Основные свойства и характеристики диэлектриков.

1.Удельное сопротивление (проводимость).

Ом×м; концентрация носителей . Особенность диэлектриков – в большинстве случаев ионный характер проводимости (а не электронный). В идеальном диэлектрике носителей заряда нет Þ r ® ¥. Реально: существуют примеси внутри материала, существуют увлажнённость и загрязнённость поверхности образца Þ появляется сквозной объемный и поверхностный токи. Различают объёмную и поверхностную удельную проводимость γ (удельное сопротивление ρ).

[ Ом×м] в СИ – сопротивление куба с ребром 1м.

[ Ом], где – поверхностное сопротивление образца, шириной d и длиной l.

Þполная проводимость твердого д/э:

Ток в диэлектриках возникает в результате ионизации под воздействием:

а) нагревания, т.е.температуры ()

б) эл. поля с напряженностью Е (возможна ударная ионизация)

в) электрохимического старения (f(t), где t-время)

г) различных видов излучения (рентгеновское, радиоактивное, ультрафиолетовое и др.)

д) наличия примесей

а) , где А – коэффициент, характеризующий подвижность и концентрацию диссоциированных ионов ;

b = , где - энергия освобождения ионов, - энергия перемещения ионов, К – постоянная Больцмана.

При повышении температуры проводимость растёт вплоть до теплового пробоя твердого диэлектрика.

б) Е для газов

I

I II III

 

U

I – увеличение тока, вызванное внешними факторами (излучением) Þ несамостоятельная проводимостьg, концентрация ионов » const. Þ выполняется закон Ома. II – процесс достигает насыщения: все ионы уносятся к электродам, не успевая рекомбинировать. III – самостоятельная g возникает в результате ударной ионизации.

 

в) При старении молекулы могут распадаться на ионы, Þ число носителей увеличивается, а удельное сопротивление падает.

д) Примеси вносят дополнительных носителей (ионы и даже электроны) отдельно стоят влажностные свойства. Размер молекулы воды 2,7× м, что позволяет ей проникать в поры, даже таких материалов, как стекло. Присутствие воды уменьшает сопротивление материалов, так как . Влияет пористость и смачиваемость материала.

1. церезин 2. щелочное стекло 3. фенопласт

Влажностные свойства диэлектрика оцениваются влагостойкостью – это способность сохранять свойства при воздействии влаги. Практически не пропускают воду только металлы, стёкла и керамика. Поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше пористость вещества, чище поверхность и чем тщательнее она отполирована.

2. Электрическая прочность.

. При превышении диэлектрик теряет свойства изоляционного материала (резко падает сопротивление). Явление называется пробой диэлектрика. – пробивное напряжение; h - толщина диэлектрика. [ МВ/м] – удобно пользоваться [В/м]. Одним из главных факторов, способствующих пробою, является наличие примесей. Вызывается как электрическими, так и тепловыми процессами в теле. Запас эл. прочности æ =

3.Поляризация и диэлектрическая проницаемость.

Суть поляризации заключается в том, что при внесении диэлектрика в электрическое поле нарушается симметрия распределения зарядов. Заряды противоположных знаков, смещённые внешним полем , образуют диполи, поле которых действует навстречу внешнему Е и компенсирует часть его.

5 2Xx/ByLhnP7K8IvP6NAw0z4cyEThFJRZyU32cxAcl/kSxF7BqshBNrX8j9/8AAAA//8DAFBLAQIt ABQABgAIAAAAIQC2gziS/gAAAOEBAAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABbQ29udGVudF9UeXBlc10u eG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADj9If/WAAAAlAEAAAsAAAAAAAAAAAAAAAAALwEAAF9yZWxzLy5y ZWxzUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAPidCW3xAQAA7gMAAA4AAAAAAAAAAAAAAAAALgIAAGRycy9lMm9E b2MueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAN43SXfbAAAABgEAAA8AAAAAAAAAAAAAAAAASwQAAGRycy9k b3ducmV2LnhtbFBLBQYAAAAABAAEAPMAAABTBQAAAAA= " strokecolor="black [3200]" strokeweight="2.5pt"> + -

 

 

V

После внесения в зазор диэлектрика (Е> ) показания V уменьшаются и для восстановление показаний следует подвести дополнительный заряд.

Основные виды поляризации.

а) Мгновенная поляризация под действием электрического поля, упругая, без рассеяния энергии. Сюда относятся: I электронная и II ионная.

I. Упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов. @ сек

II. Характерное для твердых тел с ионным строением и обусловлена смещением упруго связанных ионов. @ сек. C увеличением усиливается в результате ослабления упругих сил. Заряд на обкладках конденсатора в зависимости от U

Линейный ДЭ,

б) Релаксационная поляризация. Совершается не мгновенно и сопровождается нагревом диэлектрика.

