- •4. Электротехнические материалы
- •4.13. Диэлектрические материалы
- •1. Общие сведения о диэлектриках
- •Виды поляризации
- •Электропроводность диэлектриков
- •Электропроводность твёрдых диэлектриков
- •Диэлектрические потери
- •1.4. Диэлектрические потери
- •1.5. Пробой диэлектриков
- •Твердые диэлектрики
- •4.14. Проводниковые материалы
- •Основные свойства проводниковых материалов
- •Удельное сопротивление сплавов
- •Термоэлектродвижущая сила
- •2.5. Сплавы высокого сопротивления
- •Неметаллические проводники
- •4.15. Полупроводниковые материалы Полупроводниковые материалы
- •Общие сведения
- •Терморезисторы
- •Влияние внешних факторов на электропроводность
- •Собственные полупроводники
- •Химические соединения (Бинарные полупроводники АmBn)
- •4.16. Магнитные материалы Общие сведения
- •Магнитомягкие магнитные материалы Магнитные потери
- •Магнитомягкие материалы
- •Ферриты
- •Магнитотвердые материалы
4. Электротехнические материалы
4.13. Диэлектрические материалы
1. Общие сведения о диэлектриках
К диэлектрикам относятся материалы, которые ширину запрещенной зоны ΔW 3 эВ (рис. 1.1).
Рис 1.1. Энергетическая диаграмма диэлектриков: 1 - заполненная электронами зона; 2 – запрещённая зона шириной W; 3 – зона свободных энергетических уровней
Основным, характерным для любого диэлектрика процессом, возникающем при воздействии на него электрического поля, является поляризация.
Поляризация – это ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.
Заряд конденсатора в вакууме (рис.1.2.1)равен
QО = CОU,
где CО – ёмкость конденсатора в вакууме;
U – напряжение, приложенное к диэлектрику.
Рис. 1.2.1. Конденсатор в вакууме
Если между пластинами конденсатора поместить диэлектрик (рис.1.2.2), тогда заряд конденсатора равен
Q = CU,
где C – ёмкость конденсатора;
U – напряжение, приложенное к диэлектрику.
Заряд конденсатора Q разобьём на две составляющие:
Q = QО + QД,
где QO – заряд конденсатора, если бы его пластины разделял вакуум;
QД – дополнительный заряд, обусловленный поляризацией.
Относительная диэлектрическая проницаемость e диэлектрика равна:
e = Q / QO
Относительная диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз емкость конденсатора с диэлектриком больше емкости конденсатора в вакууме.
-----------------------------------------------------------------------------------------
Ширина запрещенной энергетической зоны в диэлектриках составляет______эВ.
более 3,0
0,05–3,0
8,0–15,0
0–0,05
Поляризация
Виды поляризации
Все виды поляризации можно разбить на две группы:
упругую (быструю, мгновенную), совершающаяся в диэлектрике без рассеяния энергии, то есть без выделения тепла;
неупругую (медленную), сопровождаемую рассеянием энергии в диэлектрике, то есть нагреванием. Её ещё называют релаксационной поляризацией.
. Поляризации без потерь всего два вида: электронная и ионная.
Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов.
Рис.1.2.3. Электронная поляризация атома:
а) атом вне поля; б) атом в электрическом поле
Ионная поляризация возникает в кристаллических диэлектриках, построенных из положительных и отрицательных ионов, имеющих плотную упаковку. Сущность её заключается в смещении ионов электрическим полем: положительных – в сторону отрицательного электрода, отрицательных – в сторону положительного электрода (рис.1.2.6).
Рис. 1.2.6. Ионная поляризация в твёрдых диэлектриках ионной структуры с плотной упаковкой:а) диэлектрик вне поля; б) диэлектрик в электрическом поле
Релаксационной (неупругой) поляризации в диэлектриках несколько типов:
дипольная,
ионно-релаксационная,
электронно-релаксационная,
миграционная,
спонтанная (самопроизвольная) и др.
Важным параметром процесса релаксационной поляризации является постоянная времени или временем релаксации. Она равна времени, за которое релаксационная поляризованность после снятия электрическго поля уменьшается до 1/е, то есть приблизительно до 37% первоначального уровня.
Рис.1.2.9. Изменение во времени поляризованности при релаксационном характере поляризации: a - при возникновении; б - при исчезновении
Дипольная поляризация. Некоторые молекулы из-за несимметричной структуры поляризованы без воздействия внешнего поля, то есть у них не совпадают центры положительных и отрицательных зарядов. Такие молекулы называются диполями, рис.1.2.10,а (изобразим их для простоты вектором, рис.1.2.10,б).
Рис. 1.2.10. Диполь (а) и его упрощенное изображение (б)
Дипольные молекулы поляризованы без воздействия электрического поля, причиной такой самопроизвольной поляризации является несимметричная структура молекул. Полярная молекула имеет собственный электрический момент (дипольный момент):
p=q l
Без электрического поля сумма дипольных моментов всех молекул равна нулю, потому что полярные молекул расположены в пространстве неупорядоченно, хаотично вследствие теплового движения молекул диэлектрика; следовательно, отдельные дипольные моменты направлены в разные стороны (рис.1.2.11,а). Если диполь поместить во внешнее поле, то он сориентируется по полю (рис.1.2.11,б), одновременно у него увеличится расстояние ℓ между центрами зарядов. Фактически вследствие теплового движения расположение диполей в пространстве будет постоянно изменяться, но эффект упорядоченности сохраняется.
Рис.1.2.11. Дипольная поляризация:
а) полярный диэлектрик вне поля; б) полярный диэлектрик в электрическом поле
Физическая величина, показывающая, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора при замене вакуума между его обкладками на диэлектрический материал, называется …
относительной диэлектрической проницаемостью
абсолютной диэлектрической проницаемостью
поляризованностью диэлектрика
вектором электрического смещения
Поляризация, заключающаяся в преимущественной ориентации полярных молекул вещества, находящихся в непрерывном тепловом хаотическом движении, в направлении внешнего электрического поля, называется …
дипольно-релаксационной
ионно-релаксационной
спонтанной
миграционной
Электропроводность