12. Eristeet Vapaa atomi. Muodostuva sähköinen dipolimomentti on p =! " 0 E loc (12.4)

Samankaltaiset tiedostot
12. Eristeet Vapaa atomi

2 Staattinen sähkökenttä Sähkövaraus ja Coulombin laki... 9

1 Johdanto Mikä tämä kurssi on Hieman taustaa Elektrodynamiikan perusrakenne Kirjallisuutta... 8

, m s ) täytetään alimmasta energiatilasta alkaen. Alkuaineet joiden uloimmalla elektronikuorella on samat kvanttiluvut n,

2 Eristeet. 2.1 Polarisoituma

Infrapunaspektroskopia

Fononit. Värähtelyt lineaarisessa atomiketjussa Dispersiorelaatio Kaksi erilaista atomia ketjussa Fononit kolmessa dimensiossa

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

Kvanttifysiikan perusteet 2017

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka (5op), kevät 2016

Luento 8. Lämpökapasiteettimallit Dulong-Petit -laki Einsteinin hilalämpömalli Debyen ääniaaltomalli. Sähkönjohtavuus Druden malli

11. Magnetismi. D = ρ B = 0. O B da = 0. E = B t

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

SÄHKÖMAGNEETTISTEN KENTTIEN BIOLOGISET VAIKUTUKSET JA TERVEYSRISKIT

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

Luku 3. niiden pinnalle indusoituva varausjakautuma muuttuu, mikä puolestaan muuttaa eristeeseen vaikuttavaa ulkoista kenttää. E = 0. (3.

Eristeet. - q. Johdannoksi vähän sähköisestä dipolista. Eristeistä

Jakso 5. Johteet ja eristeet Johteista

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

SEISOVA AALTOLIIKE 1. TEORIAA

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio Sähkötekniikka/MV

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

niiden pinnalle indusoituva varausjakautuma muuttuu, mikä puolestaan muuttaa eristeeseen vaikuttavaa ulkoista kenttää.

Polarisaatio. Timo Lehtola. 26. tammikuuta 2009

SÄHKÖMAGNEETTISTEN KENTTIEN BIOLOGISET VAIKUTUKSET, TERVEYSRISKIT JA LÄHTEET

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Potentiaalikuopalla tarkoitetaan tilannetta, jossa potentiaalienergia U(x) on muotoa

Liikemäärän säilyminen Vuorovesivoimat Jousivoima

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

VIELÄ KÄYTÄNNÖN ASIAA

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

Teddy 1. harjoituksen malliratkaisu kevät 2011

Luku Sähköinen polarisoituma

Potentiaali ja sähkökenttä: pistevaraus. kun asetetaan V( ) = 0

23 VALON POLARISAATIO 23.1 Johdanto Valon polarisointi ja polarisaation havaitseminen

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

HEIKOT SIDOKSET. Heikot sidokset ovat rakenneosasten välisiä sidoksia.

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka kevät 2017

Sähköstaattinen energia

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

Luku Sähköinen polarisoituma

RATKAISUT: 18. Sähkökenttä

1.1 Magneettinen vuorovaikutus

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

PUOLIJOHTEISTA. Yleistä

Kiteinen aine. Kide on suuresta atomijoukosta muodostunut säännöllinen ja stabiili, atomiseen skaalaan nähden erittäin suuri, rakenne.

Fysiikka 8. Aine ja säteily

PIENTAAJUISET SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄT HARJOITUSTEHTÄVÄ 1. Pallomaisen solun relaksaatiotaajuus 1 + 1

Aaltoputket ja mikroliuska rakenteet

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

L a = L l. rv a = Rv l v l = r R v a = v a 1, 5

Aaltoputket ja resonanssikaviteetit

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

YLEINEN AALTOLIIKEOPPI

jonka peruslait tiivistyvät neljään ns. Maxwellin yhtälöön.

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Vapaus. Määritelmä. jos c 1 v 1 + c 2 v c k v k = 0 joillakin c 1,..., c k R, niin c 1 = 0, c 2 = 0,..., c k = 0.

