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 dielektryków

3 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)3 Przewodnictwo elektryczne materii Przewodnictwo elektryczne materii było badane od początku wieku XIX, w związku z wyładowaniami w gazach W XIX wieku rozwinęła się klasyczna teoria przewodnictwa metali Po odkryciu promieniotwórczości rozpoczęto badania przewodnictwa w gazach a następnie w ciałach stałych Przewodnictwo cieczy było badane sporadycznie, głównie przez Ignacego Adamczewskiego Obecnie mechanizm przewodnictwa elektrycznego –znany jest w dielektrykach gazowych –mniej w dielektrykach stałych –znacznie mniej w dielektrykach ciekłych

4 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)4 Przewodnictwo elektryczne materii Arkadiusz Piekara - Ignacy Adamczewski

5 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)5 Przewodnictwo elektryczne materii Ziemia od początku istnienia jest w polu promieniowania jonizującego pochodzenia wewnętrznego i kosmicznego Jonizacja wywołana przez pole promieniowania odgrywa podstawową rolę we wielu procesach zachodzących w przyrodzie Mechanizm zachodzących procesów jest w głównej mierze zależny od rodzaju i stanu skupienia materii, struktury, gęstości,... Zjonizowana materia jest przewodnikiem prądu elektrycznego Przewodnictwo materii można obserwować w postaci samoistnej jako przewodnictwo właściwe ciał stałych, ciekłych, gazowych, przewodnictwo komórek materii biologicznej

6 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)6 Przewodnictwo elektryczne materii Rozpatrujemy materię złożoną z: atomów, drobin, makromolekuł Taka materia w normalnych warunkach makroskopowych jest elektrycznie obojętna Pochłonięcie przez materię energii dostarczonej z poza układu może spowodować zmianę energii oddziaływania zaburzenie struktury elektronowej Oderwanie lub przyłączenie jednego lub większej liczby elektronów powoduje, że materia staje się elektrycznie nie obojętna

7 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)7 Przewodnictwo elektryczne materii Dostarczona z zewnątrz energia może być w rozmaitej postaci Najczęściej jest to energia mechaniczna, cieplna, pola elektrycznego, kwantu energii pola elektromagnetycznego, cząstek korpuskularnych,...

8 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)8 Przewodnictwo elektryczne dielektryków 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 < W -1 m -1. Przewodnictwo elektryczne zależy –od liczby nośników –od ruchliwości nośników

9 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)9 Przewodnictwo elektryczne dielektryków Temperaturową zależność przewodnictwa opisuje prawo Arrheniusa: W - energia aktywacji 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

10 Tadeusz Hilczer, Dielektryki (wykład monograficzny)10 Typowym zjawiskiem dla dielektryków realnych znajdujących się w polu elektrycznym E jest zmniejszanie się przewodnictwa elektrycznego G w czasie G log t Przewodnictwo elektryczne dielektryków

11 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)11 t G E = 0E > 0 E = 0 G 0 G Ustalona wartość przewodnictwa bez pola E Zmniejszenie wartości przewodnictwa w polu E Odrost przewodnictwa po wyłączeniu pola E Przewodnictwo elektryczne dielektryków

12 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)12 Przewodnictwo elektryczne ciał stałych W ciele stałym elementy materii tworzą określony układ przestrzenny Sieć krystaliczna powstaje w wyniku wzajemnego oddziaływania jej elementów, którego charakter określa struktura elektronowa Wiązanie homopolarne (kowalencyjne) - atomy podobne –oddziaływanie przekazywania elektronów uczestniczą głównie elektrony walencyjne Wiązanie heteropolarne (jonowe) - atomy różne –oddziaływanie z przesunięciem chmury elektronowej Wiązanie metaliczne –elektrony zdelokalizowane

13 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)13 Przewodnictwo elektryczne ciał stałych W kryształach organicznych –słabe wiązanie pomiędzy indukowanymi momentami elektrycznymi molekuł wiązanie Van der Waalsa, –słabe wiązanie wodorowe

14 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)14 - W stanie równowagi termodynamicznej rozkład energii elektronów opisuje kwantowy rozkład Fermiego-Diraca F - energia Fermiego, E – energię całkowitą elektronu w temperaturze T - f ( E,T ) miara prawdopodobieństwa obsadzenia przez elektron stanu o energii E - układy opisane rozkładem Fermiego-Diraca układy zdegenerowane E F f(E,T)f(E,T) T = 0 T1T1 T2T2 Przewodnictwo elektryczne ciał stałych

