Презентация на тему Электрофизические свойства диэлектрических материалов

диэлектрических материалов . Слайд 1. Всего 55.
Раздел 1
Свойства радиоматериалов.

Лекция

3

способность к поляризации. Под действием электрического поля его связанные

заряды упорядочиваются.

Различают четыре механизма (вида) поляризации.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 2. Всего 55.

проявляется у неполярных диэлектриков, состоящих из электрически нейтральных молекул,

у которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают (полистирол, полиэтилен и др.).

Процесс образования диполя протекает практически мгновенно (10-14…10-16 с) и наблюдается у всех видов диэлектриков.

m = αЭℰ

В то же время электрический момент

αЭ - электронная поляризуемость. Зависит от структуры атома или молекулы, Ф⋅м2.

l - расстояние между центрами положительного и отрицательного зарядов диполя.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 3. Всего 55.

Слайд 4. Всего 55.

диэлектрика,
n - количество частиц в единице

объёма.

О способности диэлектрика поляризоваться судят по увеличению ёмкости конденсатора при помещении этого диэлектрика между обкладками конденсатора.

Без диэлектрика

ε0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (8,84⋅10-12 Ф/м);
S - площадь обкладок конденсатора;
D - расстояние между обкладками.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 5. Всего 55.

Слайд 6. Всего 55.

Б.П.
Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 7. Всего

55.

полярных диэлектриках, молекулы которых представляют собой твёрдые диполи (бакелит,

целлюлоза, эпоксидная смола).

Поворот диполей в направлении поля связан с преодолением межмолекулярных сил, поэтому протекает сравнительно медленно и сопровождается потерями энергии на нагрев диэлектрика.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 8. Всего 55.

t0, когда прекращается действие поля;
τ0 -

время релаксации, в течение которого поляризованность уменьшается в e раз (е = 2,71) от первоначального значения.

Процесс дипольной поляризации сопровождается электронной поляризацией, поэтому степень поляризованности полярного диэлектрика более высокая и относительная диэлектрическая проницаемость е достигает 6…9.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 9. Всего 55.

на кристаллические диэлектрики с плотной упаковкой ионов и с

неплотной.

У кристаллических диэлектриков, имеющих плотную ионную структуру (слюда)…

С плотной упаковкой

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 10. Всего 55.

электрического поля уравновешивается…
qℰ = kУПРΔх
kУПР - коэффициент упругой

связи;
Δх - смещение ионов, меньшее периода решётки;
ℰ. - напряжённость электрического поля.

Время установления ионной поляризации – порядка 10-13 с.

ε = 5…12

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 11. Всего 55.

упаковкой ионов (органической стекло, и др.) ионы под воздействием

поля смещаются на расстояния, превышающие постоянную решётки. После снятия поля ионы постепенно возвращаются к центру равновесия. Такой вид поляризации называется ионно-релаксационной.

С неплотной упаковкой

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 12. Всего 55.

имеет место в твёрдых диэлектриках – сегнетоэлектриках [кварц, титанат

бария (BaTiO3) и др.]. У них даже при отсутствии внешнего электрического поля наблюдается самопроизвольная (спонтанная) ориентация диполей в отдельных областях, называемых доменами. Размеры доменов – 10-4… 10-1 см. В каждом из доменов электрические моменты направлены одинаково, а в разных доменах по разному. Поэтому общий электрический момент сегнетоэлектрика равен нулю.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 13. Всего 55.

Слайд 14. Всего 55.

поле, по мере роста напряженности поля будет происходить обратимое

смещение границ доменов в направлении поля и линейное возрастание электрической индукции D (участок ОА). В сильных электрических полях смещение доменных границ принимает необратимый характер, при этом разрастаются те домены, у которых вектор спонтанной поляризации имеет наименьший угол с направлением вектора напряженности электрического поля. Одновременно с этим происходит поворот диполей по направлению поля (участок АВ).

Явление гистерезиса …

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 15. Всего 55.

основной кривой поляризации

Относительная диэлектрическая проницаемость,

измеренная в слабых полях, называется начальной. В сильных полях диэлектрическая проницаемость достигает значения 104…106.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 16. Всего 55.

