MATERIAŁOZNAWSTWO II wykład 5

Prezentacja na temat: "MATERIAŁOZNAWSTWO II wykład 5"— Zapis prezentacji:

1 MATERIAŁOZNAWSTWO II wykład 5
Bożena Łowkis Wrocław 2011 r.

2 Plan wykładu Przewodnictwo elektryczne metali. Materiały przewodowe, stykowe i termoelektryczne. Przewodnictwo samoistne i domieszkowe półprzewodników. Materiały półprzewodnikowe. Światłowody. Warystory. Dielektryki. Przewodnictwo elektryczne, polaryzacja, straty dielektryczne. Wytrzymałość elektryczna. Materiały izolacyjne nieorganiczne: materiały ceramiczne, szkła. Materiały izolacyjne termoplastyczne i termoutwardzalne. Materiały kompozytowe. Istota magnetyzmu. Podstawowe wielkości. Materiały magnetycznie miękkie i twarde. Ferryty. Materiały specjalne: piezoelektryczne, magnetostrykcyjne, z pamięcią kształtu, nanomateriały, inteligentne.

3 Literatura podstawowa
1.Celiński Z., Materiałoznawstwo elektrotechniczne, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa Blicharski M., Wstęp do inżynierii materiałowej, Wydawnictwo AGH, Kraków Kolbiński K., Słowikowski J., Materiałoznawstwo elektrotechniczne, WNT, Warszawa Rutkowski J. i inni, podstawy inżynierii materiałowej – laboratorium, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław Hilczer B., Małecki J.- Elektrety i piezopolimery, PWN, Warszawa, Lisowski M. - Pomiary rezystywności i przenikalności elektrycznej dielektryków stałych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, Newell J., Essentials of modern materials science and engineering, John Wiley-Sons, Inc. 2008

4 Terminy egzaminu I termin: 24 stycznia 2012 r. ,
SESJA ZIMOWA: 23 stycznia 2012 r. do 8 lutego 2012 r. I termin: 24 stycznia 2012 r. , godz – 16.45, sala…… II termin: 31 stycznia 2012 r. , godz – 16.45, sala……. Warunkiem przystąpienia do egzaminu jest zaliczenie laboratorium

5 Fotorezystory Elementy półprzewodnikowe zmieniające swoją rezystancję pod wpływem zmian natężenia światła. Najprostszym fotorezystorem jest płytka półprzewodnika umieszczona między dwiema elektrodami. Jako materiały do budowy fotorezystorów służą Si, Ge, tellur, związki ołowiu, talu, kadmu i bizmutu z siarką, selenem i tellurem. Do najbardziej rozpowszechnionych należą: PbS, Bi2S3, CdS . Małe wymiary, duża czułość. Największa czułość CdS – w pirometrach radiacyjnych, służących do określania temperatury przez pomiar promieniowania nagrzanego ciała. Wada: duża bezwładność, tj. opóźniona reakcja na zmiany natężenia promieniowania

6 Ogniwa termoelektryczne
Elementy, w których zjawisko Seebecka jest wykorzystywane do bezpośredniej przemiany energii cieplnej w elektryczną. Z termodynamicznego punktu widzenia ogniwo TEL jest maszyna cieplną. Zjawisko Seebecka było wykorzystywane w elementach termoelektrycznych do pomiaru temperatury. Dopiero zastosowanie materiałów półprzewodnikowych pozwoliło zwiększyć o rząd sprawność przemiany energii cieplnej w elektryczną i umożliwiło traktowanie elementów TEL jako źródeł energii elektrycznej.