15 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)15 Model pasmowy ciała stałego Założenia modelu pasmowego ciała stałego Stan energii w którym nie ma żadnego elektronu albo stan energii całkowicie zapełniony, nie dają żadnego przyczynku do przewodnictwa elektrycznego Elektrony mogą przemieszczać się jedynie w stanie nie całkowicie zapełnionym, zajmując miejsca puste Poziomy energii elektronów tworzą grupy zwane pasmami model pasmowy ciała stałego Elektrony o najniższych energiach tworzą zbiór zapełnionych poziomów energii pasmo walencyjne V Nie obsadzone poziomy energii pasmo przewodnictwa C Pomiędzy pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa nie występują dozwolone poziomy energii przerwa energetyczna pasmo wzbronione G

16 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)16 V C G pasmo przewodnictwa (pasmo puste) pasmo wzbronione (przerwa energetyczna) pasmo walencyjne (pasmo zapełnione) Model pasmowy ciała stałego

17 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)17 izolator półprzewodnik metal V C V C V C Model pasmowy ciała stałego

18 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)18 A - stan podstawowy A* - stan wzbudzony A + - stan zjonizowany E0E0 EnEn EjEj E Jonizacja atomu

19 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)19 - wzbudzenie atomu : E 0 E a - wzbudzenie atomu : E a E b ; E b > E j - wzbudzony elektron E b opuszcza atom E kb = E b - E j - inny elektron ze stanu wzbudzonego przechodzi do stanu podstawowego w wyniku powstaje nie wzbudzony jon dodatni E0E0 EaEa EbEb EjEj dla energii optycznych autojonizacja, dla energii rentgenowskich zjawisko Augera Podwójna jonizacja atomu

20 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)20 - Zderzenie elektronu e s z atomem A E e > E j jonizacja atomu E > E j fotojonizacja (zjawisko fotoelektryczne) s e w e AA + e a Jonizacja atomu elektronami

21 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)21 Jonizacja gazu w polu E Istniejące w gazie jony, jony pierwotne, jeżeli mają odpowiednią energię mogą wywołać pobudzenie molekuł lub wytworzyć dalsze jony, jony wtórne Gdy E = 0 jony wtórne pozostają przez bardzo krótki czas w pobliżu cząstki która przekazała im energię i następnie biorąc udział w ruchu cieplnym przemieszczają się w inne miejsca Pole E wymusza kierunek ruchu jonów zgodny z kierunkiem linii sił pola E Szybkość ruchu jonów zależy od natężenia pola E Gdy E jest na tyle małe, że przekazywana energia nie wywołuje pobudzenia ani jonizacji i nie ma wzajemnego oddziaływania pomiędzy jonami, ruch jonów w kierunku odpowiedniej elektrody określa szybkość unoszenia w:

22 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)22 Szybkość unoszenia jonów we własnym gazie opisuje model naładowanej kuli poruszającej się w polu elektrycznym, w którym znajdują się nienaładowane elektrycznie atomy (Langevin) E Jonizacja gazu w polu E

23 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)23 Teoria Langevina-Thomsona uwzględnia oddziaływanie jonu prowadzące do polaryzacji materii oraz wpływ spolaryzowanej materii na jon E Jonizacja gazu w polu E

24 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny) E Jonizacja gazu w polu E Teoria Langevina-Thomsona uwzględnia oddziaływanie jonu prowadzące do polaryzacji materii oraz wpływ spolaryzowanej materii na jon

25 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny) E Jonizacja gazu w polu E Teoria Langevina-Thomsona uwzględnia oddziaływanie jonu prowadzące do polaryzacji materii oraz wpływ spolaryzowanej materii na jon

26 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny) E lepsza zgodność Jonizacja gazu w polu E Teoria Langevina-Thomsona uwzględnia oddziaływanie jonu prowadzące do polaryzacji materii oraz wpływ spolaryzowanej materii na jon

27 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)27 Dla bardzo słabego natężenia pola E, jony zachowują się tak, jakby pola E nie było a gęstość jonów jest zależna jest od zwykłej rekombinacji Gęstość prądu j j jonizacji prawo Ohma: r j - gęstość par jonów q - ładunek jonu A - przewodnictwo gazu (zależy od rodzaju jonów, temperatury i ciśnienia gazu) Jonizacja gazu w polu E

28 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)28 W polu elektrycznym zachodzi dyfuzja jonów, która ma charakter wymuszony D - współczynnik dyfuzji Dla słabych pól E jony dyfundują w szybkością unoszenia, która porządkuje ich ruch, prędkość jonów: gęstość jonów: Dyfuzja jonów w polu E

29 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)29 Przewodnictwo dielektryka stałego można opisać stosując model pasmowy Przewodnictwo dielektryka przerwa energetyczna pasmo przewodnictwa metal– dielektryk - metal

30 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)30 Istniejące na styku metal-dielektryk zagięcie pasm zależy od pracy wyjścia obydwu materiałów poziom Fermiego poziom próżni metal– dielektryk - metal praca wyjścia z metalu Przewodnictwo dielektryka praca wyjścia z dielektryka

