni swoje położenie o odległość l w kierunku pola E, to dla dostatecznie długiego okresu czasu ustali się równowaga energetyczna: energia zyskana przez jon na koszt pola E = energii traconej przez jon podczas zderzeń Po ustaleniu się równowagi jest stała – średnia szybkość jonu – energia jonu. Czas ustalania równowagi t jest dla jonów dodatnich i ciężkich jonów ujemnych bardzo krótki i zależy od ich rodzaju, temperatury T i ciśnienia p gazu.

12 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)12 Szybkość unoszenia i ruchliwość jonów Jeżeli natężenie pola elektrycznego E jest małe, że przekazywana energia b E j –nie wywołuje pobudzenia molekuł gazu –nie wywołuje jonizacji molekuł gazu –nie ma wzajemnego oddziaływania pomiędzy jonami ruch jonów w kierunku pola E określa szybkość unoszenia: Dla stałej temperatury i ciśnienia szybkość unoszenia w jest proporcjonalna do natężenia pola E: - ruchliwość jonów (dodatnich czy ujemnych), zależy od rodzaju, temperatury i ciśnienia gazu.

13 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)13 Ruchliwość jonów Szybkość unoszenia jonów (dodatnich lub ujemnych) poruszających się we własnym gazie można w pierwszym przybliżeniu opisać prostym modelem naładowanej kuli poruszającej się w polu elektrycznym, w którym znajdują się nienaładowane elektrycznie atomy.

14 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)14 Ruchliwość jonów – teoria Langevina Model naładowanej kuli wykorzystał Langevin w prostej teorii ruchliwości - wyniki jedynie jakościowe. Czas pomiędzy kolejnymi zderzeniami (jonu o masie m Jj i ładunku q) nie zależy od pola E i można oszacować znając średnią drogę swobodną jonu l j oraz średnią szybkość ruchów cieplnych. W tym czasie jon doznaje przyspieszenia pod wpływem pola E Szybkość unoszenia jonu: k – współczynnik (0,5 – 1,0) zależny od średniej szybkości

15 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)15 Ruchliwość jonów – teoria Langevina – Thomsona Lepszą zgodność daje teoria Langevina-Thomsona w której uwzględniono oddziaływanie jonu prowadzące do polaryzacji materii oraz wpływ spolaryzowanej materii na jon.

16 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)16 Ruchliwość jonów – teoria Langevina – Thomsona Szybkość unoszenia dana jest wyrażeniem: m - masa molekuły, m j – masa jonu, - gęstość gazu, - przenikalność elektryczna gazu, b - stała zależna od sumy promieni jonu i molekuły oraz od temperatury. Dla silnych pól elektrycznych E prędkość unoszenia bardzo zależy od ciśnienia gazu:

17 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)17 Prąd jonowy w gazie Prąd jonowy I j - ruch jonów (dodatnich lub ujemnych): Q - całkowity ładunek, q - ładunek jonu, N - liczba jonów (liczba nośników ładunku). Gęstość prądu jonowego j j : N - gęstość jonów, w - szybkości unoszenia.

18 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)18 Przewodnictwo elektryczne G opisuje własności dielektryków realnych Po przyłożeniu do dielektryka stałego pola E przewodnictwo elektryczne ulega zmianie w czasie maleje prąd płynący w obwodzie osiągając praktycznie stałą wartość Dla dobrych dielektryków przewodnictwo elektryczne w stanie ustalonym w warunkach normalnych < m Przewodnictwo elektryczne zależy - od liczby nośników - od ruchliwości nośników Przewodnictwo dielektryka

19 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)19 w niskich temperaturach: - przewodnictwo elektryczne dielektryków bardzo słabo zależy od temperatury - ruchliwość nośników prądu od do m 2 V -1 s -1 ze wzrostem temperatury - rośnie ruchliwość nośników prądu - rośnie liczba nośników prądu - Temperaturową zależność przewodnictwa opisuje prawo Arrheniusa: W - energia aktywacji Przewodnictwo dielektryka

20 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)20 Przewodnictwo cieczy Nawet najbardziej oczyszczone ciecze wykazują zmiany przewodnictwa elektrycznego w stałym polu elektrycznym Po przyłożeniu stałego pola E przewodnictwo elektryczne maleje w czasie osiągając po pewnym czasie praktycznie stałą wartość. Osiągnięte w ten sposób przewodnictwo w normalnych warunkach nie zmienia się. Proces ustalania się stałej wartości przewodnictwa - oczyszczanie elektryczne.

