Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I Prof.dr.ing.Florin Ciuprina

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

Cuprins Structura disciplinei Mod de notare

1. Fenomene in materiale electrotehnice Conductia electrica Polarizarea electrica

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Structura disciplineiCapitolul Conţinutul

1 Fenomene in materialele electrotehnice1.1. Conductia electrica1.2. Polarizarea electrica1.3. Magnetizarea materialelor1.4. Pierderi in materialele electrotehnice

2 Materiale conductoare noi2.1. Materiale conductoare clasice2.2. Conductori organici si moleculari2.3. Supraconductori2.4. Materiale pentru realizarea de memristori2.5. Aplicatii moderne ale materialelor conductoare

3 Materiale semiconductoare noi3.1. Materiale semiconductoare clasice3.2. Polimeri semiconductori3.3. Materiale semiconductoare nanostructurate3.4. Aplicatii moderne (celule solare, microprocesoare de inalta frecventa, ecrane TV, laseri)

4 Materiale dielectrice noi4.1. Evolutia materialelor dielectrice4.2. Straturi subtiri4.3. Nanodielectrici4.4. Oxizi metalici4.5. Aplicatii

5 Materiale magnetice noi5.1. Evolutia materialelor magnetice5.2. Materiale magnetice amorfe5.3. Materiale magnetice nanostructurate (nanocristaline, organice)5.4. Fire si filme subtiri din materiale magnetice5.5. Aplicatii moderne (miezuri magnetice, memorii, hard-discuri, carduri magnetice)

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

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/.

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Mod de evaluare

Laborator: 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.

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

1. Fenomene in materiale electrotehnice

Conductia electrica Polarizarea electrica Magnetizarea materialelor Pierderi in materialele electrotehnice

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica

1. Fenomene in materiale electrotehnice

Conductia electrica Polarizarea electrica Magnetizarea materialelor Pierderi in materialele electrotehnice

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica

Conductia electrica

a metalelor a semiconductorilor a izolatorilor

se datoreaza: electronilor (metale, semiconductori,

izolatori); ionilor (izolatori)

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica

Ce sunt electronii?

Modele - (unul) clasic

- (mai multe) cuantice

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

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

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

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

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica – Electroni in cristale

Modelul clasic al electronului

Ernest Rutherford (1871-1937)

fizician britanicNiels Bohr (1885-1962)

fizician danez

ELECTRON = bilă minusculă, de rază r ≈ 2, 82 ·

10−5 Å,

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

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

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

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

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

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

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

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 primeiparticule 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

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica – Electroni in cristale

3. Sisteme de particule. Numere cuanticeNumere 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

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

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.

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

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

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

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.

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

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)

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

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

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica – Electroni in cristale

4. Starile electronilor in cristale

Aproximatia electronilor cvasiliberi:

→ unde stationare:

==

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica – Electroni in cristale

4. Starile electronilor in cristale

Aproximatia electronilor cvasiliberi:

Masa efectiva a electronului:

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica – Electroni in cristale

4. Starile electronilor in cristale

Aproximatia electronilor puternic legati:

Ipoteze: functii de unda de tip Heitler-London

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica – Electroni in cristale

4. Starile electronilor in cristale

Aproximatia electronilor puternic legati:

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica – Electroni in cristale

4. Starile electronilor in cristale

Aproximatia electronilor puternic legati:

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica – Electroni in cristale

4. Starile electronilor in cristale

electroni liberi

electroni cvasiliberi

electroni puternic legati

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

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

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica – Electroni in cristale

5. Repartitia electronilor pe nivelurile benzilor permise

Statistica Fermi-Dirac:

E = 0, echilibru termic:

E ≠ 0, echilibru termic:

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica - metale

Conductia electrica a metalelor

metal monovalent metal bivalent

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica - metale

Conductia electrica a metalelorInfluenta temperaturii

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica - metale

Conductia electrica a metalelorInfluenta impuritatilor

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica - metale

Conductia electrica a metalelorSupraconductibilitatea

Keike Kamerlingh Onnes (1853-1926)

fizician olandez

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

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

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica - semiconductori

Conductia electrica a semiconductorilor intrinseci

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica - semiconductori

Conductia electrica a semiconductorilor extrinseci de tip n

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica - semiconductori

Conductia electrica a semiconductorilor extrinseci de tip p

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica - semiconductori

Conductia electrica a semiconductorilor

Influenta temperaturii si a concentratiei de impuritati

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica - semiconductori

Conductia electrica a semiconductorilor

Jonctiunea p-n

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica a izolatorilor solizi

Conductia electrica a izolatorilorCurentul prin izolator la aplicarea unei tensiuni continue:

absorbtie

t

tresorbtie

I

U

Ic

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica a izolatorilor solizi

Conductia electrica a izolatorilorCurent de absorbtie:

absorbtie

t

tresorbtie

I

U

Ic

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica - izolatori

Conductia electrica a izolatorilorMecanisme de conductie:

- electronica

- ionica

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica - izolatoril

Conductia electrica a izolatorilorIpoteze: cristal ionic conductie datorata ionilor pozitivi din interstitii

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica - izolatori

Conductia electrica a izolatorilorConductia electronica in campuri uzuale

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Conductia electrica - izolatori

Conductia electrica a izolatorilorConductia electronica in campuri intense

Strapungerea izolatorilor solizi:

electrica intrinseca prin avalansa de electroni

termica

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Polarizarea electrica

1. Fenomene in materiale electrotehnice

Conductia electrica Polarizarea electrica Magnetizarea materialelor Pierderi in materialele electrotehnice

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Polarizarea electrica

Polarizarea electrica

Polarizatie:

Tipuri de polarizare:

polarizare de deformare electronica ionica

polarizare de orientare polarizare de neomogenitate (interfaciala)

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Polarizarea electrica

Polarizarea electricaPolarizarea de deformare electronica

01010 15140 ee Pff Hz

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Polarizarea electrica

Polarizarea electricaPolarizarea de deformare ionica

01010 14130 ii Pff Hz

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Polarizarea electrica

Polarizarea electricaPolarizarea de orientare (relaxare)

01010 860 oo Pff Hz

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Polarizarea electrica

Polarizarea electricaPolarizarea de neomogenitate (interfaciala)

01020 nn Pff Hz

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Polarizarea electrica

Polarizarea electrica

Permitivitatea dielectricilor in campuri armonice

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2011-2012, master IPE, anul I

Polarizarea electrica

Polarizarea electrica

Permitivitatea dielectricilor in campuri armonice