Твърди диелектрици. Диелектрични тела
5.2. Диелектрици
През 1880 г. френските физици Пиер и Жак Кюри откриват пиезоелектричния ефект.
Пиезоелектричният ефект е както следва. Ако една плоча се изреже от кварцов кристал (кварц-диелектрик) по определен начин и се постави между два електрода, тогава, когато кварцовата плоча се компресира, върху електродите ще се появят заряди с еднаква величина, но различни по знак.
Ако промените посоката на силата, действаща върху плочата (вместо да изстискате кварца, той ще се разтегне), тогава знаците на зарядите на електродите също се променят: на електрода, където положителен заряд, ще изглежда отрицателна, когато се разтегне. В този случай, колкото по-голяма е силата, която компресира или разтяга плочата, толкова по-голяма е величината на зарядите, които възникват върху електродите.
AT средата на деветнадесетив. също са открити диелектрици, които са подобни на остатъчната поляризация. Такива диелектрици, по аналогия с термина "магнит", се наричат електрети.
Повечето характерно свойствоелектрети - способността да се носят сами противоположни страниобвинения различен знаккоето може да продължи много дълго време. И така, за електрети от карнаубски восък и неговите смеси това време е години, керамичните електрети запазват заряда си две години, електретите от полимери имат живот месеци.
Стана възможно да се обясни този обширен експериментален материал за електрическите свойства на диелектриците, когато се появи теория, която обяснява структурата на твърдите тела, връзките между техните структурни частици.
Има такива твърди тела, в които центровете на положителните и отрицателните заряди на отделните атоми или молекули съвпадат.
Ако такива вещества се поставят в електрическо поле, тогава възниква "електрическа деформация" на структурни частици, т.е. електрическото поле се измества електрически заряди, които са част от диелектрика, от позициите, които са заемали при липса на поле. Така например, ако диелектрикът се състои от неутрални атоми, тогава в присъствието на поле техните електронни обвивки се изместват спрямо положително заредените ядра. Ако кристална клетка твърдо тялосе състои от положително и отрицателно заредени йони, например решетката на NaCl, след това в електрическо поле йони с равни знаци се изместват един спрямо друг. В резултат на еластичното преместване на всяка двойка заряди се образува система, която има някакъв допълнителен момент p=ql, и целият диелектрик се поляризира.
Поляризацията на диелектрика се характеризира числено с диполния момент P на единица обем, който е е равно на произведениетоброят на елементарните диполи N, съдържащи единица обем материя, по стойността на момента на елементарен дипол.Че диполният момент на единица обем на диелектрик е пропорционален на интензитета електрическо полевътре в диелектрика.
В допълнение към неполярните диелектрици съществува голям клас диелектрици, чиято молекула има диполен момент дори при липса на външно електрическо поле. Много молекули могат да имат постоянен диполен момент, при който центровете на симетрия на съставните им положителни и отрицателни заряди не съвпадат един с друг. Типични представители на полярен твърд диелектрик са лед, твърд солна киселина, органично стъкло и др.
Когато полярен диелектрик се постави в електрическо поле, полярните молекули са ориентирани така, че техните оси съвпадат с посоката на линиите на напрегнатост на електрическото поле. Топлинното движение на частиците на материята обаче предотвратява такава ориентация. В резултат на действието на полето и топлинно движениеустановява се равновесно състояние, при което полярните молекули придобиват средно определена насочена ориентация и поради това целият диелектрик придобива диполен момент по посока на полето, т.е. поляризиран.
Разглежданият тип поляризация се нарича ориентационна или диполна. При този вид поляризация, за разлика от поляризацията на изместване, съществена роляиграе температурата на диелектрика.
Диелектричната константаИма повече полярни диелектрици, отколкото неполярни, тъй като те по същество проявяват и двата вида поляризация: ориентационна и поляризация на еластично изместване.
Ако външното поле се премахне, тогава полярните и неполярните диелектрици се деполяризират, т.е. поляризацията им практически изчезва.
Има и трети тип диелектрици, при които се наблюдава спонтанна поляризация. В този случай вътре в диелектрика, без влияние на външното поле, спонтанно възникват равномерно поляризирани области, така наречените домени. При липса на външно поле посоките на диполните моменти на регионите са различни. Когато се приложи полето, настъпва "ориентацията" на домейните и целият диелектрик се поляризира. Тъй като всеки домен има голям диполен момент, диелектричната проницаемост на такива диелектрици обикновено е много висока, от порядъка на 10 4 . диелектриците от този тип се наричат фероелектрици.
Сегнетоелектриците се различават от другите диелектрици по редица специфични свойства.
