dielektryki n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
DIELEKTRYKI PowerPoint Presentation
Download Presentation
DIELEKTRYKI

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 49

DIELEKTRYKI - PowerPoint PPT Presentation


  • 175 Views
  • Uploaded on

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

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'DIELEKTRYKI' - grayson


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.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
dielektryki

DIELEKTRYKI

TADEUSZ HILCZER

Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

przewodnictwo dielektryk w

Przewodnictwodielektryków

Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

przewodnictwo elektryczne materii
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 materii1
Przewodnictwo elektryczne materii

Arkadiusz Piekara - Ignacy Adamczewski

Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

przewodnictwo elektryczne materii2
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 materii3
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 materii4
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 dielektryk w
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 dielektryk w1
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 dielektryk w2
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 dielektryk w3
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 cia sta ych
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 cia sta ych1
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 cia sta ych2
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 cia a sta ego
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 cia a sta ego1
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 cia a sta ego2
Model pasmowy ciała stałego

C

C

C

V

V

V

izolator półprzewodnik metal

Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

jonizacja atomu
Jonizacja atomu

E

A+ - stan zjonizowany

Ej

A* - stan wzbudzony

En

A - stan podstawowy

E0

Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

podw jna jonizacja atomu
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)

jonizacja atomu elektronami
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
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 e1
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 e2
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 e3
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 e4
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 e5
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 e6
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 jon w w polu e
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
Przewodnictwo dielektryka

pasmo

przewodnictwa

przerwa

energetyczn

a

metal

dielektryk

-

metal

  • Przewodnictwo dielektryka stałego można opisać stosując model pasmowy

Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

przewodnictwo dielektryka1
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 dielektryka2
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 dielektryka3
Przewodnictwo dielektryka
  • Inny możliwy mechanizm przewodnictwaelektrycznego
  • transport elektronów (lub dziur) przez pasmo wzbronione
  • W idealnym dielektryku proces tunelowy

Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

przewodnictwo dielektryka4
Przewodnictwo dielektryka
  • Inny możliwy mechanizm przewodnictwaelektrycznego
  • transport elektronów (lub dziur) przez pasmo wzbronione
  • W idealnym dielektryku proces tunelowy

Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

przewodnictwo dielektryka5
Przewodnictwo dielektryka
  • W dielektrykach rzeczywistych defekty sieci krystalicznej powodują powstanie paśmie wzbronionym lokalnych dozwolonych poziomów energetycznych  poziomy pułapkowe

Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

przewodnictwo dielektryka6
Przewodnictwo dielektryka

- Gdygęstość poziomów pułapkowych jest dużai odległości między nimi są małe  przewodnictwo hoppingowe

Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

przewodnictwo dielektryka7
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 dielektryka8
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 dielektryka9
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 dielektryka10
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 dielektryka11
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 dielektryka12
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 dielektryka13
Przewodnictwo dielektryka

- Gdygęstość poziomów pułapkowych jest dużai odległości między nimi są małe  przewodnictwo hoppingowe

Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

przewodnictwo dielektryka14
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
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 cieczy1
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 cieczy2
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 cieczy3
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 cieczy4
Przewodnictwo cieczy

- czas przejścia nośnika przez grubość próbki

- czas odrostu przewodnictwa:

Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)

przewodnictwo cieczy5
Przewodnictwo cieczy

- Rozwiązanie ogólne

- W stałym polu E:

Tadeusz Hilczer - Dielektryki (wykład monograficzny)