DIELEKTRYKI TADEUSZ HILCZER Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Wstęp Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Poznańska „Szkoła Dielektryków” Mistrz i jego uczniowie Arkadiusz Piekara (1904-1989) August Chełkowski (1927-1999) Stanisław Kielich (1929-1993) Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

„Nasycenie dielektryczne” Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Teoria efektu orientacyjnego Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Teoria efektu orientacyjnego Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Monografia „Fizyka Dielektryków” (pierwsze wydanie polskie powstało na podstawie wykładów w Poznaniu) Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Budowa materii jest bardzo złożona ciała materialne zbudowane są z molekuł molekuły z atomów atomy z elektronów i jąder atomowych jądra atomowe z nukleonów nukleony z kwarków Kwarki i elektrony są uznawane za podstawowe cząstki elementarne Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

cząstek elementarnych Budowa materii Poziomy opisu materii makroskopowy molekularny atomowy jądrowy cząstek elementarnych Z każdym poziomem związany określony zakres energii oddziaływania Rozpatrując określony proces można ograniczyć się do poziomu odpowiedniego dla danego procesu Do opisu klasycznych procesów fizykochemicznych wystarczy atomowy poziom opisu materii Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Poziom atomowy  trzy podstawowe fazy skupienia Budowa materii Poziom atomowy  trzy podstawowe fazy skupienia (istniejące w określonej temperaturze i ciśnieniu) Faza stała:  elementy mają przestrzenne uporządkowanie dalekiego zasięgu, charakteryzuje się najwyższą energią oddziaływania Faza gazowa:  elementy nie mają żadnego uporządkowania Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Budowa materii Radialny rozkład gęstości atomów potasu w zależności od odległości od wybranego atomu w stanie stałym w stanie ciekłym Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Miejsce kryształu plastycznego Budowa materii Budowa materii Miejsce mezofazy Miejsce kryształu plastycznego Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Dwuwymiarowa sieć kryształu ciała szklistego BUDOWA MATERII Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

struktura danego materiału albo/i czynniki zewnętrzne temperatura Stany przejściowe W idealnych kryształach uporządkowanie dalekiego obejmuje całą jego objętość Istnieją ciała, w których uporządkowanie dalekiego zasięgu jest zaburzone - przyczyna: struktura danego materiału albo/i czynniki zewnętrzne temperatura ciśnienie Powstają stany przejściowe, których własności fizykochemiczne mogą wykazywać duże podobieństwo: do własności kryształów do własności cieczy Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Mamy układ N oddziałujących między sobą jednakowych cząstek Funkcje rozkładu Mamy układ N oddziałujących między sobą jednakowych cząstek wzajemny rozkład przestrzenny określają zmienne położenia i orientacji stanowiące zbiory: 3N współrzędnych kartezjańskich: 3N kątów Eulera: (i = 1, 2, 3, ...3N) Funkcja opisująca stan danego układu, albo przebieg zjawiska, zmienia się w sposób ciągły: określona w całym obszarze zmienności współrzędnych: -  < (x,y,z) < ; 0 £ (y,j); 0 £ J < p Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Funkcja F jest określona w przestrzeni konfiguracyjnej K Funkcje rozkładu Funkcja F jest określona w przestrzeni konfiguracyjnej K każdemu punktowi odpowiada zespół 6N współrzędnych cząstek układu punkt ki przestrzeni K jest punktem odwzorowania układu Prawdopodobieństwo znalezienia układu w konfiguracji, której punkt odwzorowania znajduje się w objętości dr o orientacji dw Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Funkcje rozkładu Prawdopodobieństwo, że każda cząstka Ni ze zbioru N cząstek znajdzie się w przestrzeni K o współrzędnych zawartych między xi a xi+dxi, yi a yi+dyi, zi i zi+dzi oraz orientacji wi i wi+dwi: Układ znajdzie się na pewno w jakimkolwiek punkcie przestrzeni K (warunek normalizacji) Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