Дипольные молекулы, находящиеся в хаотичном тепловом движении, частично ориентируются по полю, если молекулярные силы не препятствуют ориентации. Поворот диполей в вязкой среде требует преодоления некоторого сопротивления, как следствие, потери энергии. Время релаксации зависит от . При комнатной температура для различных диэлектриков оно составляет .

Площадь эллипса равна энергии, поглощенной ДЭ за период

в) Спонтанная (самопроизвольная) поляризация.

Существует у сегнетоэлектриков (сегнетова соль, титанат бария). У таких веществ имеются домены – области самопроизвольной предельной поляризованности, обладающие электрическим моментом в отсутствии внешнего напряжения. Ориентация моментов хаотичная, следовательно, результирующий момент = 0. При приложении поля- очень сильный эффект поляризации. В отличие от других видов поляризации имеется область насыщения.

Нелинейный ДЭ: S петли численно равна затратам энергии на переполяризацию

Способность материала к поляризации характеризуется диэлектрической проницаемостью. ∃ - абсолютная, или e - относительная диэлектрические проницаемости. Абсолютная диэлектрическая проницаемость – это коэффициент взаимозависимости между векторами электрического смещения и напряжённости электрического поля .

; (D = Q/S); / ; где Ф/м диэлектрическая постоянная (д/э проницаемость вакуума).

Относительная д/э проницаемость показывает во сколько раз данного материала отличается от

Любопытно, что существует связь ε0=1/(μ0*с**2),

где μ0 – магнитная проницаемость вакуума, с – скорость света.

Для газов: e @ 1, для неполярных жидкостей: e = 2...2,5, для полярных жидкостей: e = 3,5...5, для твёрдых диэлектриков неполярных: e = 2...10 (полярных e до нескольких сотен), для сегнетоэлектриков: e = (0,5...2) .

e зависит от t и от f, у сегнетоэлектриков от Е. Для большинства диэлектриков e увеличивается при увеличении температуры, e уменьшается при возрастании f. У сегнетоэлектриков при нагревании существует точка Кюри. Выше этой температуры происходит обратимое разрушение доменов и исчезновение сегнетоэлектрических свойств.

 

4. Потери в диэлектриках. Тангенс диэлектрических потерь.

Схема замещения реального конденсатора.

Потери Р = U×I×cosj = wC×tg δ

Cos j = sin δ » tg δ (так как угол мал) – характеризует уровень диэлектрических потерь, не зависит от схемы замещения и указывается в справочниках для нормальных условий.

1/ tg δ – добротность изоляции.

Удельные потери р = =

Е – напряжённость электрического поля в диэлектрике площадью S, толщиной h, etg – коэффициент диэлектрических потерь. Для различных диэлектриков tg δ зависит от f и t и Е. Зависимости tg δ от температуры t в ℃

Точка А- начало ионизации, точка В- конец ионизации. Далее насыщение.

5. Физико-химические и механические свойства.

См. стр.60-65 методички «Радиоматериалы и радиокомпоненты»

6. Эффекты в диэлектриках.

1) Электрострикция- эффект изменения линейных размеров вещества при приложении к нему электрического поля. Наблюдается абсолютно во всех веществах. Связь между деформацией и электрическим полем является квадратичной, следовательно, при перемене знака эффект сохраняется. Наиболее ярко проявляется у сегнетоэлектрических релаксаторов, а также у PMN- керамики (Pb , ). НАСА удалось устранить неполадки в оптической системе телескопа Хаббл после его запуска в космос.

2) Пьезоэлектрический эффект.

Возникновение поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (то есть на поверхности диэлектрика образуются заряды).

Существует обратный пьезоэффект- возникновение механических деформаций под действием электрического поля. Пьезоэффект наблюдается в нецентросимметричных диэлектриках.

Рассмотрим механическую модель такого диэлектрика, когда связь между атомами занесены пружинами жёсткостью k, можно представить схемой

где g- пьезоэлектрический коэффициент – пьезомодуль

Т – механическое напряжение

D – электрическое смещение

А = – коэффициент ацентричности

Если при = , то наблюдается прямой и обратный пьезоэффект. Если А = 1, то пьезоэффект отсутствует. Если же при этом , то наблюдается пироэффект (появление заряда на поверхности под действие тепла). Пьезоэлектрики имеют широкую палитру применения. (См. рис.4-12. методички «Радиоматериалы и радиокомпоненты»)

 

Пьезотрансформатор:

Простейший поперечно-поперечный трансформатор. Под действием - прямой пьезоэффект – р, под действием р – обратный пьезоэффект ® .

