Materiale electrotehnice noi

Materiale electrotehnice noi 1. Fenomene in materialele electrotehnice: conductia electrica si polarizarea electrica Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I Prof.dr.ing.Florin Ciuprina

Cuprins • Structura disciplinei • Mod de notare • Fenomene in materiale electrotehnice • Conductia electrica • Polarizarea electrica

Structura disciplinei

Bibliografie • F. Ciuprina, Materiale electrotehnice noi – Planse de prezentare curs (Master IPE), www.elmat.pub.ro/~florin/student/Master-MEN/info_MEN.html, 2009. • F. Ciuprina, Materiale electrotehnice – fenomene si aplicatii, Editura Printech, 2007 • P.V.Notingher, Materiale pentru electrotehnica, POLITEHNICA PRESS, Bucuresti, 2005. • B. Streetman, S. Banerjee, Solid state Electronic Devices, Prentice Hall, 2005 • L. Solymar, D. Walsh, Electrical Properties of Materials, Oxford University Press, 2004. • IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Nanodielectrics, Vol.15, Nr.1, 2008 • http://www.superconductors.org/.

Mod de evaluare • Laborator: 50 p • Determinari experimentale + analiza → articol stiintific = 30 p • Determinari experimentale + analiza → poster stiintific = 20 p • Examen final: 50 p. Cerinţele minimale pentru promovare: efectuarea tuturor lucrǎrilor de laborator şi acumularea a 50p.

1. Fenomene in materiale electrotehnice • Conductia electrica • Polarizarea electrica • Magnetizarea materialelor • Pierderi in materialele electrotehnice

Conductia electrica • a metalelor • a semiconductorilor • a izolatorilor se datoreaza: • electronilor (metale, semiconductori, izolatori); • ionilor (izolatori)

Ce sunt electronii? Modele - (unul) clasic - (mai multe) cuantice

Electroni in cristale 1. Modelul clasic al electronului 2. Modele cuantice. Unde asociate electronilor 3. Sisteme de particule. Numere cuantice 4. Starile electronilor in cristale 5. Repartitia electronilor pe nivelurile benzilor permise

Modelul clasic al electronului ELECTRON = bilă minusculă, de rază r ≈ 2, 82 · 10−5Å, Ernest Rutherford (1871-1937) fizician britanic Niels Bohr (1885-1962) fizician danez

Modele cuantice. Unde asociate electronilor electron unda sau – functie de unda = solutie a ec. Schrödinger: Louis de Broglie ( 1892 - 1987) fizician francez Erwin Schrödinger (1887- 1961) fizician german

3. Sisteme de particule. Numere cuantice Sisteme de particule • nuclee + electroni = sistem de N particule. • starile sistemului sunt descrise de functia de unda , solutie a ecuatiei Schrödinger: = densitatea de probabilitate a prezentei primei particule a sistemului invecinatatea unui punct dat M1(x1, y1, z1), a celei de a doua particule invecinatateapunctului M2(x2, y2, z2) etc. • = Π , = expresii aproximative

3. Sisteme de particule. Numere cuantice Numere cuantice depind in starile stationare de 4 numere cuantice: • numar cuantic principaln • determina valorile energiei electronului • n= 1, 2, 3, … • numar cuantic secundarl • determina valorile momentului cinetic orbital si ale momentului magnetic orbital ale electronului • l = 0, 1, 2, 3, …, n-1 • numar cuantic magneticml • determina valorile proiectiei momentului cinetic orbital si ale proiectiei momentului magnetic orbital pe o directie arbitrara (adesea directia campului magnetic exterior) • ml= 0, ±1, ±2, …, ±l • numar cuantic de spinms • determina valorile proiectiei momentului cinetic de spin si ale proiectiei momentului magnetic de spin pe o directie arbitrara (adesea directia campului magnetic exterior) • ms= ±½

3. Sisteme de particule. Numere cuantice Numere cuantice n, l, ml - determina o stare orbitala a electronului n, l, ml, ms - determina o stare cuantica a electronului • Principiul de excluziune al lui Pauli: Intr-un sistem format din particule avand numarul cuantic de spin ms semiintreg (electroni, protoni,neutroni),intr-o stare cuantica se poate gasi o singura particula componenta a sistemului.

4. Starile electronilor in cristale Ipoteze simplificatoare: • electroni indiscernabili, functia de unda asociata unui electron descrie starile oricarui electron din cristal. • cristale unidimensionale. • ioni imobili in noduri (exista, insa, o interactiune electron-ion prin intermediul campului electric produs de ioni). • exista o interactiune intre electronii studiati si campul electric produs de alti electroni.

4. Starile electronilor in cristale Aproximatia electronilor liberi: • Ipoteze: • electronii nu interactioneaza cu ionii din nodurile retelei → • conditie de ciclicitate (Born): (x) = (x+L)

4. Starile electronilor in cristale Aproximatia electronilor cvasiliberi: Ipoteze: • electronii interactioneaza cu ionii din nodurile retelei → reflexii Bragg cand , pentru cristalul unidimensional

4. Starile electronilor in cristale Aproximatia electronilor cvasiliberi: → unde stationare: = =

4. Starile electronilor in cristale Aproximatia electronilor cvasiliberi: Masa efectiva a electronului:

4. Starile electronilor in cristale Aproximatia electronilor puternic legati: Ipoteze: • functii de unda de tip Heitler-London

4. Starile electronilor in cristale Aproximatia electronilor puternic legati:

4. Starile electronilor in cristale electroni liberi electroni cvasiliberi electroni puternic legati

5. Repartitia electronilor pe nivelurile benzilor permise Statistica Fermi-Dirac: E = 0, echilibru termic: E≠ 0, echilibru termic:

Conductia electrica a metalelor metal monovalent metal bivalent

Conductia electrica a metalelor Influenta temperaturii

Conductia electrica a metalelor Influenta impuritatilor

Conductia electrica a metalelor Supraconductibilitatea Keike Kamerlingh Onnes (1853-1926) fizician olandez

Conductia electrica a semiconductorilor σ = 10-6 – 105 S/m tip n tip p semiconductor intrinsec semiconductori extrinseci wi = 10-2 – 10-1 eV wi = 0.5 – 1.5 eV

Conductia electrica a semiconductorilor intrinseci

Conductia electrica a semiconductorilor extrinseci de tip n

Conductia electrica a semiconductorilor extrinseci de tip p

Conductia electrica a semiconductorilor Influenta temperaturii si a concentratiei de impuritati

Conductia electrica a semiconductorilor Jonctiunea p-n

Conductia electrica a izolatorilor Curentul prin izolator la aplicarea unei tensiuni continue:

Conductia electrica a izolatorilor Curent de absorbtie:

Conductia electrica a izolatorilor Mecanisme de conductie: - electronica - ionica

Conductia electrica a izolatorilor Ipoteze: • cristal ionic • conductie datorata ionilor pozitivi din interstitii

Conductia electrica a izolatorilor Conductia electronica in campuri uzuale

Conductia electrica a izolatorilor Conductia electronica in campuri intense Strapungerea izolatorilor solizi: • electrica • intrinseca • prin avalansa de electroni • termica

1. Fenomene in materiale electrotehnice • Conductia electrica • Polarizarea electrica • Magnetizarea materialelor • Pierderi in materialele electrotehnice

Polarizarea electrica Polarizatie: Tipuri de polarizare: • polarizare de deformare • electronica • ionica • polarizare de orientare • polarizare de neomogenitate (interfaciala)

Polarizarea electrica Polarizarea de deformare electronica

Polarizarea electrica Polarizarea de deformare ionica

Materiale electrotehnice noi