EK - energia kinetyczna cząstek Funkcje rozkładu Funkcję rozkładu gęstości prawdopodobieństwa f dla układu N oddziałujących ze sobą cząstek opisuje wzór Gibssa: H - całkowita energia układu C - stała, wyznaczana z warunku normalizacyjnego EK - energia kinetyczna cząstek UF - energia potencjalna cząstek w polu zewnętrznym F UN - energia wzajemnego oddziaływania cząstek Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

dla układu N nie oddziałujących ze sobą cząstek (UN=0): Funkcje rozkładu dla układu N nie oddziałujących ze sobą cząstek (UN=0): rozkład Maxwella prędkości cząstek rozkład Boltzmana energii cząstek w polu sił zewnętrznych F EK - energia kinetyczna cząstek UF - energia potencjalna cząstek w polu zewnętrznym F Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Prawdopodobieństwo dP dla rozkładu Gibssa: Funkcje rozkładu Prawdopodobieństwo dP dla rozkładu Gibssa: N - liczba cząstek w objętości V Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Liczba cząstek o współrzędnych zawartych w elemencie drdw: Funkcje rozkładu Liczba cząstek o współrzędnych zawartych w elemencie drdw: Znając całkowitą energię układu H można obliczyć średnie statystyczne wartości różnych wielkości występujących w opisie zjawisk Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Średnia statystyczna wartości funkcji F Funkcje rozkładu Średnia statystyczna wartości funkcji F Układ N oddziałujących ze sobą cząstek (F  0) Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Średnia statystyczna wartości funkcji F Funkcje rozkładu Średnia statystyczna wartości funkcji F Układ N nie oddziałujących ze sobą cząstek (F = 0) ruch zupełnie chaotyczny, wszelkie konfiguracje są równie prawdopodobne Średniowanie statystyczne sprowadza się do średniowania geometrycznego Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Podstawowy układ elektryczny Kondensator elektryczny - układ dwu elektrod (dowolnego kształtu) podstawowy obwód elektryczny R źródło prądu miernik prądu kondensator Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Podstawowy układ elektryczny Pomiędzy elektrodami znajduje się: próżnia R źródło prądu miernik prądu Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Podstawowy układ elektryczny Pomiędzy elektrodami znajduje się: ciało przewodzące R źródło prądu miernik prądu Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Podstawowy układ elektryczny Pomiędzy elektrodami znajduje się: ciało trochę przewodzące R źródło prądu miernik prądu Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Podstawowy układ elektryczny Pomiędzy elektrodami znajduje się: ciało bardzo słabo przewodzące R źródło prądu miernik prądu Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Równania Maxwella Równania Maxwella opisują przestrzenne i czasowe zależności wiążące ze sobą pola elektryczne i magnetyczne Opisane przez pola: wektorowe E (natężenie pola elektrycznego) wektorowe B (indukcję magnetyczną) Pola E i B opisują siłę Lorentza działającą na dowolny ładunek q znajdujący się w pewnym punkcie przestrzeni r poruszający się z prędkością v: Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