21 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)21 Czyszczenie elektryczne Podczas czyszczenia elektrycznego mogą zachodzić procesy: –wyprowadzenie śladów zanieczyszczeń elektrolitycznych z objętości czynnej –zanikanie nagromadzonych w cieczy pęcherzyków gazów –zanikanie pęcherzyków gazu zaadsorbowanego na powierzchni elektrod –usuwanie przypadkowych nośników ładunków elektrycznych –możliwe uporządkowanie molekuł cieczy w pseudokrystaliczną sieć przestrzenną i powolne przechodzenie cieczy z postaci półprzewodnika donorowego w izolator (proces hipotetyczny)

22 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)22 -dla cieczy niedostatecznie oczyszczonych chemicznie proces czyszczenia elektrycznego nie daje oczekiwanych rezultatów -dla cieczy oczyszczonych proces czyszczenia elektrycznego zachodzi bardzo szybko: Czyszczenie elektryczne

23 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)23 - Ogólna teoria jonizacji Jaffego (1913) – jonizacja kolumnowa - Jony rozłożone są nierównomiernie – pierwotne kolumny rozszerzają się na skutek dyfuzji - natychmiast po jonizacji jony gęstość poprzeczną n 0 wzdłuż kolumny N 0 – gęstość liniowa, r – promień kolumny, r 0 – średnia odległość jonu od środka kolumny Teoria Jaffego

24 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)24 Zakładając, że pole E jest prostopadłe do osi kolumny, zmiana gęstości n jonów obu znaków (na skutek rekombinacji, dyfuzji, rozsuwania) - Jaffe rozwiązał w sposób przybliżony – najpierw tylko dla dyfuzji następnie tylko dla rekombinacji – współczynnik rekombinacji, D – współczynnik dyfuzji, u – ruchliwość - dwie kolumny jonów o przeciwnych znakach rozchodzących się z względną prędkością 2uE Teoria Jaffego

25 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)25 - chwilowa gęstość jonów N dąży do N – współczynnik rekombinacji, D – współczynnik dyfuzji, u – ruchliwość Teoria Jaffego

26 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)26 - N /N 0 określa stosunek ładunku mierzonego do ładunku nasycenia (N=1/I) - dla dużych E – modyfikacja teorii (Kramers) Teoria Jaffego

27 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)27 - Stosując model Onsagera w roku 1941 Plumley opracował teorię, która wyjaśniała wzrost prądu w wysokich polach - ciecze o bardzo małych momentach elektrycznych (2-4 D) mogą ulegać dysocjacji - molekuła obojętna – zlepek dwu jonów + i - - w silnych polach – rozpad na dwa jony + i - Teoria Plumleya

28 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)28 Teoria Frenkiela -W roku 1947 Frenkiel opracował teorię przewodnictwa cieczy dielektrycznych wykorzystując ogólną teorię cieczy -Molekuły powiązane są siłami spójności i wykonują drgania dokoła położenia równowagi -Amplituda może być duża – energia wystarcza do zmiany położenia -Gdy na jon działa siła zewnętrzna – energia potencjalna ulega obniżeniu -Po przyłożeniu pola jony uzyskują dodatkową prędkość w kierunku pola – dodatkową energię kinetyczną

29 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)29 Teoria Frenkiela -Jon wytworzony przez jakiś czynnik zewnętrzny przylepia się do molekuły tworząc całość -Na skutek ruchów cieplnych jon może się oderwać pokonując energię aktywacji -Po oderwaniu jon porusza się po pewnej drodze swobodnej -Średnia droga swobodna zależy od struktury molekuł -Ruch jonów powoduje przepływ prądu

30 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)30 Teoria Małeckiego Kreacyjno-anihilacyjny model przewodnictwa elektrycznego (CAMEC) Typowym zjawiskiem jest zmniejszanie się przewodnictwa elektrycznego G w polu E Proces bardzo złożony, w którym można wyróżnić kilka składowych Najwolniej, w czasach rzędu godzin lub dni, przebiegają procesy elektrochemiczne na elektrodach. Procesy zachodzące zwykle w czasach rzędu sekund lub minut, można przypisać ruchom naładowanych, makroskopowych cząstek w polu. Najszybsze zjawiska można najczęściej identyfikować z procesami generacji i anihilacji naturalnych nośników prądu w dielektryku.

31 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)31 Teoria Małeckiego Kreacja-anihilacja nośników prądu Makroskopowe naładowane cząstki Procesy elektrochemiczne log t Przewodnictwo G

32 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)32 Teoria Małeckiego Nie ma ogólnej teorii samoistnego przewodnictwa elektrycznego dielektryków. CAMEC – model dynamiki przewodnictwa elektrycznego w polu elektrycznym związanego z samoistną generacją i anihilacją nośników prądu w dielektrykach. Analityczne rozwiązanie opisujące zanik prądu w statycznym polu E i odrost przewodnictwa po wyłączeniu pola. Pole E działające przez dłuższy czas na niskoprzewodzące materiały powoduje zmniejszenie wartości przewodnictwa elektrycznego (do kilku rzędów wielkości).

33 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)33 Teoria Małeckiego Dielektryk znajduje się między dwoma metalicznymi elektrodami o omowym kontakcie z dielektrykiem. Przewodnictwo właściwe G dielektryka i odpowiednio gęstość przestrzenna –par nośników ładunku dodatniego i ujemnego dążą do wartości wynikających z konkurencji procesów kreacji i anihilacji nośników. Procesy te zachodzą w dielektrykach pod wpływem wzbudzeń termicznych i rekombinacji oraz wyłapywania nośników przez elektrody.