Применение: ЗУ, преобразователь модуляции АМ в ЧМ, делители и умножатели частоты (параметроны), резонаторы, пьезодатчики, пьезодвигатели, часы, пьезоэлектр. звонки, пьезоусилители и многое другое. Все они отличаются очень малым потреблением энергии. А недавно изобрели куртку из пьезоткани, вырабатывающую электричество.

3) Пироэффект – появление заряда на поверхности при воздействии тепла (при уменьшении или увеличении температуры).

Применение: приборы ночного видения очень высокой чувствительности (достигает В/град), термометр.

4) Электретный эффект – способность диэлектрика длительно сохранять наэлектризованное состояние и создавать в окружающем пространстве электрическое поле (подобно постоянным магнитам, создающих магнитное поле).

Механизм заключается в том, что вязкость диэлектрика при воздействии температуры (термоэлектреты) или облучении светом (фотоэлектреты) уменьшается. Диполи сначала ориентируются по полю, затем, после снятия воздействия вязкость повышается, а диполи сохраняют полученную ориентацию (поляризацию)

Применение: в технике связи, электрофотографии.

5) Оптоэлектрический эффект.

Зависимость показателя преломления света от .

n = f() = f(Е) – линейный (эфф. Поккельса)

n = f() – квадратичный (эфф. Керра).

Наблюдается в жидких кристаллах – аморфных веществах, обладающих резкой анизотропией (как в кристаллах) электрических и оптических свойств. Термохромный эффект – изменение цвета под действием температуры.

Сегнетоэлектрические кристаллы: ниобат лития, прозрачная сегнетоэлектрическая керамика, цирконат титанат свинца, модифицированный лантаном, (ЦТСЛ- керамика) (эффект усиливается вблизи точки Кюри).

Применение: для построения знакоиндикаторов, светофильтров, модуляторов света (запись звука на киноплёнку).

Пассивные диэлектрики.

1) органические полимеры (содержат в составе углерод С). Получаются из мономеров при высоких давлениях и температурах. Образуют либо линейную, либо пространственную цепочку.

Линейные – термопластичные (т.е. многократно размягчаются при нагревании и отвердевают при охлаждении, не вступая в хим. реакции).

Пространственные – термореактивные (т.е. хим. активны, после отвердевания свойства меняются, при определённых условиях вступают в химические реакции).

Полимеризация.

- полиэтилен: неполярен, r= ¸ Ом×м; e=2,3¸2,4; tg δ=(2¸5) ; = 100 мВ/м. При степени полимеризации n ³ 1250 становится твёрд. (степень полимеризации – число мономерных звеньев в молекуле). Заменой атомов Н можно получить диэлектрики с различными свойствами.

- полифторэтилен – плёнка с пьезоэффектом.

-фторолон-4 (фторопласт-4) тефлон (!). Получается полимеризацией тетрафторэтилена F2C=CF2.

Лучший диэлектрик! Неполярный. Нагревостойкость до 300 С. r @ Ом×м, e=1,9...2,2; диапазон частот до Гц; tg δ = (1..3)× ; = 200 мВ/м. Обл. высокой химической стойкости превышающий платину и золото. При нагревании до 415℃ разлагается, Þ обычные методы формовки не применяются. Изделия получают методом спекания при t » 380 С.

Недостаток: высокая стоимость, сложности технологии.

- фторолон-3. Почти не уступает фторопласту-4: r @ Ом×м; нагревостойкость t=130 С; полярен (так как несимметричное строение молекул); tg δ сильно зависит от t и r. Технология проста!

Порошковые пластмассы – фенолформальдегидные смолы с наполнителем. Например, бакелит (российский аналог – карболит). Термореактивны r @ Ом×м, e = 4,5; tg δ = 0,01.

Слоистые пластики. Наполнитель – волокнистые материалы (гетинакс – наполнитель бумага, текстолит – наполнитель ткань, стеклотекстолит – наполнитель стеклоткань).

2. Стекла – неорганические квазиаморфные вещества. Сложные системы различных оксидов (SiO2.B2O3). Кварцевое стекло - хороший высокочастотный ( Гц) диэлектрик r @ Ом×м. e (при t=20 С)=3.8; tg δ = 2× . Применяется в световодах. Получается из SiO2 при t >1700С; Имеет наименьший коэффициент линейного расширения из всех веществ вообще. Очень высокий предел прочности на сжатие (до 2100 МПа). Обладает высокой прозрачностью вплоть до λ=4мкм (начиная с ультрафиолетового λ=160 нм).

Борсиликатное стекло – окись бора и окись кремния. Вольфрамовое и молибденовое стекло и другие. Диэлектрическая проницаемость всех стекол увеличивается при увеличении температуры.

Типы стекол определяется назначением.

1) Конденсаторные стекла – для диэлектрика конденсатора. Должен иметь повышенный коэффициент и малый tg δ.

