Скачать презентацию Электрические свойства В зависимости от отношения к электрическому Скачать презентацию Электрические свойства В зависимости от отношения к электрическому

лекция-3-матт-2012-2013-2.ppt

  • Количество слайдов: 16

Электрические свойства В зависимости от отношения к электрическому полю материалы делятся: -проводники (выраженная электропроводность Электрические свойства В зависимости от отношения к электрическому полю материалы делятся: -проводники (выраженная электропроводность ) ρ< 10 -5 Ом*м, ; (металлы, например серебро, медь, алюминий. ) -полупроводники (э-ть зависит от вида и количества примесей и от внешних воздействий: температуры, освещенности и т. п. ) ρ≈10 -6 -10 9 Ом*м, ; (- простые вещества: германий, кремний; селен, теллур, бор, углерод, фосфор, сера, сурьма, мышьяк и др. ; - окислы и сульфиды многих металлов: Ni. O, Cu 2 O, Cu. O, Cd. O, Pb. S и др. ; - тройные соединения: Cu. Sb. Sr, Cu. Fe. Se 2, Pb. Bi. Se 3 и др. ; - твердые растворы Ge. Si, Ga. As 1 -x Px и др. ; - органические красители и другие материалы: антрацен, фталоцианин, нафталин и другие. ) -диэлектрики (способны к поляризации, возможность существования электростатического поля ) ρ> 10 7 Ом*м. (керамика, пластмассы, стекло, ситаллы)

Зонная теория проводимости. Постулаты Бора: -электрон, обращающийся вокруг ядра, может двигаться только по некоторым Зонная теория проводимости. Постулаты Бора: -электрон, обращающийся вокруг ядра, может двигаться только по некоторым и разрешенным орбитам. -электрон, двигаясь по разрешенной орбите, не излучает энергии. -при сообщении электрону дополнительной энергии извне он может перескочить на более удаленную орбиту или совсем покинуть атом.

варианты зонной структуры: 1) валентная и свободная зоны не перекрываются, а разделены запрещенной зоной; варианты зонной структуры: 1) валентная и свободная зоны не перекрываются, а разделены запрещенной зоной; 2) валентная и свободная зоны перекрываются или соприкасаются без перекрытия. 1 э. В=1, 6*10 -19 Дж. ширина запрещенной зоны: полупроводников - ∆Е=0, 05 -3 э. В; диэлектриков - ∆Е› 3 э. В; с↑ Т→проводимость↑ проводники – не имеют запрещенной зоны. с↑ Т→проводимость↓

Основные электрические характеристики материалов Проводниковые свойства материалов характеризуются: -величиной электропроводности γ (См/м); -удельным сопротивлением Основные электрические характеристики материалов Проводниковые свойства материалов характеризуются: -величиной электропроводности γ (См/м); -удельным сопротивлением ρ=1/γ. R=ρL/S R –Ом, ρ – Ом/м, L – длина проводника, S – площадь поперечного сечения проводника, м 2. Проводники первого рода Проводники второго рода (электролиты) Обладают электронной проводимостью. Обладают ионной проводимостью. γ ~1/Т. ρ ↓ с температурой ρ ↑ с температурой (все металлы).

Общее уравнение электропроводимости: γ=qnµ q- заряд носителя заряда; n – число носителей заряда; µ Общее уравнение электропроводимости: γ=qnµ q- заряд носителя заряда; n – число носителей заряда; µ - подвижность носителя заряда. В диэлектриках различают: -удельное объемное сопротивление ρv (Ом*м ); -удельное поверхностное сопротивление ρs (Ом). Температурная зависимость удельного объемного сопротивления: ρv=ρ0 e. U/RT U – энергия активации электропроводности. При Тс ρv =4*1012 Ом*м U/RT=46± 6. Физические механизмы поляризации: -электронная; -ионная; -дипольная. Температурная зависимость ρv полимеров.

ρн=q*L q – суммарный заряд без учета знака; L – расстояние между суммарными зарядами. ρн=q*L q – суммарный заряд без учета знака; L – расстояние между суммарными зарядами. Обычно ρн = 10 -30 -10 -29 Кл*м. Полярные вещества -состоят из молекул, имеющих постоянный электрический момент. Молекула полярна при наличии в составе атомов различной электроотрицательности, а структура молекулы несимметрична (вода Н 2 О, аммиак NH 3, хлористый метил CH 3 Cl, нитробензол C 6 H 5 NO 2, поливинилхлорид -[CH 2 -CHCl]- и др. ). Р→ (t)=Р→ 0*е –t/τ t – время от начала процесса (наложения или снятия электрического поля); τ – время релаксации, т. е. время в течении которого поляризация изменится в е раз (е=2, 718) Время дипольной релаксации 10 -6 – 10 -10 с, поэтому дипольная поляризация наблюдается при частотах ниже 106 – 1010 Гц.