34 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)34 Teoria Małeckiego O dynamice zmian przewodnictwa elektrycznego decydują procesy Aktywacja - w wyniku termicznej aktywacji nośniki prądu są kreowane ze stałą prędkością par nośników w jednostce czasu i jednostce objętości.

35 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)35 Teoria Małeckiego Rekombinacja - określa liczbę par nośników, które anihilują w jednostce czasu i jednostce objętości. W przypadku przewodnictwa samoistnego, gdy nośniki są generowane w procesach termicznej aktywacji, anihilację opisuje prawo rekombinacji a - współczynnik rekombinacji, wykładnik jest zwią­zany z prawdopodobieństwem kontaktu nośników przeciwnych znaków. W najprostszym przypadku =2.

36 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)36 Teoria Małeckiego Wyłapywanie nośników - nośniki, które osiągają elektrody są wyłapywane i nie biorą dalej udziału w przewodzeniu prądu w dielektryku. Szybkość tego procesu można wyrazić jako

37 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)37 Teoria Małeckiego Przypadek jednowymiarowy dobrze opisuje cienką płytkę dielektryczną Zaniedbuje się dyfuzję nośników, która mogą zachodzić w odpowiedzi na pojawiające się gradienty stężeń. Zakłożenie: gęstość nośników n(t) nie zależy od współrzędnych przestrzennych = założeniem jednorodności pola elektrycznego w próbce. Parametry opisujące procesy transportu ładunku są jedynie efektywne (średnie) - wystarczające w wielu praktycznych zastosowaniach

38 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)38 Teoria Małeckiego Podstawowe równanie opisujące bilans gęstości par nośników ładunku ma postać współczynnik rekombinacji a można wyeliminować, gdyż dla E = 0 (albo t = 0) dn/dt = 0. Z przyrównania prawej strony równania do zera mamy początkową, równowagową wartość gęstości nośników prądu w izolowanym od wpływów zewnętrznych dielektryku.

39 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)39 Teoria Małeckiego Definiujemy: –względne stężenie par nośników g(t) –czas przelotu F równy czasowi przejścia nośnika przez grubość próbki –czas odrostu przewodnictwa R : Podstawowe równanie ma postać:

40 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)40 Teoria Małeckiego E = 0 E 0 E = 0 G t F R

41 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)41 Teoria Małeckiego Dla stałego pola (E = const) podstawowe równanie można rozwiązać analitycznie.

42 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)42 - Eksperymentalnie przewodnictwo cieczy wyznacza się z zależności I – prąd, d – odległość elektrod, U – przyłożone napięcie, S – powierzchnia elektrod Przewodnictwo cieczy

43 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)43 Kondensator do badania przewodnictwa elektrycznego (Szurkowski, 1971) Przewodnictwo cieczy

44 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)44 Kondensator do badania przewodnictwa elektrycznego (w funkcji natężenia pola E) (Małecki, 1964) Przewodnictwo cieczy

45 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)45 Kondensator do badania przewodnictwa elektrycznego (w funkcji temperatury) (Szurkowski, 1972) Przewodnictwo cieczy

46 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)46 Kondensator do badania przewodnictwa elektrycznego (w funkcji ciśnienia) (Hilczer, 1960) Przewodnictwo cieczy

47 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)47 o-Nitroanizol I=f(t)

48 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)48 o- Nitrotoluen =f(T)

49 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)49 Nitrobenzen I=f(E)

50 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)50 o-Nitroanizol – Benzen I=f(E) p

51 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)51 (Szurkowski, 1971) Przewodnictwo elektryczne versus moment elektryczny

52 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)52 Chlorobenzen – heksan I=f(E) f

53 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)53 Chlorobenzen – heksan I=f(E) f

54 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)54 Chlorobenzen – heksan I 0= f(f) E=0

55 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)55 Chlorobenzen – cykloheksan I=f(E) f

56 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)56 Chlorobenzen – cykloheksan I=f(E) f

57 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)57 Chlorobenzen – cykloheksan I 0 =f(f) E=0 Ekstrapolowana wartość I 0

58 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)58 Nitrobenzen – heksan I=f(E) f

59 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)59 Nitrobenzen – heksan I 0 =f(f) E=0

60 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)60 Nitrobenzen – heksan I 0 =f(f) E=0 (ekstrapolacja f 1)

61 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)61 Nitrobenzen – heksan I=f(f) E

62 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)62 o-Nitroanizol – Benzen I=f(p) f

63 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)63 o-nitrotoluen – benzen I=f(f) p

64 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)64 o-nitrotoluen – benzen I=f(f) p

65 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)65 o-nitrotoluen I ekstr =f(p)

66 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)66


Pobierz ppt "Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)1 DIELEKTRYKI TADEUSZ HILCZER."

Podobne prezentacje


Reklamy Google