31 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)31 W niezbyt silnych polach E (>10 7 V/m) jednym z możliwych mechanizmów transportu ładunku jest ruch elektronu lub dziury w paśmie przewodnictwa Poruszający się elektron (lub dziura) wywołuje lokalną polaryzację sieci przemieszczającą się wraz z nim polaron Przewodnictwo dielektryka

32 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)32 - Inny możliwy mechanizm przewodnictwa elektrycznego transport elektronów (lub dziur) przez pasmo wzbronione - W idealnym dielektryku proces tunelowy Przewodnictwo dielektryka

33 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)33 Przewodnictwo dielektryka - Inny możliwy mechanizm przewodnictwa elektrycznego transport elektronów (lub dziur) przez pasmo wzbronione - W idealnym dielektryku proces tunelowy

34 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)34 - W dielektrykach rzeczywistych defekty sieci krystalicznej powodują powstanie paśmie wzbronionym lokalnych dozwolonych poziomów energetycznych poziomy pułapkowe Przewodnictwo dielektryka

35 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)35 Przewodnictwo dielektryka - Gdy gęstość poziomów pułapkowych jest duża i odległości między nimi są małe przewodnictwo hoppingowe

36 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)36 - Elektrony skaczą od jednej pułapki do drugiej - Gdy gęstość poziomów pułapkowych jest duża i odległości między nimi są małe przewodnictwo hoppingowe Przewodnictwo dielektryka

37 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)37 Przewodnictwo dielektryka - Gdy gęstość poziomów pułapkowych jest duża i odległości między nimi są małe przewodnictwo hoppingowe - Elektrony skaczą od jednej pułapki do drugiej

38 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)38 Przewodnictwo dielektryka - Gdy gęstość poziomów pułapkowych jest duża i odległości między nimi są małe przewodnictwo hoppingowe - Elektrony skaczą od jednej pułapki do drugiej

39 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)39 Przewodnictwo dielektryka - Gdy gęstość poziomów pułapkowych jest duża i odległości między nimi są małe przewodnictwo hoppingowe - Elektrony skaczą od jednej pułapki do drugiej

40 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)40 Przewodnictwo dielektryka - Gdy gęstość poziomów pułapkowych jest duża i odległości między nimi są małe przewodnictwo hoppingowe - Elektrony skaczą od jednej pułapki do drugiej

41 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)41 Przewodnictwo dielektryka - Gdy gęstość poziomów pułapkowych jest duża i odległości między nimi są małe przewodnictwo hoppingowe - Elektrony skaczą od jednej pułapki do drugiej

42 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)42 Przewodnictwo dielektryka - Gdy gęstość poziomów pułapkowych jest duża i odległości między nimi są małe przewodnictwo hoppingowe

43 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)43 -przewodnictwo elektryczne dielektryków może mieć charakter jonowy - transport ładunku związany z ruchem jonów między położeniami międzywęzłowymi lub lukami w węzłach sieci Przewodnictwo dielektryka

44 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)44 - Kreacyjno-anihilacyjny model przewodnictwa elektrycznego (CAMEC) – Jerzy Małecki - Pole elektryczne działające przez dłuższy czas na słabo przewodzące materiały (polimery, kwarc, niektóre szkła, ciecze organiczne) powoduje sięgające nieraz kilku rzędów wielkości zmniejszenie wartości przewodnictwa elektrycznego - Do opisu takich efektów można zastosować kreacyjno- anihilacyjny model przewodnictwa opracowany celem wyjaśnienia niezwykle długich czasów życia ładunku elektretowego Przewodnictwo cieczy

45 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)45 - Typowym zjawiskiem dla dielektryków realnych jest zmniejszanie się przewodnictwa elektrycznego G w polu E elementy naładowane procesy elektrochemiczne kreacja – anihilacja nośników G log t Przewodnictwo cieczy

46 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)46 - o dynamice zmian przewodnictwa elektrycznego decydują procesy: - aktywacja. W wyniku termicznej aktywacji nośniki prądu powstają ze stałą prędkością: - rekombinacja określa liczbę par nośników, które anihilują w jednostce czasu i jednostce objętości. W przypadku przewodnictwa samoistnego, gdy nośniki są generowane w procesach aktywacji termicznej, anihilację opisuje prawo rekombinacji: Przewodnictwo cieczy

47 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)47 - wyłapywanie nośników. Nośniki, które osiągają elektrody są wyłapywane i nie biorą dalej udziału w przewodzeniu prądu w dielektryku. Szybkość tego procesu można wyrazić zależnością: -Podstawowe równanie opisujące bilans gęstości par nośników ładunków ma postać: Przewodnictwo cieczy

48 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)48 - czas przejścia nośnika przez grubość próbki - czas odrostu przewodnictwa: Przewodnictwo cieczy

49 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)49 - Rozwiązanie ogólne - W stałym polu E: Przewodnictwo cieczy


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

Podobne prezentacje


Reklamy Google