7 Termistory Element, zwykle półprzewodnikowy, którego rezystancja zależy od temperatury. Wyróżnia się trzy rodzaje termistorów, zależnie od zmian ich rezystywności od temperatury: termistory typu NTC o ujemnej wartości temperaturowego współczynnika rezystancji α(-0,02….—0,08 deg-1) termistory typu PTC o dodatniej wartości temperaturowego współczynnika rezystancji α(+0,05….+0,70 deg-1) termistory typu CTR o gwałtownym zmniejszaniu się rezystancji w kilkustopniowym przedziale zmian temperatury

8 Termistory Termistory NTC wykonuje się z polikrystalicznych materiałów półprzewodnikowych o dużej wartości α: Fe2O3.TiO2, MgO.TiO2, MgO.Al2O3 Stosuje się do pomiaru temperatury, do kompensacji temperaturowych zmian rezystancji obwodów elektrycznych, do stabilizacji napięcia, w zabezpieczeniach przeciwprzepięciowych jako przekaźniki rozruchowe i czasowe

9 Termistory Termistory typu PTC wytwarza się techniką spiekania z polikrystalicznego tytanianu baru BaTiO3 i jego roztworów stałych z SrTiO3 i BaSnO3 domieszkowanych lantanowcami. Są to ferroelektryki o dużej wartości przenikalności elektrycznej, zależnej od temperatury (nie należą do półprzewodników). W pewnym zakresie wartości temperatury, rośnie szybko rezystancja termistorów ze wzrostem temperatury. Zastosowanie: układy kontroli cieplnej, ograniczenie prądu w obwodach elektrycznych, termometry oporowe, do temperaturowej kompensacji układów z tranzystorami

10 Termistory Termistory typu CTR – ze spieków polikrystalicznego tlenku wanadu lub tytanu. W określonej temperaturze następuje gwałtowna zmiana ich struktury krystalicznej, prowadząca do gwałtownego zmniejszenia rezystywności. Np. rezystywność tlenku wanadu po przekroczeniu 68 C skokowo zmniejsza się o cztery rzędy wielkości. Przez wprowadzenie odpowiednich domieszek można regulować temperaturę przemiany od -20… +90 C

11 Warystory Elementy półprzewodnikowe, których rezystancja zależy od przyłożonego do ich zacisków napięcia. Charakterystyka prądowo-napięciowa wyróżnia się znaczną nieliniowością- zwiększenie napięcia prowadzi do silnego zmniejszenia rezystancji i gwałtownego wzrostu prądu. Charakterystykę warystora w jej końcowym zakresie można opisać równaniem - współczynnik nieliniowości, będący miarą nieliniowości charakterystyki prądowo-napięciowej warystora.

12 Warystory W zastosowaniach warystorów wykorzystuje się nieliniowość jej charakterystyki, a więc będą one tym korzystniejsze im współczynnik nieliniowości będzie mniejszy. Główną rolę w mechanizmie przewodzenia gra ziarnistość struktury warystora. Ziarenka karborundu (polikryształ-półprzewodnik) oddzielone są składnikami o charakterze dielektryków (piasek kwarcowy). Zastosowanie: w układach n.n. - układy stabilizacji napięcia, gaszenia iskrzeń na stykach, zabezpieczenia od przepięć komutacyjnych, w telefonii, radiotechnice. Najpowszechniejsze zastosowanie w układach w.n. w odgromnikach iskiernikowych.

13 Warystory Warystor jako element ochrony przeciwprzepięciowej włączany jest równolegle do chronionego obiektu. Gdy napięcie na obiekcie przekroczy założony poziom, rezystancja warystora maleje, co prowadzi do nadmiernego wzrostu poboru prądu i wyłączenia zasilania chronionego obiektu.

14 Warystory Przy pracy jako ochrona linii napowietrznej w.n. i stacji transformatorowo-rozdzielczej przed przepięciami wywołanymi wyładowaniami piorunowymi - warystor włączany jest poprzez układ iskierników między przewód pod napięciem a uziemienie. Jego mała rezystancja wywołana bardzo wysokim napięciem wyładowania piorunowego pozwala na swobodny przepływ prądu wyładowania do ziemi. Do produkcji oporników beziskiernikowych (warystory) wykorzystuje się spieki ceramiczne, w których głównym składnikiem jest ZnO (80…90%) z domieszką Bi, Co, In, Ni….

