Detail předmětu
Non-Destructive Diagnostics and Physics of Dielectrics
FEKT-MPA-NDDAk. rok: 2025/2026
Předmět se věnuje dvou moderním oblastem diagnostiky materiálů, tj. dielektrické spektroskopii a akustické a elektromagnetické emisi.
Důraz je kladem na porozumění dané problematice, aplikovaní daných znalostí a praktické zkušenosti s diagnostikou materiálů.
Během semestru budou prezentovávána následující témata:
fyzikálních zákonitostí doprovázejících chování dielektrik a izolantů v elektrickém poli, polarizační děje v dielektrikách, chování materiálů ve stejnosměrném i střídavém elektrickém poli, základních aspektech vzniku vodivosti, dielektrické absorpce, dielektrických ztrát a elektrické pevnosti látek. Dále pak základními druhy elektroizolačních materiálů, jejich roztříděním vzhledem k odolnosti vůči degradačním činitelům, zejména teplotě a elektrickému namáhání.
Z oblasti akustické a elektrické emise se bude jednat o:
Vznik a šíření signálů akustické a elektromagnetické emise, typy diagnostických čidel, typy poruch v kompozitních systémech, analýza šumových spekter použití nízkošumových zesilovačů, vhodné techniky měření a stínění systémů.
Studenti si výrazně prohloubí znalosti v diagnostice materiálů, analýze dielektrických spekter, rozboru šumových spekter, programování v prostředí Matlab a komunikace po sběrnici GPIB, RS 232 či TCP-IP.
Jazyk výuky
Počet kreditů
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Nabízen zahraničním studentům
Vstupní znalosti
Obecně jsou požadovány znalosti na úrovni bakalářského studia. Práce v laboratoři je podmíněna platnou kvalifikací „osoby znalé pro samostatnou činnost“, kterou musí studenti získat před zahájením výuky. Informace k této kvalifikaci jsou uvedeny ve Směrnici děkana Seznámení studentů s bezpečnostními předpisy.
Pravidla hodnocení a ukončení předmětu
- Semestrální práce - 30 b (2 semestrální práce s obhajobou)
- Závěrečná zkouška - 50 b
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.
Učební cíle
- získat všeobecný přehled o využití akustické a elektromagnetické emise v materiálových vědách i dalších inženýrských oborech,
- definovat základní aspekty při analýze dielektrických materiálů
- identifikova základní dielektrická spektra a navrhnout vhodnou matematickou metedu
- definovat základní charakteristiky šumu
- identifikovat charakterické příznaky šuma a určit nápravná opatření pro pasivní součátky
- vytvářet měřicí algoritmy s běžnými měřicími přístroji na sběrnicích GPIB, RS232, TCP
Absolvent předmětu je schopen:
- popsat jednotlivé druhy polarizací v dielektrických materiálech
- pojmenovat principy vzniku jednotlivých polarizací a odhadnout frekvenční závislost dielektrického spektra
- identifikovat defekty v dielektrických systémech a rozpoznat degradační procesy v materiálech
- popsat jednotlivá šumová spektra a posoudit vliv šumu na charakteristické vlastnosti součástky
- vytovřit náhradní model pasivních i aktivních součástek
- definovat příčiny vzniku akustické či elektromagnetické emise a vytvořit matematický model
- realizovat základní měření akustické emise
- vytvořit měřicí algoristmus v prostředí Matlab s komunicí po sběrnicích GPIB, RS232 a TCP
Základní literatura
Böttcher, C. J. F., Bordewijk, P.: Theory of Electric Polarization, 2. ed., Amsterdam, Elsevier, 1978,
Doporučená literatura
Hedvig, P.: Dielectric Spectroscopy of Polymers, Budapest, Akadmiai Kiadó & Adam Hilger, 1977,
Zařazení předmětu ve studijních plánech
- Program MPA-BIO magisterský navazující 2 ročník, letní semestr, povinně volitelný
- Program MPA-EAK magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný
- Program MPA-EEN magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný
- Program MPAD-BIO magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný
Typ (způsob) výuky
Přednáška
Vyučující / Lektor
Osnova
Identifikace poruch z transportních charakteristik, V-A charakteristika v přímém a zpětném směru, nadbytečný proud, generačně-rekombinační proces, degradace
Fluktuační procesy, šumová spektrální výkonová hustota a její korelace s typem poruch, nf šum jako indikátor spolehlivosti a kvality, kvantifikace parametru lambda - střední doby do poruchy
Šumová spektrální hustota u polovodičových součástek, šum homogenních struktur, tenkovrstvových a tlustovstvových odporů
Částečné výboje a šum v izolantech a kondenzátorech
Šum polovodičových laserů, slitinových tranzistorů, tranzistorů se strukturou FET
RTS šum polovodičových diod s kvantovými jamkami a tečkami, teorie pro vypracování návrhu nedestruktivního diagnostického testu
Fenomenologický popis polarizace
Druhy relaxačních mechanismů v polymerech, sklech a keramických soustavách
Matematické metody pro vyhodnocování dielektrických dat
Procesy degradace a jejich sledování dielektrickými metodami
Hlavní druhy dielektrických materiálů
Hlavní oblasti použití dielektrických materiálů a kritéria výběru dielektrik pro jednotlivé aplikace
Cvičení odborného základu
Vyučující / Lektor
Osnova
Diagnostické nástroje - velikost souborů a věrohodnost výsledků, určení druhu šumu, výpočet nadbytečného proudu, výpočet parametrů spolehlivosti
Dipólové momenty základních strukturních jednotek (vazeb, molekul) , polarizovatelnost alfa v případě atomové a dipólové polarizace
Výpočet lokálního pole a přechody do ferroelektrického stavu, výpočtypermitivity materiálů z jejich struktury
Transformace z časové domény do frekvenční a naopak, Debyeův model, výpočet hustoty rozdělení relaxačních dob analyticky i pomocí počítače, Hamonova aproximace, fitování
Laboratorní cvičení
Vyučující / Lektor
Osnova
Rozbor typů šumů z experimentálně zjištěných průběhů
Měření nabíjecích a vybíjecích proudů dielektrik a transformace výsledků do frekvenční oblasti pomocí Hamonovy aproximace
Měření frekvenčních a teplotních závislostí komplexní permitivity a analýza výsledků, stanovení aktivační energie a míry kooperativity relaxačního procesu
Měření teplotních chrakteristik polymerních materiálů.