r. akad. 2012/2013 Podstawy Procesów i wykład XIII - XIV Zakład Biofizyki

Transkrypt

1 r. akad. 2012/2013 wykład XIII - XIV Podstawy Procesów i Konstrukcji InŜynierskich Elementy fizyki ciała stałego Zakład Biofizyki

2 Stany skupienia materii A -R MALDI-NCD PLAZMA ES -CON Zakład Biofizyki 2

3 Zjawiska molekularne DYFUZJA ODDZIAŁYWANIA MIĘDZYCZĄSTECZKOWE Siły van der Waalsa - dyspersyjne (przesunięcie elektronów) J=-D dc/dx - konformacyjne (zmiany położenia atomów) - elektrostatyczne (dipole trwałe) - elektrostatyczne (dipole indukowane) -wiązania wodorowe Zakład Biofizyki 3

4 Dyfuzja - przykłady Zakład Biofizyki 4

5 Oddziaływanie międzycząsteczkowe F = σl σ l E = σ S F t = η v 0 S/d Zakład Biofizyki 5

6 Napięcie powierzchniowe Doświadczenia związane z napięciem powierzchniowym Nartnik poruszający się po wodzie Kształt kropli wody Kształt kropli wody z detergentem Zakład Biofizyki 6

7 Siły przylegania i spójności Menisk płaski Menisk wklęsły Menisk wypukły Zwilżalność Zakład Biofizyki 7

8 Siły przylegania - adhezja Przykładem siły Adhezja występuje m.in. przy klejeniu przylegania jest (kleje adhezyjne) i malowaniu, łączenie się kropelek stosowaniu kartek i taśm przylepnych wody na pajęczynie (folia adhezyjna). tworząc coraz to większe krople. Zwierzęta mogą poruszać się nawet po powierzchniach poziomych grzbietem skierowanym w dół. Zakład Biofizyki 8

9 Magnetyczne właściwości materii Zakład Biofizyki 9

10 Magnetyczne właściwości materii Orbitalny moment magnetyczny M = µ B µ = IA µ e 2 υ = π r 2 π = e υ r = e r 2 2m L Namagnesowanie (moment magnetyczny) χ M namagnesowanie M = χh χ- podatność magnetyczna H natęŝenie zewnętrznego pola magnetycznego Zakład Biofizyki 10

11 Magnetyczne właściwości materii Ze względu na właściwości magnetyczne substancje dzielimy na: - χ<0 substancja jest diamagnetykiem - χ>0 substancja jest paramagnetykiem - χ>>0 substancja jest ferromagnetykiem - χ =f(h) ferrimagnetyki - χ =f(h) antyferromagnetyki Kryterium podziału jest χ - podatność magnetyczna, która charakteryzuje zachowanie ciała w zewnętrznym polu magnetycznym Zakład Biofizyki 11

12 Magnetyczne właściwości materii Diamagnetyki χ< 0 Indukowany polem moment magnetyczny skierowany jest przeciwnie do tego pola. Atomy diamagnetyka mają wypadkowe momenty magnetyczne równe zeru. Zakład Biofizyki 12

13 Magnetyczne właściwości materii Paramagnetyki χ> 0 Atomy paramagnetyczne posiadają stały niezerowy moment magnetyczny. Prawo Curie χ = C T Zakład Biofizyki 13

14 Magnetyczne właściwości materii Ferromagnetyki χ> >0 Występuje samoistne namagnesowanie tzn.: istnieje niezerowy moment magnetyczny nawet w nieobecności zewnętrznego pola magnetycznego Ferryty: Hematyt Fe 2 O 3 Magnetyt Fe 3 O 4 Zakład Biofizyki 14

15 Magnetyczne właściwości materii Ferromagnetyki Prawo Curie- Weissa C χ = T T C Zakład Biofizyki 15

16 Magnetyczne właściwości materii Spektrometr masowy - identyfikacja związków chemicznych i ich mieszanin, - ustalanie struktury związków chemicznych, - ustalania ich składu pierwiastkowego, -ustalanie składu izotopowego analizowanych substancji, co m.in. umożliwia określenie ich źródła pochodzenia -precyzyjne ustalanie składu złożonych mieszanin związków o wysokich masach molowych w proteomice, badaniach materiałowych i chemii polimerów. Zakład Biofizyki 16

17 Magnetyczne właściwości materii Głośniki Zakład Biofizyki 17

18 Magnetyczne właściwości materii Silnik elektryczny Zakład Biofizyki 18

19 Biegun północny Zorza polarna Biegun południowy Zakład Biofizyki 19

20 Elektryczne właściwości materii Przewodność właściwa rodzaj i stęŝenie ładunków, moŝliwość ich ruchu w polu elektrycznym j = σ E gdzie: j - gęstość prądu elektrycznego, E - natęŝenie pola elektrycznego Przenikalność rozmieszczenie przestrzenne ładunków, ich zdolność do przemieszczania się. ε = D E gdzie: D indukcja pola elektrycznego, E - natęŝenie pola elektrycznego Zakład Biofizyki 20

21 Elektryczne właściwości materii Gazy niewielkie oddziaływania międzycząsteczkowe. Brak ładunków Ciecze słabe siły spójności. W większości izolatory. Ciała stałe izolatory ( E > 2eV) półprzewodniki ( E < 2eV) przewodniki ( E = 2eV) Zakład Biofizyki 21