15 Hallotrony Elementy półprzewodnikowe, służą do pomiaru indukcji magnetycznej. Działanie ich opiera się na wykorzystaniu zjawiska Halla. Czujnik Halla stanowi cienka płytka o grubości ułamka mm i wymiarach boków 1…3 mm, dzięki czemu można ją umieszczać i mierzyć indukcję nawet w bardzo wąskich szczelinach obwodów magnetycznych maszyn i transformatorów.

16 Hallotrony Oprócz pomiaru pól magnetycznych służą do pośrednich pomiarów wielkości elektrycznych: natężenie pradu, mocy, rezystancji i nieelektrycznych: kąt obrotu, przesunięcie, ciśnienie. Najczęściej do wyrobu hallotronów stosuje się InAs, InSb. Są to półprzewodniki typu n i ich stałe Halla wynoszą: 0, i 0, m3/As

17 Dielektryki Dielektryki – ciała stałe, ciekłe i lotne, które w swej strukturze nie zawierają ładunków swobodnych. Ładunki elektryczne przeciwnych znaków występujące w równych ilościach w poszczególnych atomach, cząsteczkach są ze sobą bardzo silnie związane siłami wzajemnego przyciągania. Gdy na ładunki działają siły pola elektrycznego, więź między nimi nie zostaje zerwana, a jedynie doznają one nieznacznych, sprężystych przesunięć względem siebie. Wszystkie ładunki dodatnie przesuwają się w kierunku zgodnym z kierunkiem pola elektrycznego, ładunki ujemne w kierunku przeciwnym.

18 Dielektryki Polaryzacja elektryczna
W wyniku takiej uporządkowanej, sprężystej deformacji atomów i cząsteczek dielektryka, na jego powierzchni zwróconej do okładziny dodatniej kondensatora pojawia się warstwa ładunków ujemnych. Zjawisko to nazywa się polaryzacją dielektryka w polu elektrycznym.

19 Podział dielektryków ze względu na rodzaj polaryzacji
Niektóre dielektryki ze względu na złożoną zależność polaryzacji od przyłożonego pola i innych parametrów układu wykazują liczne efekty fizyczne, które można wykorzystać w bardzo różnorodny sposób.

20 Podział dielektryków ze względu na rodzaj polaryzacji
Piezoelektryki charakteryzują się tym, że występuje w nich polaryzacja przy odkształceniach sprężystych pod wpływem przyłożonych naprężeń. Posiadają one strukturę krystaliczną, której komórka elementarna nie ma środka symetrii. Efekt piezoelektryczny odwrotny polega na odkształcaniu się kryształu umieszczonego w polu elektrycznym  Jeśli komórka elementarna kryształu nie ma środka symetrii i ma tylko jedną oś symetrii (oś polarna) to materiał wykazuje spontaniczną polaryzację i efekt piroelektryczny, który polega na powstaniu polaryzacji wskutek zmiany temperatury kryształu Ferroelektryki stanowią podgrupę piroelektryków, w których spontaniczną polaryzację można odwrócić poprzez zewnętrzne pole elektryczne. Charakteryzują się histerezą polaryzacji oraz bardzo dużą i nieliniową przenikalnością elektryczną. Zależy ona silnie od temperatury i osiąga maksimum w temperaturze zwanej temperaturą Curie  Elektrety, dielektryki, w których w sposób trwały utrzymuje się polaryzacja dipolowa lub stan naładowania elektrycznego. Elektrety wytwarzają zewnętrzne pole elektryczne (elektrostatyczny odpowiednik magnesu)

21 Dipole elektryczne Układ dwóch ładunków o przeciwnych znakach i równej wielkości, oddalonych od siebie na odległość l nazywa się dipolem elektrycznym. Na dipol umieszczony w zewnętrznym polu elektrycznym działa moment skręcający, dążący do ułożenia go wzdłuż linii pola. Moment skręcający ma wymiar energii [J].