Ако за полярните и неполярните диелектрици диполният момент на единица обем на веществото е пропорционален на напрегнатостта на електрическото поле E, тогава за сегнетоелектриците такава линейна връзка между P и E съществува само в слаби полета (фиг. 30). С увеличаване на напрегнатостта на полето диполният момент P нараства в съответствие с кривата AB и при определена стойност на E промяната на диполния момент спира. Това състояние се нарича насищане. В състояние на насищане всички фероелектрични домейни са разположени по протежение на полето и по-нататъшното увеличаване на полето E вече не води до увеличаване на поляризацията. Ако след това започнем да намаляваме силата на полето до нула, тогава поляризацията на кристала ще се промени не по първоначалната крива OB, а по кривата BD, а при сила на полето, равна на нула, кристалът ще остане поляризиран.
Това явление се нарича диелектричен хистерезис. Големината на поляризацията, определена от сегмента OD при E=0, се нарича остатъчна поляризация.
По този начин зависимостта на поляризацията от интензитета на променливото електрическо поле за сегнетоелектриците се описва от кривата BDFLHB, наречена хистерезисна верига. Хистерезисната верига може да се използва за определяне на големината на спонтанната поляризация.
С повишаването на температурата обаче свойствата на фероелектриците се променят и при определена температура, наречена температура на Кюри, спонтанната поляризация изчезва.
Сегнетоелектриците се използват в производството на лазери и в устройствата за съхранение на електронни компютри.
И турмалин. От многобройните кристалографски модификации на кварца най-често като пиезоелектрик се използва нискотемпературен а-кварц, който е стабилен до температура 573 ° C. Пиезоелектричните и пироелектричните свойства на кристалите се използват в технологиите от много години. Едно от приложенията на пиезоелектриците е известно буквално на всички. Това са пикапите в нашите грамофони, които...
Само ако например кристалът се нагрее така, че да започне да се топи. Ред, редовност, периодичност, симетрия на разположението на атомите - това е характерно за кристалите. Във всички кристали, във всичко твърди веществачастиците са подредени в правилен, ясен ред, подредени в симетричен, правилен повтарящ се модел. Докато съществува този ред, съществува твърдо тяло, кристал. Нарушен...
Температурни колебания или с увеличаване на концентрацията на вещество в разтвор или газ, което води до увеличаване на вероятността частиците да се срещнат една с друга, тоест до появата на ядра. По този начин растежът на кристалите може да се разглежда като процес, при който най-малките кристални частици - ядра - достигат макроскопични размери. Освен това кристализацията не се случва в ...
От това можем да заключим, че фактът на наличието на колоидни утайки в синята сол и техните размери, получени чрез оптична спектроскопия, се потвърждават чрез директно наблюдение на повърхността на разцепване в атомно-силов микроскоп. По този начин, в резултат на изследване на оптичната абсорбция на халит, могат да се направят следните заключения. В безцветните проби няма цветни центрове. В синьо боядисана...
Диелектрикът е материал или вещество, което практически не предава електрически ток. Такава проводимост се получава поради малък брой електрони и йони. Тези частици се образуват в непроводим материал само когато се постигнат високотемпературни свойства. Какво е диелектрик и ще бъде обсъдено в тази статия.
Описание
Всеки електронен или радиопроводник, полупроводник или зареден диелектрик пропуска електрически ток през себе си, но особеността на диелектрика е, че дори когато високо напрежениенад 550 V ще тече слаб ток. Електрическият ток в диелектрик е движението на заредени частици в определена посока (може да бъде положителна или отрицателна).
Видове течения
Електрическата проводимост на диелектриците се основава на:
- Токове на поглъщане - токът, който протича в диелектрика при DCдокато достигне състояние на равновесие, променяйки посоката си, когато е включен и захранван, и когато е изключен. При променлив токнапрежението в диелектрика ще присъства в него през цялото време, докато е под действието на електрическо поле.
- Електронна електропроводимост - движение на електрони под въздействието на поле.
- Йонна електропроводимост - това е движението на йони. Среща се в електролитни разтвори - соли, киселини, основи, както и в много диелектрици.
- Молионовата електрическа проводимост е движението на заредени частици, наречени молиони. Среща се в колоидни системи, емулсии и суспензии. Феноменът на движението на молионите в електрическо поле се нарича електрофореза.
Класифициране по агрегатно състояниеи химическа природа. Първите се делят на твърди, течни, газообразни и втвърдяващи се. По химическа природа те се делят на органични, неорганични и елементоорганични материали.
По състояние на агрегиране:
- Електропроводимост на газовете.При газообразни веществаотносително ниска електрическа проводимост. Може да възникне в присъствието на свободни заредени частици, което се появява поради влиянието на външни и вътрешни, електронни и йонни фактори: рентгеново лъчение и радиоактивни видове, сблъсък на молекули и заредени частици, топлинни фактори.