Виды дипольной поляризации в полимерах: – дипольно-групповая (β)-это ориентация полярных групп, содержащихся в молекулах; Виды дипольной поляризации в полимерах: – дипольно-групповая (β)-это ориентация полярных групп, содержащихся в молекулах; *Осуществляется при нагревании до температур размораживания подвижности соответствующих отдельных полярных групп (температуры вторичных β, γ-переходов). -дипольно-сегментальная (α) - связана с ориентацией полярных групп в составе сегментов – отрезков макромолекул. *Осуществляется при нагревании полимера выше температуры стеклования Тс (так называемый основной или α-переход) Ионная поляризация наблюдается в диэлектриках ионного строения, (Na. Cl, Ti. O 2, Pb. O). Заключается в упругом смещении разноименно заряженных ионов относительно положения равновесия в кристаллической решетке. Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков независимо от наличия других видов поляризации. Заключается в упругом смещении электронных облаков относительно атомных ядер. -не зависит от температуры; -устанавливается при наложении электрического поля; -исчезает при снятии поля за 10 -15 с, поэтому не сопровождается потерями энергии. Проявляется в неполярных диэлектриках, не имеющих ионных примесей, например, Н 2, О 2, Не, СС 14 – четыреххлористый углерод, С 6 Н 6 – бензол, -[CH 2 -CH 2]n полиэтилен.

Диэлектрическая проницаемость -характеризует способность диэлектрика образовывать емкость. ɛ= С/С 0 С-емкость конденсатора с данным Диэлектрическая проницаемость -характеризует способность диэлектрика образовывать емкость. ɛ= С/С 0 С-емкость конденсатора с данным диэлектриком; С 0 – емкость того же конденсатора , но вместо диэлектрика – вакуум. Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ - характеризует потери энергии прохождении электрического тока через конденсатор с диэлектриком. Поведение диэлектриков при изменении частоты электрического поля, температуры и прочее определяется видом поляризации, преобладающим в данном диэлектрике. В неполярных диэлектриках ɛ и tgδ практически не зависят от частоты электрического поля, а с ↑ температуры ɛ слабо ↓, tgδ ↑. В полярных диэлектриках до определенной частоты (fкр) ɛ не изменяется, а затем ↓, приближаясь при высоких частотах к значениям, характерным для неполярных диэлектриков.

ωкр - критическая частота ωкрτ=1 - условие максимума диэлектрических потерь в полярном диэлектрике при ωкр - критическая частота ωкрτ=1 - условие максимума диэлектрических потерь в полярном диэлектрике при данной температуре Частотные и температурные зависимости ɛ и tgδ полярных и неполярных диэлектриков. 1 неполярный диэлектрик; 2 - полярный диэлектрик.

Сегнетоэлектрик- диэлектрик, обладающий спонтанной поляризацией под влиянием внутренних процессов без внешних воздействий. Сегнетоэлектрические домены Сегнетоэлектрик- диэлектрик, обладающий спонтанной поляризацией под влиянием внутренних процессов без внешних воздействий. Сегнетоэлектрические домены - области спонтанной поляризации в материале. Коэрцитивная сила Ес - напряженность электрического поля, при которой поляризация равна нулю. S г. п. ~ энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период. Параэлектрик -нелинейный диэлектрик не обладающий спонтанной поляризацией. Вещества обладающие сегнетоэлектрическими свойствами: сегнетова соль Na. KC 4 H 4 O 6* 4 H 2 O (от -18 до +230 С). -титанат бария Ba. Ti. O 3 и материалы на его основе. Зависимость поляризации Р от напряженности электрического поля Е.

Активные диэлектрики (способным генерировать, преобразовывать или усиливать сигналы в электрических цепях): -сегнетоэлектрики; -пьезоэлектрики; -пироэлектрики; Активные диэлектрики (способным генерировать, преобразовывать или усиливать сигналы в электрических цепях): -сегнетоэлектрики; -пьезоэлектрики; -пироэлектрики; -материалы квантовой электроники; - электрооптические нелинейнооптические материалы - жидкие кристаллы и электреты. Uпр=Епр*h Uпр - пробивное напряжение диэлектрика; Епр - электрическая прочность диэлектрика (минимальная напряженность однородного электрического поля, приводящая к пробою) . h – толщина диэлектрика.