22 Trwale dipole elektryczne
Cząsteczki niektórych materiałów dielektrycznych obdarzone są trwałymi elektrycznymi momentami dipolowymi. Do takich cząsteczek zwanych polarnymi należą cząstki o niesymetrycznej strukturze. Wypadkowy środek ciężkości wszystkich ładunków ujemnych takiej cząsteczki nie pokrywa się z wypadkowym środkiem ciężkości wszystkich jej ładunków dodatnich – cząstka taka jest dipolem elektrycznym. Dipolowy charakter mają z reguły cząsteczki związków chemicznych o wiązaniach jonowych, jak też związki o wiązaniach kowalencyjnych, które maja niesymetryczną strukturę. Cząsteczka o wiązaniu kowalencyjnym i symetrycznej budowie CO2 (4.4-1a), a niesymetrycznej budowie H2O (4.4-1b).

23 Trwale dipole elektryczne
Przykłady cząsteczek substancji organicznych o symetrycznej i niesymetrycznej budowie

24 Indukowane dipole elektryczne
W atomach oraz cząsteczkach o strukturze symetrycznej wypadkowy środek ciężkości wszystkich ładunków ujemnych pokrywa się z wypadkowym środkiem ciężkości wszystkich jej ładunków dodatnich. Elektryczne momenty dipolowe takich cząsteczek =0. Umieszczenie tego rodzaju cząsteczek w zewnętrznym polu elektrycznym prowadzi jednak do jej polaryzacji i powstania indukowanego momentu dipolowego. Mechanizm zjawiska na przykładzie pojedynczego atomu – rys Indukowane dipole elektryczne występują tylko w obecności zewnętrznego pola elektrycznego i są do niego proporcjonalne.

25 Wektor polaryzacji elektrycznej
Pole elektryczne E w jakimś punkcie obszaru związane jest z indukcją elektryczną zależnością: D=εE=ε0εwE A.s/m2 ε - elektryczna przenikalność absolutna ośrodka εw - przenikalność względna, ε0 – przenikalność elektryczna próżni = 8, As/Vm, zwana stałą elektryczną.   Dielektryk można traktować jako neutralny elektrycznie zbiór dipoli i ładunków punktowych. Jeśli dipole trwałe lub indukowane są przynajmniej częściowo uporządkowane w jakimś określonym kierunku, określona objętość dielektryka będzie miała wypadkowy, makroskopowy moment dipolowy P zwany wektorem polaryzacji elektrycznej lub polaryzacją elektryczną.

26 Mechanizmy polaryzacji
Trzy różne mechanizmy polaryzacji poszczególnych atomów i cząsteczek w polu elektrycznym: polaryzacja elektronowa – pole elektryczne wywołuje względne przesunięcie dodatniego i ujemnego ładunku atomu. Atom uzyskuje w ten sposób indukowany elektryczny moment dipolowy polaryzacja jonowa- pole wywołuje względne przesunięcie dodatnich i ujemnych jonów w cząsteczce. Indukowany jest wówczas dodatkowy moment dipolowy polaryzacja dipolowa (polaryzacja orientacji)- jeśli w nieobecności pola istnieją w ośrodku stałe momenty dipolowe ustawione w różnych przypadkowych kierunkach, pole elektryczne powoduje ich obrót i uporządkowanie w kierunku pola.

27 Mechanizmy polaryzacji dielektryka

28 Polaryzacja elektronowa
występuje we wszystkich dielektrykach. Polega na przesunięciu zewnętrznych powłok elektronowych względem dodatnich jąder, polaryzacja elektronowa jest praktycznie bezinercyjna, przebiega w czasie s, towarzyszące jej odkształcenie jest całkowicie sprężyste, praca włożona w jego powstanie nie zamienia się w ciepło, lecz zostaje zmagazynowana w polu elektrycznym, powstałe dipole elektryczne mają charakter dipoli indukowanych- po usunięciu zewnętrznego pola elektrycznego polaryzacja elektronowa natychmiast ustępuje.

