. Elektrotechnické materiály Předpokladem vhodného využití elektrotechnických materiálů v konstrukci elektrotechnických součástek a zařízení je znalost jejich vlastností. Elektrické vlastnosti materiálů určují fyzikální jevy, které vznikají při vzájemném působení elektromagnetického pole a hmoty. Je proto nezbytné si uvědomit základní poznatky o struktůře hmoty a silovém působení elektromagnetického pole na částice hmoty. _PŘ 1
Shrnutí základních poznatků o struktuře atomu Základní stavebníčásticí hmoty je ATOM. Skládá se z jádra a elektronového obalu. Jádro tvoří kladně nabité PROTONY (náboj +e= 1.6 10-18 C) a elektricky neutrální NEUTRONY. Elektronový obal tvoří záporně nabité ELEKTRONY (náboj -e= 1.6 10-18 C). Protože počet elektronů a protonů v atomu je shodný, chová se atom jako částice NEUTRÁLNÍ. Při změně počtu elektronů se naruší jeho elektrická neutralita a z atomu se stává kladný nebo záporný IONT. _PŘ
Shrnutí základních poznatků o struktuře atomu Mezníkem ve vývoji názorů na vnitřní uspořádání atomu bylo sestavení Bohrova modelu (191). Podle Bohrova modelu se může elektron pohybovat kolem jádra po drahách, na kterých je součin momentu hybnosti m v s poloměrem dráhy r roven celistvému násobku Planckovy konstanty, dělené hodnotou π. m v r = n h/π, kde n=1,, Na těchto drahách atom nevyzařuje energii. Při přechodu z jedné dráhy na druhou se pohltí nebo vyzáří rozdíl energie ve formě energetického kvanta W n1 -W n =h ν*, kdeν* je kmitočet (vyzářeného nebo pohl.) světelného kvanta. _PŘ 3
Shrnutí základních poznatků o struktuře atomu I když Bohrův model postihl kvantový charakter fyzikálních jevů v atomu, respektoval jen částicovou povahu, ale ne VLNOVOU POVAHU mikročástic (např. elektronů). Fyzikální pokusy ukázaly, že hmotnéčástice např. elektrony, neutrony, atomy apod. projevují VLNOVÉ VLASTNOSTI. Mikročástice s energií W a hybností p (p=m v) odpovídá vlna s kmitočtem V* = W/h a vlnovou délkouλ= h/p= h/(m v). Zavedení vlnového popisu částic vyžadovalo nový způsob popisu jejich pohybu. Byl formulován Schrodingerem a Heisenbergem. Vychází z toho, že šíření vlnového procesu lze popsat vlnou rovnicí z klasické fyziky. _PŘ 4
Schrodingerova rovnice Pro stacionární tvar (pro případ, že se potenconální energie U nemění s časem) je: 8π Ψ+ h m [ W U ] Ψ = 0, = x + y + z Kde W je energie částic, U(x,y,z) potenciální energie, Ψ je vlnová funkce. Známe průběh potencionální energie, neznáme vlnovou funkci Ψ a energii částic W. Řešením získáme závěry: _PŘ 5
Shrnutí základních poznatků o struktuře atomu Schrodingerova rovnice Řešení je je jednoznačné, konečné a spojité jen v případě, že energie W nabývá diskrétních hodnot W 1, W, W 3,.W n. Hodnotám energie W 1, W, W 3,.W n odpovídají jen určité vlnové funkce Ψ 1,Ψ,Ψ 3, Ψ n, které nazýváme vlastní vlnové funkce a je komplexní. Vlnovou funkci Ψ, nelze fyzikálně interpretovat. Zavádíme /Ψ /, které se přisuzuje význam hustoty pravděpodobnosti výskytu částice v elementárním objemu (dx, dy, dz). _PŘ 6
Shrnutí základních poznatků o struktuře atomu Řešení energetické struktury atomu vodíku s jedním elektronem. Výsledek byl zobecněn i na více-elektronové atomy. Potenciální energie vzájemného působení elektronu a jádra je rovna U r e = πε r 0 Řešením pro diskrétní hodnoty energií W 1,.W n a pro U r a dosazením do Schr. Rovnice a řešením dostaneme: 4 m e 8 ε h 1 n 13.6 = n W n = 0 [ ev ] _PŘ 7
Shrnutí základních poznatků o struktuře atomu Na základě kvantové teorie, elektrony mohou nabývat jen určitých kvantových hodnot energií. W 6 Počet elektronů Si (+14) p s 1s 3p 3s _PŘ 8 r Energetické hladiny jáma Elektrony přednostně obsazují nejnižší stavy a tedy dolní stavy jsou zcela zaplněny.
Shrnutí základních poznatků o struktuře atomu W r 3p 3s 6 p s 1s Počet elektronů Energetické hladiny NEEXISTUJÍ DVA ELEKTRONY SE STEJNÝMI KVANTOVÝMI ČÍSLY: tedy nemohou být na stejné hladině. (Pauliho vylučovací princip) Př. Pevné látky jsou uspořádány v mřížce, která se periodicky opakuje, výsledkem je, že původní energetické hladiny se rozštěpily na pásy (mimo hladinu 1s). _PŘ 9
Shrnutí základních poznatků o struktuře atomu Pásová teorie elektrické vodivosti látek volné ve vazbě vnitřní Si A 0 =0,34nm zakázaný Povolený pás _PŘ 10
Shrnutí izolant vodič Vedení proudu je možné jen tehdy, je-li elektronu dodána energie pro přechod do pásu vyššího přes zakázaný pás. Elektrony přednostně obsazují nejnižší stavy a tedy dolní pásy jsou zcela zaplněny. _PŘ 11
NEVODIČ, ŠPATNÝ VODIČ, VODIČ, POLOVODIČ DOBRÉ MAGN. VLASTNOSTI, SOUČ SOUČÁSTKY ELEKTRONIKY _PŘ _PŘ 1
vodič _PŘ 13
Materiály neelektrické vlastnosti a) Mechanické vlastnosti (pevnost, pružnost, tvrdost), jsou významné z hlediska konstrukčního použití b) Tepelné vlastnosti (tepelná vodivost = schopnost odvádět teplo; tepelná odolnost = určuje maximální teplotu) c) Optické vlastnosti (optická propustnost) d) Klimatická odolnost (např. navlhlost izolantů) e) Odolnost proti ozáření (Ǵ - záření, rengenové záření) _PŘ 14
Materiály neelektrické vlastnosti f) chemické vlastnosti (odolnost proti korozi, ) g) STÁRNUTÍ _PŘ 15
Materiály neelektrické vlastnosti a) Mechanické vlastnosti (pevnost, pružnost, tvrdost), jsou významné z hlediska konstrukčního použití b) Tepelné vlastnosti (tepelná vodivost = schopnost odvádět teplo; tepelná odolnost = určuje maximální teplotu) c) Optické vlastnosti (optická propustnost) d) Klimatická odolnost (např. navlhlost izolantů) e) Odolnost proti ozáření (Ǵ - záření, rengenové záření) _PŘ 16