wynik prawa Biota-Savarta Równania Maxwella prawo Gaussa prawo Faraday’a wynik prawa Biota-Savarta zmodyfikowane prawo Ampere’a E - wektor natężenia pola elektrycznego B - wektor indukcji magnetycznej J - wektor całkowitej gęstości natężenia prądu r – gęstość objętościowa ładunków elektrycznych Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Wielkości  i J są źródłami pola E Równania Maxwella Równanie ciągłości (dla danego punktu - wypływ prądu ze zmianą w czasie gęstości ładunku) Wielkości  i J są źródłami pola E Równania Maxwella są ogólne i nie zawierają żadnych parametrów własności materii Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Ciało w polu elektrycznym Ciała idealne w elektrostatyce: przewodniki idealne (k = ) izolatory idealne (k = 0) Wszystkie realne ciała lepsze lub gorsze przewodniki Ciało wprowadzone do pola E natychmiast powstaje wewnątrz pole F pole F wytwarza pewien prąd powstały prąd wytwarza ładunek powierzchniowy ładunek powierzchniowy dokładnie znosi pole F Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Ciało w polu elektrycznym Ciało w polu E dąży do stanu równowagi przewodnik  stan równowagi w czasie rzędu 10-6s izolator  stan równowagi w czasie rzędu dni albo miesięcy Dielektryk  izolator w którego wnętrzu może istnieć trwałe pole elektryczne Idealny dielektryk  zależności teoretyczne są słuszne, gdy pomiar jest wykonany w czasie krótkim w porównaniu z czasem osiągnięcia stanu równowagi Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Ciało w polu elektrycznym dipol  układ dwóch różnoimiennych ładunków elektrycznych w odległości r moment elektryczny dipola  m = q r zwrot wektora m  od ładunku ujemnego do dodatniego ładunek q może być sumą chmury ładunków qi w punkcie r (środek ciężkości ładunków): ciało w polu E uzyskuje moment elektryczny indukowany  skutek rozsunięcia środka ciężkości ładunków dodatnich i ujemnych Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Ciało w polu elektrycznym Wektor polaryzacji P  liczbowo moment dipolowy jednostki objętości: N - liczba elementów (atomów lub cząsteczek) materii w jednostce objętości q - ładunek jednego elementu d - średnia odległość na jaką pod wpływem pola E rozsuną się ładunki W izolatorze  rozsunięcie w obrębie zlokalizowanych elementów materii W przewodnikach  oprócz elektronów związanych są elektrony swobodne - mogą się przesuwać na dowolną odległość Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Ciało w polu elektrycznym Ładunek przesunięty przez pole E przez powierzchnię DS (oraz gęstość powstałego ładunku powierzchniowego) zależy od kąta pomiędzy P i N (normalną do powierzchni S) Z objętości V w polu E wypływa ładunek Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Ciało w polu elektrycznym polaryzacja P jest funkcją pola E w najprostszym przypadku można przyjąć zależność liniową ce stała materiałowa - podatność elektryczna wkład ładunków polaryzacyjnych do całkowitego prądu Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Ciało w polu magnetycznym W magnetykach zewnętrzne pole magnetyczne o indukcji B wywołuje magnetyzację M Magnetyzacja M  liczbowo moment magnetyczny jednostki objętości Powstają wewnętrzne prądy Jmag Całkowity prąd Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Ciało w polu magnetycznym Magnetyzacja M jest funkcją pola H W najprostszym przypadku można przyjąć zależność liniową cm - stała materiałowa - podatność magnetyczna m0 przenikalność magnetyczna próżni m przenikalność magnetyczna Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Ciało w polu magnetycznym Równania Maxwella dla ciała izotropowego jednorodnego - Dla dielektryka w próżni  związek Maxwella n – współczynnik załamania światła - Dla izotropowego dielektryka doskonałego (m = 1): Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Ciało w polu elektromagnetycznym Równania Maxwella i równania dodatkowe są jednocześnie słuszne, gdy: ciała są jednorodne ciała w polu elektromagnetycznym są nieruchome współczynniki materiałowe są stałe w każdym punkcie pola ogólnie: stałe materiałowe  i  są tensorami kierunek wektorów D i B nie musi pokrywać się z kierunkami wektorów E i H równania, wiążące ze sobą składowe czterech pól, mogą być nieliniowe Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Cząstki o trwałym momencie m w polu E energia potencjalna cząstki o momencie elektrycznym m: - liczba cząstek dN wewnątrz kąta bryłowego dW Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Cząstki o trwałym momencie m w polu E energia potencjalna cząstki o momencie elektrycznym m: - liczba cząstek dN wewnątrz kąta bryłowego dW o momentach m pod q, Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Cząstki o trwałym momencie m w polu E energia potencjalna cząstki o momencie elektrycznym m: - liczba cząstek dN wewnątrz kąta bryłowego dW o momentach m pod q, Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Cząstki o trwałym momencie m w polu E energia potencjalna cząstki o momencie elektrycznym m: - liczba cząstek dN wewnątrz kąta bryłowego dW o momentach m pod q, przy założeniu statystyki Boltzmanna: A - stała normowania y – energia w jednostkach kT W - kąt bryłowy x = cosq Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Cząstki o trwałym momencie m w polu E - średnia wartość rzutu momentu m na kierunek E Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

średni cosq rzutu dipoli na kierunek E Funkcja Langevina średni cosq rzutu dipoli na kierunek E y = E/kT L(y) - funkcja Langevina wprowadzona przez Langevina w teorii paramagnetyzmu Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

funkcja Langevina Funkcja Langevina Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

francuski fizyk, pedagog, działacz oświatowy Paul Langevin (1872-1946) francuski fizyk, pedagog, działacz oświatowy - od 1909 profesor Collège de France od 1934 członek francuskiej Akademii Nauk prace badawcze dotyczące magnetyzmu, teorii względności, teorii kwantowych 1905 teoria dia- i paramagnetyzmu 1906 (niezależnie od Einsteina) zależność masy i energii 1913 wprowadził pojęcie deficytu masy 1918 piezoelektryczny generator ultradźwiękowy do wykrywania łodzi podwodnych od 1927 badał wpływ ultradźwięków na organizmy żywe Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

francuski fizyk, pedagog, działacz oświatowy Paul Langevin (1872-1946) francuski fizyk, pedagog, działacz oświatowy - od 1909 profesor Collège de France od 1934 członek francuskiej Akademii Nauk prace badawcze dotyczące magnetyzmu, teorii względności, teorii kwantowych 1905 teoria dia- i paramagnetyzmu 1906 (niezależnie od Einsteina) zależność masy i energii 1913 wprowadził pojęcie deficytu masy 1918 piezoelektryczny generator ultradźwiękowy do wykrywania łodzi podwodnych od 1927 badał wpływ ultradźwięków na organizmy żywe Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)