29 Polaryzacja jonowa występuje tylko w takich materiałach, których cząsteczki zbudowane są z jonów. polega na wzajemnym, sprężystym rozsunięciu różnoimiennych jonów, zjawisko to ze względu na bezwładność stosunkowo ciężkich jonów, zachodzi w czasie s, a więc wolniej od polaryzacji elektronowej, nie powoduje strat energii na ciepło, ustępuje po usunięciu zewnętrznego pola elektrycznego. 

30 Polaryzacja dipolowa występuje w dielektrykach ciekłych i gazowych z cząsteczkami o charakterze trwałych dipoli elektrycznych, w nieobecności pola elektrycznego cząsteczki dielektryka znajdują się w chaotycznym ruchu cieplnym, wskutek czego momenty ich dipoli elektrycznych wzajemnie się znoszą i wypadkowy moment dipolowy jest równy zeru, w zewnętrznym polu elektrycznym na cząsteczki – dipole elektryczne- wywierane są siły porządkujące, starające się ustawić je równolegle do pola elektrycznego.

31 Polaryzacja dipolowa c.d.
Stopień uporządkowania dipoli wzdłuż linii sił pola elektrycznego jest zależny od dwóch przeciwstawnie działających czynników: wartości zewnętrznego pola elektrycznego, wartości temperatury, od której zależna jest intensywność ruchu cieplnego cząsteczek przeciwstawiającego się elektrycznym siłom porządkującym. Im wyższa temperatura, tym bardziej chaotyczna orientacja dipoli w wyniku bardziej intensywnych zderzeń i drgań cząsteczek. Dla określonej temperatury ustala się określony stopień uporządkowania dipoli, uwarunkowany tymi dwiema przeciwstawnymi tendencjami.

32 Mechanizmy polaryzacji dielektryka
Polaryzacja dielektryka zawierającego cząstki polarne jest sumą trzech efektów:  P= Pel + Pj +Pd Dodatkowo do trzech mikroskopowych mechanizmów polaryzacji (zachodzą w pojedynczych atomach lub cząsteczkach) może występować makroskopowy mechanizm polaryzacji, gdy w dielektryku znajduje się pewna, z reguły bardzo niewielka liczba ładunków swobodnych. Wędrują one w dielektryku pod wpływem pola elektrycznego zbierając się na niedoskonałościach siatki krystalicznej (zanieczyszczenia, granice ziaren, mikropęknięcia). Ten typ polaryzacji wymaga najdłuższych czasów do osiągnięcia stanu równowagi.

33 Przenikalność elektryczna
Przenikalność elektryczna względna dielektryka liczbowo jest równa stosunkowi pojemności elektrycznej kondensatora z danym dielektrykiem do pojemności tego samego kondensatora po usunięciu dielektryka. Po przyłożeniu napięcia U do okładek płaskiego kondensatora próżniowego zbiera się na nich określony ładunek elektryczny Q0 wytwarzający w przestrzeni między okładkami pole elektryczne E0

34 Przenikalność elektryczna
Gdy przestrzeń między okładkami wypełnić dielektrykiem ulega on polaryzacji w polu E0 - na zewnętrznych powierzchniach dielektryka powstaje ładunek elektryczny. Przyciąga on dodatkowe ładunki ze źródła prądu, zbierające się na okładkach kondensatora. Na każdy ładunek elektryczny wewnątrz dielektryka działają teraz dwie siły: od zewnętrznego pola Ez , wywołanego ładunkami na okładkach kondensatora oraz od pola wewnętrznego Ew wywołanego ładunkami na zewnętrznych powierzchniach dielektryka. Pola te są przeciwnie skierowane, a ich suma jest równa wartości pola E0 w nieobecności dielektryka. Większy ładunek elektryczny zebrany na okładkach kondensatora przy tym samym napięciu oznacza, że pojemność kondensatora uległa zwiększeniu dzięki wypełnieniu kondensatora materiałem dielektrycznym.