типы пробоя: электрический разрушение структуры диэлектрика силами электрического поля. тепловой в ходе нагрева диэлектрика типы пробоя: электрический разрушение структуры диэлектрика силами электрического поля. тепловой в ходе нагрева диэлектрика в электрическом поле в результате диэлектрических потерь. Развивается мгновенно. Р=U 2ωCtgδ U – напряжение, В; ω- круговая частота электрического поля, рад/с (ω=2πf); С – емкость, образованная диэлектриком, Ф; tg δ – тангенс угла диэлектрических потерь. Носители электрического заряда в полупроводниках: -электроны; (е, преодолевшие запрещенную зону и находящиеся в зоне проводимости) -дырки. (вакансии, образовавшиеся после перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости ) µ - подвижность электронов и дырок ( см 2/В*с). µе > µд

Магнитные свойства магнитные свойства вещества определяются : - магнитным состоянием электронов; - взаимодействием магнитных Магнитные свойства магнитные свойства вещества определяются : - магнитным состоянием электронов; - взаимодействием магнитных моментов электронов соседних атомов. М - магнитный момент. Jm -намагниченность (магнитный момент единицы объема V) - векторная величина. Jm =M/V [А/м]. Jm=d. M/d. V. Jm=km. H km –магнитная восприимчивость Н - напряженности магнитного поля, А/м. В – магнитная индукция [Вс/м 2= Тесла] (сумма внешнего и собственного магнитного поля) В=µабс Н µабс – абсолютная магнитная проницаемость. µабс=µµ 0; µ 0=4π10 -7 Гн/м – магнитная постоянная (или магнитная проницаемость вакуума).

Классификация материалов в зависимости от магнитных свойств: -диамагнетики; -парамагнетики; -ферромагнетики; -антиферромагнетики; -ферримагнетики. Диамагнетики -кm≈10 Классификация материалов в зависимости от магнитных свойств: -диамагнетики; -парамагнетики; -ферромагнетики; -антиферромагнетики; -ферримагнетики. Диамагнетики -кm≈10 -5, очень слабо намагничиваются; - магнитный момент направлен против направления намагничивающего поля, выталкиваются из неоднородного магнитного поля ; -µ < 1 (не зависит от Н и Т). (инертные газы, водород, азот, вода, нефть и другие органические вещества, алмаз, Na. Cl, Si. O 2, стекло, Ве, Си, Zn, Ga, Ge, Sr, Ag, Au, Bi, Si, Pb и другие) Наиболее сильные диамагнетики – сверхпроводники. Парамагнетики - положительная магнитная восприимчивость; - km ≈ 10 -3 -10 -5. -втягиваются в неоднородное магнитное поле. закон Кюри: km=С/Т С – постоянная Кюри, зависящая от природы материала, Т – абсолютная температура. ( все переходные металлы с нескомпенсированными моментами свободных электронов (Ti, Cr, Mn, Pd, Pt, и др. ), щелочные металлы Al, W, Sn соли Fe, Co, Ni и редкоземельных металлов, O 2, N 2, эбонит и др. )

Ферромагнетики -km- до 106 (зависит от Т, Н); -внутренняя магнитная упорядоченность в пределах «доменов» Ферромагнетики -km- до 106 (зависит от Т, Н); -внутренняя магнитная упорядоченность в пределах «доменов» - макроскопических областей с одинаково направленными (ориентированными) магнитными моментами. -намагничиваются до насыщения в относительно слабых магнитных полях. -( α-Fe, Co, Ni, Gd и некоторые другие редкоземельные металлы, некоторые сплавы на основе железа). Ферримагнетики -вещества с нескомпенсированным антиферромагнетизмом. - высокая магнитная восприимчивость km, зависящая от Н и Т. - (упорядоченные металлические сплавы и оксиды, особенно ферриты). Антиферромагнетики вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. - km зависит от Т; -при нагреве атомы переходят в парамагнитное состояние (при точке Нееля, аналогичной точке Кюри). –(Cr, Mn, редкоземельные металлы церий Ce, ниодим Nd, самарий Sm, а также галогениды, сульфиды, карбонаты).

Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от температуры. Кривые зависимости магнитной индукции В (кривые Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от температуры. Кривые зависимости магнитной индукции В (кривые намагничивания) и магнитной проницаемости µ от напряженности внешнего магнитного поля Н. 1 - Железо особо чистое; 2 - железо чистое (99, 98%); 3 – железо технически чистое (99, 92%); 4 – пермалой (78% Ni); 5 – никель; 6 – сплав железо-никель (26%Ni ).