530 likes | 874 Views
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
E N D
DIELEKTRYKI TADEUSZ HILCZER Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)
Przewodnictwodielektryków 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 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)
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)
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)
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 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)
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 C V pasmo przewodnictwa (pasmo puste) pasmo wzbronione (przerwa energetyczna) G pasmo walencyjne (pasmo zapełnione) Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)
Model pasmowy ciała stałego C C C V V V izolator półprzewodnik metal Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)
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: E0Ea - wzbudzenie atomu: EaEb ; 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)
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)
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)
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)
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)
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)
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 pasmo przewodnictwa przerwa energetyczn a metal – dielektryk - metal • Przewodnictwo dielektryka stałego można opisać stosując model pasmowy Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)
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)
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 przewodnictwaelektrycznego • transport elektronów (lub dziur) przez pasmo wzbronione • W idealnym dielektryku proces tunelowy Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)
Przewodnictwo dielektryka • Inny możliwy mechanizm przewodnictwaelektrycznego • 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 - Gdygęstość poziomów pułapkowych jest dużai odległości między nimi są małe przewodnictwo hoppingowe Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)
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)
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)
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)
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)
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)
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)
Przewodnictwo dielektryka - Gdygęstość poziomów pułapkowych jest dużai 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 międzypołożeniami międzywęzłowymi lub lukami w węzłachsieci 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 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)
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)
Przewodnictwo cieczy - czas przejścia nośnika przez grubość próbki - czas odrostu przewodnictwa: Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)
Przewodnictwo cieczy - Rozwiązanie ogólne - W stałym polu E: Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)