Luento Sähköstaattiset vuorovaikutukset. Veden ominaisuudet Hydrofobinen vuorovaikutus. x = 0

9 Maxwellin yhtälöt. 9.5 Aaltoyhtälö ja kenttien lähteet Aaltoyhtälö tyhjössä Potentiaaliesitys Viivästyneet potentiaalit

1240eV nm. 410nm. Kun kappaleet saatetaan kontaktiin jännite-ero on yhtä suuri kuin työfunktioiden erotus ΔV =

Chem-C2400 Luento 4: Kidevirheet Ville Jokinen

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Fysiikka 1. Kondensaattorit ja kapasitanssi. Antti Haarto

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Luku 14: Elektronispektroskopia. 2-atomiset molekyylit moniatomiset molekyylit Fluoresenssi ja fosforesenssi

Kuljetusilmiöt. Diffuusio Lämmönjohtuminen Viskoosin nesteen virtaus Produktio ja absorptio

luku 1.notebook Luku 1 Mooli, ainemäärä ja konsentraatio

ATOMIHILAT. Määritelmä, hila: Hilaksi sanotaan järjestelmää, jossa kiinteän aineen rakenneosat ovat pakkautuneet säännöllisesti.

Valon luonne ja eteneminen. Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä, ei tarvitse väliainetta edetäkseen

Coulombin laki ja sähkökenttä

Potentiaali ja potentiaalienergia

Määritelmä, metallisidos, metallihila:

Linssin kuvausyhtälö (ns. ohuen linssin approksimaatio):

= ωε ε ε o =8,853 pf/m

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Sähköstaattinen energia

Nyt. = R e ik R ψ n (r + R R ) = e ik R [ = e ik R b n ψ n (r R),

Luku 14. z L/2 y L/2. J(r,t)=I(t)δ(x)δ(y)θ(L/2 z)θ(z + L/2) e z (14.1) Kuva 14.1: Yksinkertainen dipoliantenni.

Materiaalifysiikan perusteet P Ratkaisut 1, Kevät 2017

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

KURSSIN TÄRKEIMPIÄ AIHEITA

Yleistä sähkömagnetismista SÄHKÖMAGNETISMI KÄSITEKARTTANA: Varaus. Coulombin voima Gaussin laki. Dipoli. Sähkökenttä. Poissonin yhtälö.

Maxwellin yhtälöt sähkämagneettiselle kentälle tyhjiössä differentiaalimuodossa: E =0, B =0, E = B/ t, B = ɛ o μ o E/ t.

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

Luento 1: Sisältö. Vyörakenteen muodostuminen Molekyyliorbitaalien muodostuminen Atomiketju Energia-aukko

ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx). (2) k = nπ a. (3) E = n 2 π2 2 2ma 2 n2 E 0. (4)

Pietsoelementtien sovelluksia

Transkriptio:

12. Eristeet Eristeiden tyypillisiä piirteitä ovat kovalenttiset sidokset (tai vahvat ionisidokset) ja siitä seuraavat mekaaniset ja sähköiset ominaisuudet. Makroskooppisen ulkoisen sähkökentän E läsnäollessa eriste polarisoituu, jolloin sähkövuontiheys D = " r " 0 E voidaan jakaa komponentteihin Siten ja kun D = " 0 E + P. (12.1a) (12.1b) KOF-E, kl 2005 95 P = ( " r 1) " 0 E = % " 0 E, (12.2) % = " r 1 (12.3) on sähköinen suskeptiivisuus (engl. electric susceptibility). Muodostuva sähköinen dipolimomentti on p =! " 0 E loc (12.4) =! " 0 E 0, missä! on kentästä riippumaton polarisoituvuus ja E loc on ns. lokaali eli paikallinen kenttä. Atomin tapauksessa E loc = E 0. Yksinkertaisimmassa approksimaatiossa oletetaan, että atomin elektroniverho säilyy pallomaisena vain siirtyen ytimen suhteen vektorin d verran. Tällöin tasapainotilanteessa ulkoisen sähkökentän varauksia erottava voima on yhtäsuuri kuin varausten välinen sähköstaattinen Coulombin voima. Oletetaan elektroniverho vielä a -säteiseksi homogeeniseksi varausjakautumaksi, jolloin sen tiheys on # = Ze / 4/3 $ a 3, ja tasapainoehto voidaan kirjoittaa muotoon KOF-E, kl 2005 96 12.1. Vapaa atomi Tarkastellaan sähkökentän aiheuttamaa polarisaatiota ensin vapaassa atomissa. Tällöin atomin elektroniverho deformoituu sähkökentän suunnassa sekä ydin ja elektroniverhon painopisteet siirtyvät siten, että ne muodostavat ulkoisen kentän suuntaisen sähköisen dipolin.