Влияние температуры на величину диэлектрической проницаемости оценивают температурным

коэффициентом диэлектрической проницаемости:

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 17. Всего 55.

слабо уменьшается с ростом температуры, т.к. уменьшается плотность диэлектрика,

а, следовательно, количество поляризуемых частиц. Величина αε отрицательна, примерно равна коэффициенту линейного расширения диэлектрика и составляет около -100⋅10-6 1/K.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 18. Всего 55.

имеет характерный максимум. В области низких температур повышение температуры

ведёт к ослаблению межмолекулярных сил, что облегчает поворот диполей под действием сил поля. В области высоких температур ε уменьшается из-за возрастания беспорядочных тепловых колебаний. В ионных кристаллах с плотной упаковкой наряду с уменьшением плотности вещества наблюдается возрастание поляризуемости ионов вследствие ослабления упругих связей между ними при тепловом расширении, поэтому диэлектрическая проницаемость с ростом температуры возрастает (αε = +100⋅10-6 1/K). У некоторых кристаллов, содержащих ион титана (рутил TiO2, перовскит CaTiO3), преобладает электронная поляризация, поэтому с ростом температуры диэлектрическая проницаемость уменьшается (αε = -1500⋅10-6 1/K для перовскита, αε = -750⋅10-6 1/K для рутила). Эти диэлектрики применяют в термокомпенсирующих конденсаторах.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 19. Всего 55.

упаковкой с увеличением температуры возрастает число слабо связанных ионов,

поэтому диэлектрическая проницаемость возрастает. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости таких диэлектриков достигает значения αε = +100⋅10-6 1/K.

Наиболее сильная зависимость от температуры наблюдается у сегнетоэлектриков, у которых увеличение температуры приводит к ослаблению сил, препятствующих ориентации доменов. Поэтому поляризованность доменов с ростом температуры возрастает, что ведёт к увеличению диэлектрической проницаемости. Рост диэлектрической проницаемости происходит до температуры ТК, называемой температурой Кюри. За пределами этой температуры происходит распад доменов и резкое уменьшение диэлектрической проницаемости.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 20. Всего 55.

Слайд 21. Всего 55.

инерционностью процессов поляризации. У неполярных диэлектриков, характеризующихся электронной поляризацией,

процесс образования упругих диполей протекает практически мгновенно, поэтому диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты. У полярных диэлектриков в области нижних частот вплоть до частоты f1 диполи успевают поворачиваться за половину периода колебаний, поэтому диэлектрическая проницаемость практически не зависит от частоты. На частотах выше f1 диполи не успевают следовать за изменениями электрического поля, вследствие чего снижается интенсивность дипольной поляризации и резко уменьшается диэлектрическая проницаемость. На частотах выше f2 процесс дипольной поляризации полностью отсутствует и сохраняется только электронная поляризация.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 22. Всего 55.

Слайд 23. Всего 55.

широкая запрещённая зона. Поэтому свободные носители здесь практически отсутствуют.

Основной причиной электропроводности является наличие в объёме и на поверхности ионов различных примесей. При высоких температурах проводимость может быть также обусловлена ионами самого материала. Различают объёмную и поверхностную проводимость.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 24. Всего 55.

или ионами самого диэлектрика, которые, находясь в состоянии первоначального

закрепления и совершая тепловые колебания, способны преодолеть силы взаимодействия с другими молекулами и перейти в новое положение временного закрепления, В отсутствие электрического поля направления перемещения ионов равновероятны, и ток равен нулю. При наличии поля движение ионов создаёт ток, плотность которого

NT - концентрация диссоциированных ионов;
υТ - средняя скорость движения ионов.

Скорость υТ пропорциональна напряжённости поля ℰ:

υТ = μТℰ.,

μТ - подвижность ионов.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 25. Всего 55.

- удельная объёмная проводимость диэлектрика.
Величины NT и μТ

зависят от температуры:

NT - концентрация диссоциированных ионов;
N - общая концентрация ионов;
μmax - предельная подвижность ионов;
ЕД - энергия диссоциации, необходимая, для преодоления действия сил молекулярного взаимодействия;
ЕПЕР - энергия перемещения диссоциированного иона, необходимая для перемещения иона из одного состояния закрепления в другое.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 25. Всего 55.

