Wymagane wiadomości

1. definicja dielektryka – dielektryk to ciało, w którym ładunki nie mogą się przemieszczać, nie posiada więc swobodnych elektronów. Elektrony znajdujące się w izolatorach są związane z atomami i cząsteczkami. Gdy dielektryk znajdzie się w polu elektrostatycznym, może zachodzić przemieszczanie się elektronów, ale tylko w obrębie cząsteczki. Np. gdy dielektryk jest między płytkami naładowanego kondensatora, elektrony chcą się znaleźć możliwie blisko płytki dodatniej. Cząsteczka staje się tzw. dipolem elektrycznym, czyli układem dwóch ładunków o jednakowej wartości i o przeciwnych znakach. Polaryzowalność – wielkość fizyczna opisująca zdolność rozkładu ładunku cząsteczki (bądź atomu) do odkształcania się pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego i tworzenia w ten sposób dipoli elektrycznych. Na ogół pod tym pojęciem rozumie się dipolową polaryzowalność elektronową, opisującą pojawianie się indukowanego momentu dipolowego elektrycznego pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Rodzaje polaryzowalności – Polaryzowalność elektronowa; Polaryzowalność jonowa sprężysta Polaryzowalność dipolowa sprężysta; Polaryzowalność dipolowa relaksacyjna ciał stałych i cieczy. Względna stała dielektryczna – Przenikalność poszczególnych ośrodków często określa się poprzez bezwymiarową wartość przenikalności względnej, oznaczanej εr. Wielkość ta wskazuje, ile razy przenikalność (bezwzględna) ośrodka jest większa od przenikalności próżni: . Współczynnik εr, zwany dawniej stałą elektryczną ośrodka, przyjmuje wartości od 1 (dla próżni i silnie rozrzedzonych gazów) do dziesiątek tysięcy (dla ferroelektryków). Stała dielektryczna – wielkość fizyczna, oznaczana grecką literą ε (epsilon), charakteryzująca właściwości elektryczne środowiska. Dla substancji izotropowych jest to wielkość skalarna, równa stosunkowi indukcji pola elektrycznego do natężenia tego pola: . Im większa jest przenikalność elektryczna ośrodka, tym mniejsze natężenie pola E wywołanego w tym ośrodku przez tę samą indukcję D. Stąd zastosowanie dielektryków o dużej wartości ε_r zmniejsza siłę oddziaływania elektrostatycznego pomiędzy ładunkami elektrycznymi. Tym samym powoduje zwiększenie pojemności układów przewodników, co wykorzystuje się w konstrukcji kondensatorów. Źródła momentów dipolowych w dielektrykach – wartość momentu dipolowego cząsteczki p_e nie zależy wówczas od natężenia zewnętrznego pola (tzw. przybliżenie sztywnych dipoli). Pod wpływem zewnętrznego pola, w wyniku jego oddziaływania z atomami lub cząsteczkami dielektryka, wydzielony obszar uzyskuje określony moment dipolowy, skierowany zgodnie z kierunkiem pola.

2. Definicja ferroelektryka – ferroelektryk jest to materiał, który wykazuje spontaniczną polaryzację elektryczną (nawet bez pola elektrycznego). Nazwa zjawiska została zapożyczona od ferromagnetyzmu (jest to mylące, gdyż ferroelektryki raczej nie zawierają atomów Fe). Ferroelektryki mają zazwyczaj bardzo duże przenikalności dielektryczne. Każdy ferroelektryk jest piezoelektrykiem (ale nie odwrotnie). Ferroelektryczna temperatura Curie – spontaniczna polaryzacja pojawia się zazwyczaj poniżej pewnej temperatury. Temperatura krytyczna nosi nazwę temperatury Curie. W ceramikach ferroelektrycznych spontaniczna polaryzacja wiąże się ze strukturalnymi przemianami fazowymi (w innych materiałach ferroelektrycznych może to być też przemiana typu porządek-nieporządek). W temperaturze niższej od temperatury Curie dipole magnetyczne atomów lub cząsteczek ustawiane są przez wiązania chemiczne w jednym kierunku tworząc domeny ferromagnetyczne. W temperaturze powyżej temperatury Curie drgania cieplne sieci krystalicznej niszczą ustawienia dipoli magnetycznych, dipole wykonują drgania. Domeny ferroelektryczne – Kryształy ferroelektryczne składają się z tzw. domen ferroelektrycznych. Ferroelektryczna domena –obszar, w którym kryształy są spolaryzowane w tym samym kierunku. Sąsiednie domeny są spolaryzowane w różnych kierunkach. Kąty: 180^o, 90^o, 71^o/109^o. Krzywa histerezy – Istnienie domen ferroelektrycznych jest przyczyną histerezy ferroelektrycznej. Po wyłączeniu pola polaryzacja nie maleje do zera. Wielkość pętli histerezy zależy od pracy potrzebnej do przesunięcia ścian domenowych.