22 Dielektryki ciała nie posiadające ładunków swobodnych. E w = E + E ind E w ma kierunek wektora, ale jest od niego mniejsze E w = E- E ind D = εε o E gdzie: D wektor indukcji pola elektrycznego Ɛ o przenikalność elektryczna w próŝni P = ε ( ε 1 ) E = ε o o χ E gdzie: χ podatność elektryczna ε = r ε ε o gdzie: χ Względna przenikalność elektryczna Zakład Biofizyki 22

23 Dielektryki niepolarne Elektryczny moment dipolowy p = q l Moment siły M = Flsin α = qelsin α = pe sin M = p E α Pod wpływem zewnętrznego pola następuje natomiast przemieszczenie środków cięŝkości ładunków jąder i elektronów i w cząsteczce zostaje indukowany moment dipolowy. Dielektrykami niepolarnymi są cząsteczki symetryczne, np. H 2, N 2, O 2, CH 4 Zakład Biofizyki

24 Dielektryki niepolarne Polaryzowalność p = α E Polaryzacja elektronowa: obojętne elektrycznie atomy mogą w zewnętrznym polu elektrycznym stać się dipolami wskutek zniekształcenia chmury elektronowej wywołanego polem zewnętrznym. Polaryzacja jonowawystępuje w substancjach o wiązaniu jonowym, takich jak chlorek sodu NaCl, zbudowanych z dwu rodzajów jonów. Dochodzi do wzajemnego przesunięcia podsieci kationowej i anionowej Polaryzacja ładunkiem przestrzennym zachodzi, kiedy nośniki ładunku (jony) gromadzą się na niejednorodnościach ośrodka, np. na granicach obszarów o różnej wartości stałej dielektrycznej. Zakład Biofizyki 24

25 Dielektryki polarne Jeśli w nieobecności pola elektrycznego moment dipolowy atomu lub cząsteczki dielektryka nie jest równy zeru, dielektryk nazywamy polarnym. Do dielektryków polarnych naleŝą substancje, których cząsteczki są niesymetryczne np.: H 2 O lub HCl. Pod wpływem pola elektrycznego momenty dipolowe cząsteczek dielektryków polarnych pozostają niezmienione ale ustawiają się w kierunku pola. Zakład Biofizyki 25

26 Dielektryki o specjalnych właściwościach Piezoelektryki Pod wpływem zewnętrznego napręŝenia w krysztale pojawia się polaryzacja. Charakterystyczną cechą kryształów piezoelektrycznych jest brak środka symetrii ich struktury krystalicznej. Istnieją równieŝ ceramiki i substancje organiczne o właściwościach piezoelektrycznych, takie jak polimery, DNA, białka, kości. Zakład Biofizyki 26

27 Dielektryki o specjalnych właściwościach Piezoelektryki - zastosowania Silnik piezoelektryczny (USM) Mikrofony Piezoelektryczne mikropompy są elementami drukarek atramentowych Zakład Biofizyki 27

28 Dielektryki o specjalnych właściwościach Piezoelektryki - zastosowania Głośniki Zakład Biofizyki 28

29 Dielektryki o specjalnych właściwościach Piezoelektryki - zastosowania Układ pozycjonujący igłę w mikroskopie tunelowym (STM) Obraz STM powierzchni grafitu Zakład Biofizyki 29

30 Dielektryki o specjalnych właściwościach Ferroelektryki Ferroelektrykami nazywamy ciała Prawo Curie- o budowie krystalicznej, które Weissa nawet w nieobecności C zewnętrznego pola elektrycznego χ = wykazują polaryzację elektryczną, T T przy czym zwrot tej polaryzacji C moŝna odwrócić za pomocą zewnętrznego pola elektrycznego. Zakład Biofizyki 30

31 Dielektryki o specjalnych właściwościach Ferroelektryki - zastosowania Podstawowym zastosowaniem materiałów ferroelektrycznych jest budowa miniaturowych kondensatorów o duŝych pojemnościach. Zakład Biofizyki 31

32 Teoria pasmowa ciał stałych Poziomy elektronowe atomów w cząsteczkach ulegają rozszczepieniu. W kryształach zjawisko to prowadzi do wytworzenia się pasm. Zakład Biofizyki 32

33 Półprzewodniki Półprzewodnikami nazywamy materiały, które w temperaturze zera bezwzględnego mają całkowicie obsadzone pasmo walencyjne i całkowicie puste pasmo przewodnictwa, a szerokość pasma zabronionego nie przekracza 3 ev. Krzem Si German Ge Rozmieszczenie półprzewodników w układzie okresowym pierwiastków. Obok symbolu pierwiastka podano wartość przerwy energetycznej w ev. Zakład Biofizyki 33

34 Półprzewodniki samoistne W półprzewodnikach samoistnych w warunkach równowagi termodynamicznej, elektrony w paśmie przewodnictwa pojawiają się wyłącznie wskutek wzbudzenia z pasma walencyjnego. n = p = n i = n i -koncentracja samoistna n koncentracja elektronów p koncentracja dziur σ ne µ + µ = pe e d Zakład Biofizyki 34

35 Półprzewodniki domieszkowane Domieszki pięciowartościowe Domieszki trójwartościowe Półprzewodnik typu n Półprzewodnik typu p Zakład Biofizyki 35

36 Złącze p-n Zakład Biofizyki 36