Vapaassa atomissa polarisoituvuuden määrää siis atomin koko (tilavuus). Polarisaation synnyttämä atomaarinen tai molekulaarinen dipoli on hyvin pieni verrattuna molekyylien permanentteihin dipolimomentteihin. Myös ulkoiset ja aineessa olevat makroskooppiset kentät ovat pieniä verrattuna permanenttien dipolien sisäisiin kenttiin. Sen vuoksi on syytä tarkastella erikseen keskimääräistä makroskooppista sähkökenttää ja atomitason lokaalia kenttää. 12.2. Lokaali Lorentz-kenttä Kun homogeeninen eristekide on ulkoisessa sähkökentässä E 0, niin eristeen sisällä kenttä on ulkoista kenttää pienempi polarisaation kiteen pinnalla synnyttämien varausten depolarisaatiokentän N' P / " 0 vuoksi. Tässä N' on kiteen muodosta riippuva geometrinen tekijä. Siten makroskooppinen kenttä kiteen sisällä on E = E 0 N' P / " 0, (12.9) missä yhtälön (12.2) mukaan P = % " 0 E. (12.10) KOF-E, kl 2005 97 Jaetaan atomitason lokaali kenttä lähi- ja keskimääräiseen (kauko-)kenttään E loc = E far + E near, (12.11) missä E far -kentässä esiintyy vain kiteen muodon tai aineen monimutkaisen (kide)rakenteen aiheuttamia poikkeamia homogeenisesta makroskooppisesta kentästä. Oletetaan sen vuoksi, että E far = E. Lähikenttää voidaan arvioida tekemällä polarisoituneeseen eristeeseen pallomainen kolo. Tällöin depolarisaatiokentän tapaan kolossa on kenttä + N' P / " 0 = P /3 " 0. Siten kolossa oleva kenttä on E kolo = E far + P /3 " 0 = E + P /3 " 0 (12.12) tai atomiin vaikuttava lokaali kenttä vastaavasti E loc = E + P /3 " 0. (12.13) Tätä sanotaan lokaaliksi Lorentzin kentäksi. 12.3. Clausius Mossotti-yhtälö Kun lokaalissa kentässä E loc polarisoituneiden atomien kokonaislukumäärä on N, on polaroituma Siten P = N p = N! " 0 E loc = N! " 0 ( E + P /3 " 0 ). KOF-E, kl 2005 98

Yhtälön (12.2) mukaan P = % " 0 E, joten KOF-E, kl 2005 99 KOF-E, kl 2005 100 12.4. Permittiivisyyden taajuusriippuvuus Tarkastellaan seuraavaksi erilaisista polarisaatiomekanismeista johtuvia permittiivisyyden taajuusriippuvuuksia. Siten N! = 3 ( " r!1) / ( " r +!2). (12.15) Jos aine koostuu erilaisista atomeista! i, jota kutakin on N i kappaletta, niin # N i! i = 3 " r 1 (12.16) i " r + 2. Tämä on Clausius Mossotti-yhtälö. Jos staattiselle polarisoituvuudelle johdettu Clausius Mossottiyhtälö yleistetään myös optisilla taajuuksilla oskilloiville sähkömagneettisille kentille, siis valolle, niin yhtälön (6.46) mukaan N 2 = " r. (12.17) Sillä edellytyksellä, että polarisoituvuus yhtälössä (12.16) on esim. elektronista alkuperää ja kykenee seuraamaan optisten taajuuksien oskillointia, voidaan (12.16) kirjoittaa ns. Lorenz Lorentz-yhtälöksi # N i! i i = 3 N 2 1 N 2 + 2. N! Staattisen kentän ja optisilla taajuuksilla oskilloivan kentän permittiivisyyksiä merkitään usein symboleilla " r (0) ja " r ("). " r (12.18) 12.4.1. Elektroninen polarisoituvuus Keveiden elektronien mukautuminen oskilloivaan sähkökenttään on nopeaa. Siten ne polarisoituvat helposti suurillakin taajuuksilla kentän kuitenkaan absorboitumatta. Eriste on läpinäkyvä myös matalamilla taajuuksilla, koska eristeen elektronit ovat "kiinni" atomeissa ja atomien välisissä sidoksissa. Riittävän korkeilla taajuuksilla eli suurilla sm-säteilyn kvantin energioilla eristekin tietysti absorboi kentän energiaa elektronisiin transitioihin. Oletetaan, että eristeen elektronit ovat sitoutuneet atomeihinsa/sidoksiin harmonisin voimin k x = m & i 2 x. Tällöin elektronien liikeyhtälö (ilman mitään vaimennustermejä) on m x + m & i 2 x = 0. (12.20) Jos sm-kenttä E = E 0 e i & t vaikuttaa, niin elektronien liikeyhtälö tulee muotoon m x + m & i 2 x = e E, joka voidaan ratkaista yritteellä x = x 0 e i & t. Sijoittamalla tämä liikeyhtälöön saadaan