формулу σД = qNTμТ получим:

А - коэффициент пропорциональности,

включающий в себя NT и μТ ;
Еа - суммарная энергия активизации (Еа = ЕД + ЕПЕР).

Так как в объёме имеются как ионы примеси, так и собственные ионы, то

А1 и Е1 - характеризуют примесную ионную проводимость,
А2 и Е2 - характеризуют собственную ионную проводимость.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 27. Всего 55.

слагаемое, а при высоких – второе. Ток, создаваемый движением

ионов, называют током сквозной проводимости.
Поверхностная проводимость обусловлена наличием влаги, загрязнениями, различными дефектами на поверхности диэлектрика. По способности реагировать на влагу различают гидрофобные и гидрофильные материалы. Гидрофобные практически не смачиваются, и их удельное сопротивление велико. Гидрофильные смачиваются (адсорбируют влагу), и на поверхности образуется непрерывный токопроводящий слой. Адсорбцией влаги обладают полярные и ионные диэлектрики. Для уменьшения поверхностной электропроводности эти материалы защищают гидрофобными покрытиями.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 28. Всего 55.

мощность, расходуемую электрическим полем на поляризацию диэлектрика. Эта мощность

выделяется в виде тепла. Потери обусловлены медленными поляризациями и электропроводностью диэлектрика.

Неполярные диэлектрики

У неполярного диэлектрика пропорционально изменению напряженности поля изменяются электрические моменты диполей и, соответственно, электрические заряды, наводимые на обкладках конденсатора. В результате возникает ток смещения (ёмкостный ток), пропорциональный скорости изменения напряжённости электрического поля

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 29. Всего 55.

синусоидальному закону, то

IСМ опережает приложенное напряжение на 90°.

Если между обкладками помещён полярный диэлектрик, то поворот неупругих диполей запаздывает относительно изменения напряжения на величину временной релаксации

В результате этого отставания возникающий ток опережает напряжение на угол меньше 90°. Этот ток называется током абсорбции.

Полярные диэлектрики

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 30. Всего 55.

обусловлен электронной поляризацией, а ток абсорбции IАБ – дипольной.

Кроме того, в диэлектрике существует сквозной ток IСК, совпадающий по фазе с напряжением. Следовательно, полный ток

Активная составляющая полного тока

.

Реактивная составляющая полного тока

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 31. Всего 55.

Б.П.
Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 32. Всего

55.

в диэлектрике определяются tg δ и т.д. У широко

применяемых диэлектриков tg δ = (2…5)10-3, у высококачественных - tg δ = (2…5)10-4.

У неполярных диэлектриков при возрастании температуры tg δ увеличивается из-за возрастания тока IСК.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 33. Всего 55.

молекул при низких температурах ограничены из-за сил трения между

ними. Поэтому количество молекул, участвующих в процессе дипольной поляризации, и время установления поляризации τ0 невелики, вследствие чего tg δ мал. По мере роста температуры облегчается поворот молекул, возрастает их количество, уменьшается время τ0 , что ведёт к увеличению tgδ (участок 1). Так происходит до тех пор, пока время τ0 не окажется равным периоду изменения поля. Здесь tgδ достигает максимума. При дальнейшем повышении температуры время τ0 становится существенно меньше периода изменения напряженности поля, запаздывание дипольной поляризации практически исчезает и tgδ уменьшается (участок 2). С повышением частоты максимум tgδ смещается в область более высокой температуры. При дальнейшем повышении температуры tgδ начинает увеличиваться, что связано с увеличением сквозного тока (участок 3).

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 34. Всего 55.

Слайд 35. Всего 55.

частоты возрастает ток IP, а ток IA сохраняется неизменным,

поэтому tgδ уменьшается

В полярных диэлектриках в области низких частот ток IАБ невелик, поэтому при повышении частоты tgδ уменьшается за счёт роста тока IСМ. Затем с ростом частоты возрастает число переориентаций полярных молекул в единицу времени и увеличивается ток IАБ, вследствие чего растёт tgδ. На частоте fm время установления дипольной поляризации становится равным длительности периода изменения напряжённости поля и tgδ достигает максимума. При дальнейшем увеличении частоты не хватает времени для переориентации полярных молекул, поэтому увеличивается ток IА АБ , что ведёт к уменьшению tgδ.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 36. Всего 55.

