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 Capitolul Conţinutul 1 Fenomene in materialele electrotehnice 1.1. Conductia electrica 1.2. Polarizarea electrica 1.3. Magnetizarea materialelor 1.4. Pierderi in materialele electrotehnice 2 Materiale conductoare noi 2.1. Materiale conductoare clasice 2.2. Conductori organici si moleculari 2.3. Supraconductori 2.4. Materiale pentru realizarea de memristori 2.5. Aplicatii moderne ale materialelor conductoare 3 Materiale semiconductoare noi 3.1. Materiale semiconductoare clasice 3.2. Polimeri semiconductori 3.3. Materiale semiconductoare nanostructurate 3.4. Aplicatii moderne (celule solare, microprocesoare de inalta frecventa, ecrane TV, laseri) 4 Materiale dielectrice noi 4.1. Evolutia materialelor dielectrice 4.2. Straturi subtiri 4.3. Nanodielectrici 4.4. Oxizi metalici 4.5. Aplicatii 5 Materiale magnetice noi 5.1. Evolutia materialelor magnetice 5.2. Materiale magnetice amorfe 5.3. Materiale magnetice nanostructurate (nanocristaline, organice) 5.4. Fire si filme subtiri din materiale magnetice 5.5. Aplicatii moderne (miezuri magnetice, memorii, hard-discuri, carduri magnetice)

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 Examen final: 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

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

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

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

Electroni in cristale 1. Modelul clasic al electronului Conductia electrica – Electroni in cristale 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

Electroni in cristale 1. Modelul clasic al electronului Conductia electrica – Electroni in cristale 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 Conductia electrica – Electroni in cristale Modelul clasic al electronului ELECTRON = bilă minusculă, de rază r ≈ 2, 82 · 10−5 Å, Ernest Rutherford (1871-1937) fizician britanic Niels Bohr (1885-1962) fizician danez

Electroni in cristale 1. Modelul clasic al electronului Conductia electrica – Electroni in cristale 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

Modele cuantice. Unde asociate electronilor Conductia electrica – Electroni in cristale 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

Electroni in cristale 1. Modelul clasic al electronului Conductia electrica – Electroni in cristale 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

3. Sisteme de particule. Numere cuantice Conductia electrica – Electroni in cristale 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 in vecinatatea unui punct dat M1(x1, y1, z1), a celei de a doua particule in vecinatatea punctului M2(x2, y2, z2) etc. = Π , = expresii aproximative

3. Sisteme de particule. Numere cuantice Conductia electrica – Electroni in cristale 3. Sisteme de particule. Numere cuantice Numere cuantice depind in starile stationare de 4 numere cuantice: numar cuantic principal n determina valorile energiei electronului n = 1, 2, 3, … numar cuantic secundar l determina valorile momentului cinetic orbital si ale momentului magnetic orbital ale electronului l = 0, 1, 2, 3, …, n-1 numar cuantic magnetic ml 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 spin ms 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 Conductia electrica – Electroni in cristale 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.

Electroni in cristale 1. Modelul clasic al electronului Conductia electrica – Electroni in cristale 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

4. Starile electronilor in cristale Conductia electrica – Electroni in cristale 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 Conductia electrica – Electroni in cristale 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 Conductia electrica – Electroni in cristale 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 Conductia electrica – Electroni in cristale 4. Starile electronilor in cristale Aproximatia electronilor cvasiliberi: → unde stationare: = =

4. Starile electronilor in cristale Conductia electrica – Electroni in cristale 4. Starile electronilor in cristale Aproximatia electronilor cvasiliberi: Masa efectiva a electronului:

4. Starile electronilor in cristale Conductia electrica – Electroni in cristale 4. Starile electronilor in cristale Aproximatia electronilor puternic legati: Ipoteze: functii de unda de tip Heitler-London

4. Starile electronilor in cristale Conductia electrica – Electroni in cristale 4. Starile electronilor in cristale Aproximatia electronilor puternic legati:

4. Starile electronilor in cristale Conductia electrica – Electroni in cristale 4. Starile electronilor in cristale Aproximatia electronilor puternic legati:

4. Starile electronilor in cristale Conductia electrica – Electroni in cristale 4. Starile electronilor in cristale electroni liberi electroni cvasiliberi electroni puternic legati

Electroni in cristale 1. Modelul clasic al electronului Conductia electrica – Electroni in cristale 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

5. Repartitia electronilor pe nivelurile benzilor permise Conductia electrica – Electroni in cristale 5. Repartitia electronilor pe nivelurile benzilor permise Statistica Fermi-Dirac: E = 0, echilibru termic: E ≠ 0, echilibru termic:

Conductia electrica a metalelor Conductia electrica - metale Conductia electrica a metalelor metal monovalent metal bivalent

Conductia electrica a metalelor Conductia electrica - metale Conductia electrica a metalelor Influenta temperaturii

Conductia electrica a metalelor Conductia electrica - metale Conductia electrica a metalelor Influenta impuritatilor

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

Conductia electrica a semiconductorilor Conductia electrica - semiconductori 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 - semiconductori Conductia electrica a semiconductorilor intrinseci

Conductia electrica a semiconductorilor extrinseci de tip n Conductia electrica - semiconductori Conductia electrica a semiconductorilor extrinseci de tip n

Conductia electrica a semiconductorilor extrinseci de tip p Conductia electrica - semiconductori Conductia electrica a semiconductorilor extrinseci de tip p

Conductia electrica a semiconductorilor Conductia electrica - semiconductori Conductia electrica a semiconductorilor Influenta temperaturii si a concentratiei de impuritati

Conductia electrica a semiconductorilor Conductia electrica - semiconductori Conductia electrica a semiconductorilor Jonctiunea p-n

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

Conductia electrica a izolatorilor Conductia electrica a izolatorilor solizi Conductia electrica a izolatorilor Curent de absorbtie:

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

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

Conductia electrica a izolatorilor Conductia electrica - izolatori Conductia electrica a izolatorilor Conductia electronica in campuri uzuale

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

1. Fenomene in materiale electrotehnice Polarizarea electrica 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

Polarizarea electrica Polarizarea de orientare (relaxare)

Polarizarea electrica Polarizarea de neomogenitate (interfaciala)

Polarizarea electrica Permitivitatea dielectricilor in campuri armonice

Polarizarea electrica Permitivitatea dielectricilor in campuri armonice