35 Przenikalność elektryczna
Pojemność kondensatora próżniowego,[F] Pojemność kondensatora z dielektrykiem, [F] Q i Q0-odpowiednio ładunki elektryczne zgromadzone na okładkach kondensatora z dielektrykiem i bez niego, s powierzchnia okładki kondensatora, l – odległość między okładkami.   C>C0, gdyż Q>Q0 wtedy z definicji

36 Przenikalność elektryczna względna
Dielektryki lotne Dielektryki ciekłe Dielektryki stałe Powietrze 1,000590 Tlen ,000547 Wodór ,000270 Woda destylowana 81 Alkohol etylowy Benzyna ,7 Olej mineralny ,4 Olej lniany ,3 Mika Kauczuk ,5 Bursztyn ,9 Masy ceramiczne 40…100 jest względną przenikalnością elektryczną dielektryka zawsze >1. Jest ona tym większa im silniej w dielektryku występuje zjawisko polaryzacji tzn. im większa jest podatność dielektryka na polaryzację. Zależy od: stanu skupienia dielektryka, rodzaju polaryzacji, temperatury i częstotliwości zmiennego pola elektrycznego.

37 Przenikalność elektryczna względna
Małymi wartościami charakteryzują się: dielektryki lotne, z uwagi na ich małą gęstość, w procesie polaryzacji bierze udział jedynie mała liczba ładunków związanych mieszczących się w jednostce objętości, dielektryki, w których występuje tylko polaryzacja elektronowa, większymi-gdy występuje również polaryzacja jonowa, a największymi, gdy występują wszystkie trzy rodzaje polaryzacji.

38 Przenikalność elektryczna względna - zależność od temperatury
Zależność od temperatury jest zwykle niewielka dla gazów, natomiast może być znaczna dla dielektryków ciekłych i stałych, szczególnie dla tych o dipolowej budowie cząstek.

39 Przenikalność elektryczna względna - zależność od temperatury
Dla niskich wartości temperatury jest mała, gdyż znaczna lepkość oleju w tej temperaturze utrudnia obrót dipoli i ogranicza podatność cząstek na polaryzację dipolową. Przy podwyższonych temperaturach znów zmniejsza się, tym razem w wyniku wzrostu energii ruchów cieplnych cząstek utrudniających ich uporządkowanie.

40 Przenikalność elektryczna względna - zależność od temperatury
Dla dielektryków stałych o cząstkach charakteryzujących się wiązaniami jonowymi, wzrasta przy wzroście temperatury, gdyż osłabia się wtedy więź jonów w cząsteczce, co ułatwia polaryzację jonową.

41 Przenikalność elektryczna względna - zależność od częstotliwości
Wartość jest niezależna od częstotliwości pola elektrycznego w bardzo dużym zakresie częstotliwości dla dielektryków o polaryzacji elektronowej i jonowej. Dla dielektryka dipolowego zależność (f) może być silna. Szybkie zmiany pola elektrycznego uruchamiają elektronowy i jonowy mechanizm polaryzacji, mechanizm dipolowy natomiast, o znacznie większej bezwładności, może nie zostać uruchomiony- dipole nie nadążają z uporządkowaniem za zbyt szybko zmieniającym się polem elektrycznym. Ze wzrostem częstotliwości wartość dielektryka dipolowego, po osiągnięciu określonej częstotliwości granicznej, ulega zmniejszeniu do wartości uwarunkowanej tylko polaryzacją elektronową i jonową.

42 Przenikalność elektryczna względna - zależność od częstotliwości

43 Pojemność kondensatora
Zależność obowiązuje tylko wtedy, gdy pole elektryczne całkowicie przebiega w badanym ośrodku. Sytuacja komplikuje się, jeśli część jego linii sił przebiega w innym ośrodku Uogólniony przypadek pojemności kondensatora rzeczywistego

44 Dziękuję za uwagę