1 / 49

DIELEKTRYKI

DIELEKTRYKI. TADEUSZ HILCZER. Przewodnictwo dielektryków. 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

grayson
Download Presentation

DIELEKTRYKI

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

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

  2. Przewodnictwodielektryków 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 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

  4. Przewodnictwo elektryczne materii Arkadiusz Piekara - Ignacy Adamczewski 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 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 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, • ... 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 s < 10-18 W-1m-1. • Przewodnictwo elektryczne zależy • od liczby nośników • od ruchliwości nośników Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

  9. Przewodnictwo elektryczne dielektryków • Temperaturową zależność przewodnictwas 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)

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

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

  14. Przewodnictwo elektryczne ciał stałych F E - 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 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 Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

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

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

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

  19. Podwójna jonizacja atomu Eb Ej Ea E0 - wzbudzenie atomu: E0Ea - wzbudzenie atomu: EaEb ; Eb > Ej - wzbudzony elektronEbopuszcza atomEkb = 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)

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

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

  23. 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)

  24. 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)

  25. 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)

  26. 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)

  27. 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)

  28. 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)

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

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

  31. 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)

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

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

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

  35. Przewodnictwo dielektryka - Gdygęstość poziomów pułapkowych jest dużai odległości między nimi są małe  przewodnictwo hoppingowe Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

  36. Przewodnictwo dielektryka - Gdygęstość poziomów pułapkowych jest dużai odległości między nimi są małe  przewodnictwo hoppingowe - Elektrony skaczą od jednej pułapki do drugiej Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

  37. Przewodnictwo dielektryka - Gdygęstość poziomów pułapkowych jest dużai odległości między nimi są małe  przewodnictwo hoppingowe - Elektrony skaczą od jednej pułapki do drugiej Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

  38. Przewodnictwo dielektryka - Gdygęstość poziomów pułapkowych jest dużai odległości między nimi są małe  przewodnictwo hoppingowe - Elektrony skaczą od jednej pułapki do drugiej Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

  39. Przewodnictwo dielektryka - Gdygęstość poziomów pułapkowych jest dużai odległości między nimi są małe  przewodnictwo hoppingowe - Elektrony skaczą od jednej pułapki do drugiej Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

  40. Przewodnictwo dielektryka - Gdygęstość poziomów pułapkowych jest dużai odległości między nimi są małe  przewodnictwo hoppingowe - Elektrony skaczą od jednej pułapki do drugiej Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

  41. Przewodnictwo dielektryka - Gdygęstość poziomów pułapkowych jest dużai odległości między nimi są małe  przewodnictwo hoppingowe - Elektrony skaczą od jednej pułapki do drugiej Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

  42. Przewodnictwo dielektryka - Gdygęstość poziomów pułapkowych jest dużai odległości między nimi są małe  przewodnictwo hoppingowe Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

  43. Przewodnictwo dielektryka • przewodnictwo elektryczne dielektryków może mieć charakter jonowy • transport ładunku związany z ruchem jonów międzypołożeniami międzywęzłowymi lub lukami w węzłachsieci Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

  44. 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)

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

  46. 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)

  47. 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)

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

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

More Related