DIELEKTRYKI TADEUSZ HILCZER Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Przewodnictwo dielektryków Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

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 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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, ... Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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 s < 10-18 W-1m-1. Przewodnictwo elektryczne zależy od liczby nośników od ruchliwości nośników Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Przewodnictwo elektryczne dielektryków Temperaturową zależność przewodnictwa s opisuje prawo Arrheniusa: W - energia aktywacji W niskich temperaturach: przewodnictwo elektryczne dielektryków bardzo słabo zależy od temperatury ruchliwość nośników prądu  od 10-14 do 10-4 m2V-1s-1 Ze wzrostem temperatury rośnie ruchliwość nośników prądu rośnie liczba nośników prądu Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

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

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 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

Przewodnictwo elektryczne ciał stałych - 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 f(E,T) T = 0 T2 - układy opisane rozkładem Fermiego-Diraca  układy zdegenerowane T1 E F Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

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

A+ - stan zjonizowany A* - stan wzbudzony A - stan podstawowy E Ej En Jonizacja atomu E A+ - stan zjonizowany Ej A* - stan wzbudzony En A - stan podstawowy E0 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Podwójna jonizacja atomu Eb Ej Ea E0 - wzbudzenie atomu: E0  Ea - wzbudzenie atomu: Ea  Eb ; Eb > Ej - wzbudzony elektron Eb opuszcza atom Ekb = Eb - Ej - inny elektron ze stanu wzbudzonego przechodzi do stanu podstawowego w wyniku powstaje nie wzbudzony jon dodatni dla energii optycznych  autojonizacja, dla energii rentgenowskich  zjawisko Augera Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Jonizacja atomu elektronami Zderzenie elektronu es z atomem A Ee > Ej jonizacja atomu s e w A + a Eg > Ej fotojonizacja (zjawisko fotoelektryczne) Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Szybkość ruchu jonów zależy od natężenia pola E 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: Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

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

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

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

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

Gęstość prądu jj jonizacji  prawo Ohma: Jonizacja gazu w polu E 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 jj jonizacji  prawo Ohma: rj - gęstość par jonów q - ładunek jonu A - przewodnictwo gazu (zależy od rodzaju jonów, temperatury i ciśnienia gazu) Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

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

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

Przewodnictwo dielektryka W niezbyt silnych polach E (>107V/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 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Przewodnictwo cieczy - 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 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

- o dynamice zmian przewodnictwa elektrycznego decydują procesy: Przewodnictwo cieczy - 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: Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

Przewodnictwo cieczy - 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: Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

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