r. akad. 2012/2013 wykład XIII - XIV Podstawy Procesów i Konstrukcji InŜynierskich Elementy fizyki ciała stałego Zakład Biofizyki
Stany skupienia materii A -R MALDI-NCD PLAZMA ES -CON http://www.szkolnictwo.pl/ Zakład Biofizyki 2
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) http://pl.wikipedia.org -wiązania wodorowe Zakład Biofizyki 3
Dyfuzja - przykłady http://www.chemia.dami.pl http://pldocs.docdat.com Zakład Biofizyki 4
Oddziaływanie międzycząsteczkowe F = σl σ l E = σ S F t = η v 0 S/d http://pl.wikipedia.org Zakład Biofizyki 5
Napięcie powierzchniowe Doświadczenia związane z napięciem powierzchniowym Nartnik poruszający się po wodzie Kształt kropli wody Kształt kropli wody z detergentem Zakład Biofizyki 6
Siły przylegania i spójności Menisk płaski Menisk wklęsły Menisk wypukły Zwilżalność Zakład Biofizyki 7
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
Magnetyczne właściwości materii Zakład Biofizyki 9
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 http://www.physics.sjsu.edu/becker/physics51/mag_field.htm 10
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
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
Magnetyczne właściwości materii Paramagnetyki χ> 0 Atomy paramagnetyczne posiadają stały niezerowy moment magnetyczny. Prawo Curie χ = C T Zakład Biofizyki 13
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
Magnetyczne właściwości materii Ferromagnetyki Prawo Curie- Weissa C χ = T T C Zakład Biofizyki 15
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 http://www.physics.sjsu.edu/becker/physics51/mag_field.htm 16
Magnetyczne właściwości materii Głośniki http://www.physics.sjsu.edu/becker/physics51/mag_field.htm Zakład Biofizyki 17
Magnetyczne właściwości materii Silnik elektryczny http://www.physics.sjsu.edu/becker/physics51/mag_field.htm Zakład Biofizyki 18
Biegun północny Zorza polarna Biegun południowy Zakład Biofizyki 19
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
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) http://pl.tribologia.org Zakład Biofizyki 21
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 http://www.physics.sjsu.edu/becker/physics51/capacitors.htm 22
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 http://www.mif.pg.gda.pl/kfze/wyklady/ft2rozdzial2.pdf http://adam.mech.pw.edu.pl/~marzan/ 23
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 http://www.mif.pg.gda.pl/kfze/wyklady/ft2rozdzial2.pdf 24
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 http://www.mif.pg.gda.pl/kfze/wyklady/ft2rozdzial2.pdf 25
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
Dielektryki o specjalnych właściwościach Piezoelektryki - zastosowania Silnik piezoelektryczny (USM) Mikrofony Piezoelektryczne mikropompy są elementami drukarek atramentowych Zakład Biofizyki 27
Dielektryki o specjalnych właściwościach Piezoelektryki - zastosowania Głośniki Zakład Biofizyki 28
Dielektryki o specjalnych właściwościach Piezoelektryki - zastosowania Układ pozycjonujący igłę w mikroskopie tunelowym (STM) Obraz STM powierzchni grafitu Zakład Biofizyki 29
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
Dielektryki o specjalnych właściwościach Ferroelektryki - zastosowania Podstawowym zastosowaniem materiałów ferroelektrycznych jest budowa miniaturowych kondensatorów o duŝych pojemnościach. Zakład Biofizyki 31
Teoria pasmowa ciał stałych Poziomy elektronowe atomów w cząsteczkach ulegają rozszczepieniu. W kryształach zjawisko to prowadzi do wytworzenia się pasm. http://www4.nau.edu/meteorite/meteorite/book-glossaryb.html Zakład Biofizyki 32
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 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/band.html 33
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
Półprzewodniki domieszkowane Domieszki pięciowartościowe Domieszki trójwartościowe Półprzewodnik typu n Półprzewodnik typu p Zakład Biofizyki 35
Złącze p-n Zakład Biofizyki 36