DIELEKTRYKI TADEUSZ HILCZER

Prezentacja na temat: "DIELEKTRYKI TADEUSZ HILCZER"— Zapis prezentacji:

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

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

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

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

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

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

7 Jeżeli jony mają jednakowy ładunek q wówczas:
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 rN - gęstość nośników ładunku Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

10 Pomiędzy kolejnymi zderzeniami na jon działa dodatkowa siła FE:
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 FE: która wywołuje przyspieszenie w kierunku pola E. W polu E energia jonu Ej jest większa o wielkość uzyskaną na koszt pola E. Przy kolejnych zderzeniach jon przekazuje molekułom pewną część energii bEj (b < 1) swojej energii. Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

11 Po ustaleniu się równowagi jest stała średnia szybkość jonu
Przewodnictwo gazów Jeżeli w czasie Dt jon dozna x zderzeń i zmieni swoje położenie o odległość Dl 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 Dt jest dla jonów dodatnich i ciężkich jonów ujemnych bardzo krótki i zależy od ich rodzaju, temperatury T i ciśnienia p gazu. Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

12 Szybkość unoszenia i ruchliwość jonów
Jeżeli natężenie pola elektrycznego E jest małe, że przekazywana energia b Ej 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: m - ruchliwość jonów (dodatnich czy ujemnych), zależy od rodzaju, temperatury i ciśnienia gazu. 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. 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 mJji ładunku q) nie zależy od pola E i można oszacować znając średnią drogę swobodną jonu lj 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 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. Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

16 Ruchliwość jonów – teoria Langevina – Thomsona
Szybkość unoszenia dana jest wyrażeniem: m - masa molekuły, mj – masa jonu, r - gęstość gazu, e -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: Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

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

19 Przewodnictwo dielektryka
- 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 do 10-4 m2V-1s-1 ze wzrostem temperatury rośnie ruchliwość nośników prądu rośnie liczba nośników prądu 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. 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) Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

23 Ogólna teoria jonizacji Jaffego (1913) – jonizacja kolumnowa
Teoria Jaffego Ogólna teoria jonizacji Jaffego (1913) – jonizacja kolumnowa - Jony rozłożone są nierównomiernie – pierwotne kolumny rozszerzają się na skutek dyfuzji - natychmiast po jonizacji jony gęstość poprzeczną n0 wzdłuż kolumny N0 – gęstość liniowa, r – promień kolumny, r0 – średnia odległość jonu od środka kolumny Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

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

26 - 1952 – modyfikacja teorii (Kramers)
Teoria Jaffego - N∞/N0 określa stosunek ładunku mierzonego do ładunku nasycenia (N=1/I) - dla dużych E – modyfikacja teorii (Kramers) Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

27 - molekuła obojętna – zlepek dwu jonów „+” i „-”
Teoria Plumley’a 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 „-” Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

28 Amplituda może być duża – energia wystarcza do zmiany położenia
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 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

29 Po oderwaniu jon porusza się po pewnej drodze swobodnej
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 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

30 Kreacyjno-anihilacyjny model przewodnictwa elektrycznego (CAMEC)
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. Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

34 O dynamice zmian przewodnictwa elektrycznego decydują procesy
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. Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

35 W najprostszym przypadku g =2.
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 g jest zwią­zany z prawdopodobieństwem kontaktu nośników przeciwnych znaków. W najprostszym przypadku g =2. Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

36 Szybkość tego procesu można wyrazić jako
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 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 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

38 Z przyrównania prawej strony równania do zera mamy
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. Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

40 Teoria Małeckiego G E = E  E = 0 tF tR t Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

54 Chlorobenzen – heksan I0=f(f)E=0
Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

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

57 Chlorobenzen – cykloheksan I0=f(f)E=0
Ekstrapolowana wartość I0 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

59 Nitrobenzen – heksan I0=f(f)E=0
Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

60 Nitrobenzen – heksan I0=f(f)E=0 (ekstrapolacja f → 1)
Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

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

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

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

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

66 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)