Слайд 37. Всего 55.

материалы. Повышение напряжения свыше UПР может привести к пробою

диэлектрика

Электрическая прочность ℰПР – минимальная напряжённость однородного электрического поля, приводящая к пробою диэлектрика.

dД – толщина диэлектрика.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 38. Всего 55.

нарастания тока. Развитие в течение 10-7…10-5 с. Процесс обычно

локализован в узкой области. Появляется разрядный канал, внутри которого повышается давление, что приводит к появлению трещин или к полному разрушению диэлектрика. Обычно этот вид пробоя наступает при ℰПР = 103 МВ/м

1. Электрический пробой

2. Тепловой пробой

Тепловой пробой наступает, когда количество теплоты, выделяемой в диэлектрике, превышает количество теплоты, отводимой от него в окружающую среду. Расплавление или обугливание

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 39. Всего 55.

состава и структуры диэлектрика, которые развиваются под действием поля

или разрядов в окружающей среде

Поверхностный пробой. Пробивается воздух вблизи поверхности твёрдого диэлектрика. Появляется проводящий канал. Напряжения пробоя зависит от давления, температуры и влажности воздуха. Для предотвращения поверхностного пробоя поверхность изолятора делают ребристой. Эффективная мера борьбы – замена воздуха жидким диэлектриком

4. Поверхностный пробой

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 40. Всего 55.

– для отделения друг от друга элементов схемы и

для изоляции токоведущих частей. Обладают невысокой диэлектрической проницаемостью и большим удельным сопротивлением.

Конденсаторные – для увеличения ёмкости конденсаторов. Они имеют повышенное значение ε и малый tgδ.

1. Электроизоляционные

2. Конденсаторные

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 41. Всего 55.

Слюды
7. Волокнистые материалы
6. Резины
5. Радиокерамические материалы
4. Стёкла и ситаллы
3.

Электроизоляционные лаки, эмали и компаунды

2. Пластмассы

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 42. Всего 55.

из большого числа многократно повторяющихся звеньев (мономеров). В зависимости

от пространственной структуры макромолекул подразделяются на

1.1. Линейные – образуют цепочечную последовательность повторяющихся звеньев. Термопластичны.
1.2. Пространственные – образуют пространственную сетку. Не размягчаются (термореактивны).

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 43. Всего 55.

вещества и наполнителей. Изделия из них изготовляют методом горячего

прессования или литья под давлением. Корпуса РЭА, ламповые панельки, штепсельные разъёмы и т.д.
1.1. Гетинакс
1.2. Текстолит
1.3. Стеклотекстолит.
Стеклотекстолит отличается от гетинакса и текстолита повышенной механической прочностью и лучшими электрическими характеристиками. Слоистые пластики, облицованные красномедной фольгой с одной или с двух сторон, используются для изготовления печатных плат.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 44. Всего 55.

изоляции защиты элементов РЭА от внешних воздействий.
3.1. Электроизоляционные

лаки

Пропиточные лаки – для пропитки обмоток трансформаторов, дросселей и т.д.
Покровные лаки – для создания на поверхности пропитанных обмоток и печатных плат электроизоляционных защитных покрытий.
Эмальлаки – для тонкоплёночной изоляции обмоточных проводов.
Клеящие лаки – для склеивания различных материалов.

3. 2 Электроизоляционные эмали
Электроизоляционные эмали – лаки, в состав которых входят неорганические вещества, повышающие твёрдость и механическую прочность лаковой плёнки.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 45. Всего 55.

же веществ, которые входят в состав лаковой основы электроизоляционных

лаков, но не содержат растворителей.

Пропиточные – служат для заполнения пор, капилляров и воздушных включений в электроизоляционных материалах, используемых для изоляции обмоток трансформаторов, вследствие чего повышается электрическая прочность материала.
Заливочные – для герметизации радиокомпонентов и узлов РЭА.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 46. Всего 55.