2) Установочные стекла – для изготовления установочных деталей, различных изоляторов (антенн, опор и др.)

3) Ламповые стекла – для изготовления баллонов осветительных и электронных ламп. Требование: близкий к используемому металлу (вольфрам, молибден, платина) коэф. температурного расширения.

4) Стекла с наполнителем, например, микалекс – пластмасса горячей штамповки из стекла и слюдяного порошка.

r = .. Ом×м, = 6.0…8.5, tg δ=(3...10)× ; =(10¸20)МВ/м

3. Ситаллы – изготовляются путём искусственной кристаллизации стекол специальным составом (СИ-силикат, АЛЛ-от кристалл).Занимают промежуточное место между стеклом и керамикой.

r = ... Ом×м, = 5 7, tg δ=(1...80)×

Применение: Для изготовления ответственных изделий. Имеют высокую механическую прочность, высокую точность размеров изделий, чистоту поверхности, пониженную хрупкость

Установочные ситаллы используются в качестве подложек ИМС и СВЧ-детаей пленочных резисторов.

Конденсаторные ситаллы обладают повышенной электрической прочностью по сравнению с керамическими конденсаторами.

4. Керамика – неорганические материалы, которые при изготовлении изделий подвергаются обязательному обжигу(спеканию) при t>1300С.

Классический – изоляторный фарфор. Основные компоненты кристаллический кварц SiO2, корунд Al2O3 и полевой шпат. Низкочастотный, большие потери (tg δ= ).

Керамика с низкой : радиофарфор (фарфор с введением тяжёлого оксида BaO, благодаря чему tg δ уменьшается, r возрастает).

Ультрафарфор (tg δ уменьшается, r больше, чем у обычного фарфора; характеризуется большим содержанием глинозёма Al2O3). Это высокочастотный диэлектрик).

Алюмооксид (в основном состоит из оксида алюминия (95.99%), высокое r, малый tg δ (2...3), =10, = 1600 ℃, чрезвычайно высокая механическая прочность). Применяется в качестве вакуумплотных изоляторов в корпусах полупроводниковых приборов и подложек ИМС.

Керамика с высокой (конденсаторная): для изготовления керамических конденсаторов – малая масса и габариты. Основная составляющая часть – диоксид титана TiO2. = 100 (в диапазоне f до Гц), tg δ=(2..20)× . Основу низкочастотной конденсаторной керамики составляет титанат бария BaTiO3 и твёрдые растворы с сегнетоэлектрическими свойствами: e = 900...8000, но нестабильна (зависит от t, f, E).

5. Волокнистые материалы: х/б нити, шелк, стеклонити – из них создаются ткани. Связующие пропитки определяют диэлектрические свойства тканей.

6. Пропиточные жидкости: лаки, клеи, компаунды, смолы. Служат для пропитки и создания защитных покрытий.

7. Материалы для твердотельных лазеров

а) Самый первый – рубин (накачка- газоразрядной лампой(λ=0,694мкм)

Стекла и кристаллы, активированные редкоземельными металлами.

б) Алюмоиттриевый с легированием неодимом (λ =1.32 мкм). Применение: обработка материалов, лазерные дальномеры, целеуказатели. Самый распространённый лазер высокой мощности. Работает в импульсном режиме.

 

Активные диэлектрики.

Такие, которые сильно изменяют свои характеристики под воздействием внешних условий.

1) Сегнетоэлектрики. e = f (E, t, æ), æ- механическое воздействие.

Классический: сегнетова соль: NaKC4H4O6*4H2O

Др. сегнетоэлектрики: титанат бария BaTiO3. Титанат кальция CaTiO3, ниобат лития LiNbO3. При введении добавок значительно изменяется и температура точки Кюри. Например, BaTiO3 + SrTiO3 (в % указано количество BaTiO3). Зависимость ε от температуры в ℃

Применение: Малогабаритные низкочастотные конденсаторы с большой удельной ёмкостью, диэлектрические усилители, модуляторы, генераторы, модуляция лазерного излучения, пьезо- и пироэлектрические преобразователи, вариконды (конденсатор, ёмкость которого зависит от напряжения).

2) Пьезо- и пиродиэлектрики используют нецентросимметричные молекулы. (цирконат- титанат свинца PbZrO3-PbTiO3)

ЦТС-19(содержит цирконий, титан, свинец); ЦТС-23; ТБКС(содержит барий, кальций), НБК(содержит ниобий) и другая пьезокермика. Ниобат лития LiNbO3, пьезокварц SiO2, германат висмута Bi12GeO20.

3) Электреты органические и неорганические диэлектрики: политетрафторэтилен, поликарбонат, полиметилметакрилат и др.

4) Жидкие кристаллы (растворы некоторых органических веществ в дихлорэтане)