3. Prawo Ohma – Natężenie prądu elektrycznego płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do wartości napięcia elektrycznego na jego końcach i odwrotnie proporcjonalne do rezystancji przewodnika. Prawo Ohma wyraża się wzorem: . U - napięcie; I - natężenie prądu; R – opór. Liczby przenoszenia – liczba przenoszenia jonu jest to stosunek ładunku przenoszonego przez ten jon do całkowitego ładunku przenoszonego przez wszystkie jony elektrolitu; Suma liczb przenoszenia kationów i anionów elektrolitu równa się 1. Nośniki ładunku elektrycznego w ciałach stałych – nośnikami ładunku elektrycznego w ciałach stałych są elektrony swobodne (metale); elektrony i dziury (półprzewodniki i izolatory); jony (przewodniki jonowe). Powstawanie kryształów wiąże się z rozszczepieniem poziomów energetycznych orbitali na pasma (zachowanie reguły Pauliego). Model pasmowy ciała stałego (pasmo walencyjne, pasmo przewodnictwa, izolator, półprzewodnik, poziomy domieszkowe) – W izolowanym atomie poziomy energetyczne są od siebie wyraźnie oddzielone (istnieją pomiędzy nimi duże różnice, a taki sam poziom energetyczny w różnych atomach odpowiada jednakowej wartości energii. Wpływ pola elektrycznego wytwarzanego przez sąsiadujące w sieci atomy (jony) powoduje rozszczepienie walencyjnych poziomów energetycznych poszczególnych atomów. Rozszczepienie to prowadzi do powstania pasm, tj. obszarów energii, w których stany energetyczne są położone tak blisko siebie, że energia może się w ich obrębie zmieniać w sposób ciągły.

Izolator – materiał, który nie przewodzi prądu elektrycznego (np. dielektryk).Izolatorami są np.: szkło, porcelana, specjalna guma, pewne rodzaje plastików, suche drewno, suchy olej transformatorowy, suche powietrze, próżnia. Półprzewodniki – substancje zachowujące się w pewnych warunkach jak dielektryk, a w innych jak przewodnik. Typowymi półprzewodnikami są: krzem, german, arsenek galu lub antymonek galu. Półprzewodniki mają małą szerokość pasma wzbronionego (teoria pasmowa). Ze względu na typ przewodnictwa wyróżnia się półprzewodniki typu n - inaczej nadmiarowe (występuje tu przewodnictwo elektronowe, liczba elektronów w paśmie przewodnictwa przekracza liczbę dziur przewodzących w paśmie walencyjnym, uzyskuje się je przez domieszkowanie krzemu lub germanu pierwiastkami V grupy nazywanymi donorami) oraz typu p - inaczej niedomiarowe (występuje w nich przewodnictwo dziurowe w paśmie walencyjnym, liczba dziur przekracza liczbę elektronów w paśmie przewodnictwa). Poziomy domieszkowe – Przez odpowiednie domieszkowanie można zmieniać przewodność elektryczna półprzewodnika o ponad 10 rzędów wielkości. Wprowadzenie do kryształu obcych atomów:

- zakłóca periodyczność sieci,

- powoduje zmianę struktury pasmowej półprzewodnika,

- pojawiają się dodatkowe stany kwantowe, których energie leżą wewnątrz pasm lub przerwy energetycznej (modyfikacja własności fizycznych pp) – poziomy domieszkowe,

Domieszki:

- płytkie (kilkadziesiąt meV poniżej pasma przewodnictwa lub powyżej pasma walencyjnego)

- głębokie

- wodoropodobne,

- zlokalizowane.

Wpływ obecności defektów punktowych na stężenie nośników ładunku elektrycznego – Istnieją materiały o budowie jonowej w których możliwe jest uzyskanie wysokich stężeń ruchliwych nośników jonowych. Przykład: ZrO₂ domieszkowane Ca. Wapń podstawiając cyrkon powoduje powstawanie wakancji anionowych. Możliwa jest wysoka dyfuzja tlenu mechanizmem wakancyjnym PoliglinianyβAl₂O₃(+Na, K, Li).