из специально подобранных оксидов. Имеют аморфную структуру.
Стёкла
Кварцевое стекло

ε = 3,2…3,5;
tgδ = 0,0002;
ℰПР = 35…40 МВ/м;
ρ = 1014…1015 Ом/м.

Ситаллы – закристаллизованные стёкла, имеющие микрокристаллическую структуру.
ε = 7,5…8,5;
tgδ = (1…80)10-3;
ℰПР = 40…60 МВ/м;
ρ = 108…1012 Ом/м.
Ситаллы хорошо шлифуются, благодаря чему находят применение в качестве подложек гибридных интегральных микросхем.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 47. Всего 55.

Установочные керамические материалы применяется для изготовления изоляторов

и конструкционных деталей.

Конденсаторные керамические материалы используются в качестве диэлектрика конденсаторов (ε = 10…230; tgδ = 0,0001…0,0006).

6. Резины

Резины – для изоляции проводов и кабелей (ε = 3…7; tgδ = 0,02…0,1).

7. Волокнистые материалы

Волокнистые материалы – дерево, бумага, картон, лакоткани (ε = 7; tgδ = 0,01). Применяются в качестве изоляционных материалов. Специальная конденсаторная бумага – в качестве диэлектрика низкочастотных конденсаторов.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 48. Всего 55.

алюмосиликаты с ярко выраженной слоистой структурой. В радиоэлектронике применяются

Мусковит. Высокочастотный диэлектрик (ε ≈ 6…7, tgδ ≈ 0,0003). Способен работать при 500…600 С°. В его состав входят K2O, Al2O3, SiO2, H2О.

Флогопит. Низкочастотный диэлектрик (ε ≈ 7, tgδ ≈ 0,0015). Способен работать при 800…900 С°.В его состав кроме K2O, Al2O3, SiO2, H2О входит MgO.

Фторофлогопит – синтетическая слюда (ε ≈ 8, tgδ ≈ 0,0002). Способен работать до 1100 С°.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 49. Всего 55.

Активные диэлектрики характеризуются сильной зависимостью от внешних

энергетических воздействий, что позволяет осуществлять генерацию, усиление, модуляцию и другие преобразования электрических и оптических сигналов. Находят применение в устройствах функциональной электроники (УФЭ), отличительной чертой которых является несхемотехнические принципы их построения.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 50. Всего 55.

и характеризуются спонтанной поляризацией, направление которой можно менять с

помощью внешнего электрического поля. Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является нелинейная зависимость их электрической индукции от наряжённости электрического поля и резко выраженная температурная зависимость диэлектрической проницаемости.

Применение.
1. Для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов
2. Нелинейных конденсаторов (варикондов), ёмкость которых зависит от приложенного напряжения
3. Для ячеек памяти в вычислительной технике
4. Для модуляции и преобразования лазерного излучения

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 51. Всего 55.

Прямой пьезоэффект. Под действием механических напряжений происходит поляризация диэлектрика.

На поверхности возникают электрические заряды, линейно зависимые от механических усилий.
2. Обратный пьезоэффект. Изменение размеров диэлектрика од воздействием электрического поля.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 52. Всего 55.

изменяется при изменении температуры. При неизменной температуре спонтанная поляризованность

скомпенсирована свободными зарядами противоположного знака из-за процессов электропроводности и адсорбции заряженных частиц из окружающей атмосферы. При изменении температуры спонтанная поляризованность изменяется. Это сопровождается освобождением некоторого заряда на поверхности пироэлектрика. В подключённой цепи возникает электрический ток, пропорциональный скорости изменения температуры.

Применяются для создания тепловых датчиков и приёмников лучистой энергии, принцип действия которых состоит в том, что при облучении зачернённой (поглощающей) поверхности кристалла происходит его нагрев и возникает импульс тока, регистрируемый электронной схемой.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 53. Всего 55.

поляризованное состояние и создавать в окружающем их пространстве электрическое

поле. Как постоянный магнит – магнитное поле.

Применяются
1. Для изготовления микрофонов
2. Телефонов
3. Механических вибраций
4. И др.

Автор Останин Б.П.

Эл. физ. свойства диэлектрических материалов . Слайд 54. Всего 55.