KOF-E, kl 2005 101 12.4.2. Ionipolarisoituvuus KOF-E, kl 2005 102 Ionikiteisissä materiaaleissa, sellaisissa kuin NaCl, KCl, jne., staattinen tai pienitaajuinen sähkökenttä polarisoi kiteen atomaarista rakennetta, tavallaan ionipareja. Ionien liike on hidasta elektronien liikkeeseen verrattuna, joten niiden resonanssitaajuudet ja absorptio tapahtuvat paljon pienemmillä taajuuksilla kuin elektronien, tyypillisesti infrapuna-alueella. Ja koska p =! " 0 E, niin! ( & ) = e 2 / [ " 0 m( & i 2 & 2 )]. (12.21) Vastaava kvanttimekaaniikan avulla saatu lauseke on! ( & ) = e 2 / " 0 m # i f i /( & i 2 & 2 ), (12.22) missä f i ovat verrannollisia elektronien transitiotodennäköisyyksiin energialla h & i. Siten polarisoituvuus! ( & ) on pieni, jos alin transitioenergia h & i on suuri ja päin vastoin, alueella & < & i alin, ks. kirjan taulukko 12.1. Pitkittäiset (LO) ja poikittaiset (TO) optiset moodit Optisten hilavärähtelyjen (fononien) taajuudet ovat valon taajuuden luokkaa ja vastakkaismerkkisten ionivarausten liikkeet ovat vastakkaissuuntaisia. Poikittainen sm-kenttä kytkeytyy vain poikittaiseen värähtelymoodiin (transverse optical, TO), mutta ei pitkittäiseen (longitudinal optical, LO). Koska valon aallonpituus on hyvin pitkä, on siihen kytkeytyvien fononien aaltovektori hyvin pieni, q $ 0 ja samanmerkkiset ionivaraukset liikkuvat samassa tahdissa. Kun tarkastellaan tilavuutta V, jossa on N ioniparia, sen polarisaatio on P = [Nn 0 e/v] ( u! v ). (12.23) Jos oletetaan ionien välille harmoninen voima C r ja niihin vaikuttavan lokaali sähkökenttä E loc, tulee liikeyhtälöksi

KOF-E, kl 2005 103 KOF-E, kl 2005 104 Yhtälöstä (12.23) saadaan nyt LO-moodi Tarkastellaan pitkittäisiä aaltoja levymäisten kerroksien läpi, jolloin depolarisaatiotekijä N' = 1. Silloin E = E 0! P / " 0 (12.30) ja yhtälöstä (12.13) seuraa E loc = E +! P /3 " 0 = E 0 2/3! P / " 0. (12.31) Koska pitkittäisiä sm-aaltoja ei ole, tällaisen aallon edetessä E 0 = 0 ja E loc = 2/3! P / " 0. (12.32) Sijoittamalla tämä yhtälöön (12.29) saadaan josta & 2 P = 2/3 ' p 2 P (C/M) P, & 2 = & L 2 = C/M + 2/3 ' p 2. (12.34) & 2 P = ' p 2 " 0 E loc (C/M) P (12.29) TO-moodi Poikittaisen sm-kentän vaikuttaessa E loc = E +! P /3 " 0. (12.31) Kun tämä sijoitetaan yhtälöön (12.29) saadaan & 2 P = ' p 2 " 0 ( E +! P /3 " 0 ) (C/M) P. (12.36) Ominaistaajuus & = & T saadaan, kun E = 0, jolloin & 2 = & T 2 = C/M 1/3 ' p 2. (12.37) Nähdään siis, että & T < & L ja & T 2 + ' p 2 = & L 2.

Suskeptiivisuus voidaan kirjoittaa yhtälöstä (12.36), & 2 P = ' p 2 " 0 ( E +! P /3 " 0 ) (C/M) P KOF-E, kl 2005 105