- Електрическа проводимост на течен диелектрик.Фактори на зависимост: молекулна структура, температура, примеси, наличие на големи заряди на електрони и йони. Електрическата проводимост на течните диелектрици до голяма степен зависи от наличието на влага и примеси. Проводимостта на електричеството на полярните вещества се създава дори с помощта на течност с дисоциирани йони. Когато сравняваме полярни и неполярни течности, първите имат ясно предимство в проводимостта. Ако течността се почисти от примеси, това ще допринесе за намаляване на нейните проводими свойства. С увеличаване на проводимостта и температурата му се наблюдава намаляване на вискозитета, което води до увеличаване на подвижността на йони.
- твърди диелектрици.Тяхната електропроводимост се определя като движение на заредени диелектрични частици и примеси. AT силни полета електрически токпоявява се електропроводимост.
Физични свойства на диелектриците
Когато специфичното съпротивление на материала е по-малко от 10-5 Ohm * m, те могат да бъдат приписани на проводници. Ако повече от 108 Ohm * m - към диелектрици. Има случаи, когато съпротивлениеще бъде многократно по-голямо от съпротивлението на проводника. В интервала 10-5-108 Ohm*m има полупроводник. Металният материал е отличен проводник на електрически ток.
От цялата периодична таблица само 25 елемента принадлежат към неметалите, а 12 от тях вероятно ще имат полупроводникови свойства. Но, разбира се, в допълнение към веществата от масата, има много повече сплави, състави или химични съединениясъс свойството на проводник, полупроводник или диелектрик. Въз основа на това е трудно да се направи определена линия между стойностите на различните вещества с техните съпротивления. Например, при намален температурен фактор, полупроводникът ще се държи като диелектрик.
Приложение
Използването на непроводими материали е много широко, тъй като това е един от най-често използваните класове електрически компоненти. Стана съвсем ясно, че те могат да се използват поради свойствата си в активното и пасивна форма.
В пасивна форма свойствата на диелектриците се използват за използване в електрически изолационни материали.
AT активна формате се използват в фероелектрици, както и в материали за излъчватели на лазерна технология.
Основни диелектрици
Често срещаните типове включват:
- Стъклена чаша.
- Каучук.
- Масло.
- Асфалт.
- Порцелан.
- Кварц.
- Въздух.
- Диамант.
- Чиста вода.
- Пластмаса.
Какво е течен диелектрик?
Поляризация от този тип възниква в полето на електрически ток. Течните непроводими вещества се използват в инженерството за изливане или импрегниране на материали. Има 3 класа течни диелектрици:
Петролните масла са с нисък вискозитет и предимно неполярни. Те често се използват в инструменти с високо напрежение: вода с високо напрежение. е неполярен диелектрик. Кабелното масло е намерило приложение при импрегниране на изолационни хартиени проводници с напрежение до 40 kV, както и покрития на метална основа с ток над 120 kV. Трансформаторното масло има по-чиста структура от кондензаторното масло. Този видполучен диелектрик широко използванев производството, въпреки високата цена в сравнение с аналоговите вещества и материали.
Какво е синтетичен диелектрик? В момента той е забранен почти навсякъде поради високата си токсичност, тъй като се произвежда на базата на хлориран въглерод. Течен диелектрик на базата на органичен силиций е безопасен и екологичен. Този тип не причинява метална ръжда и има свойствата на ниска хигроскопичност. Съществува флуидизиран диелектрик, съдържащ органофлуорно съединение, което е особено популярно заради неговата негоримост, термични свойства и окислителна стабилност.
И последен изглед, това е растителни масла. Те са слабо полярни диелектрици, включително ленено семе, рицин, тунг, коноп. Рициновото масло се нагрява силно и се използва в хартиени кондензатори. Останалите масла се изпаряват. Изпарението в тях не се причинява от естествено изпарение, а от химическа реакция, наречена полимеризация. Използва се активно в емайллакове и бои.
Заключение
Статията обсъди подробно какво е диелектрик. бяха споменати различни видовеи техните свойства. Разбира се, за да разберете тънкостта на техните характеристики, ще трябва да изучите по-задълбочено частта от физиката за тях.
Диелектричната проницаемост може да има дисперсия.
Редица диелектрици проявяват интересни физични свойства.
Връзки
- Виртуален фонд за природни науки и научно-технически ефекти "Ефективна физика"
Фондация Уикимедия. 2010 г.
Вижте какво е "диелектрик" в други речници:
ДИЕЛЕКТРИЦИ, вещества, които провеждат лошо електричество (съпротивление от порядъка на 1010 ohm?m). Има твърди, течни и газообразни диелектрици. Външно електрическо поле причинява поляризация на диелектрика. В някои трудни ...... Съвременна енциклопедия
Диелектрици- ДИЕЛЕКТРИЦИ, вещества, които провеждат лошо електричество (съпротивление от порядъка на 1010 Ohm'm). Има твърди, течни и газообразни диелектрици. Външно електрическо поле причинява поляризация на диелектрика. В някои трудни ...... Илюстрован енциклопедичен речник
Вещества, които провеждат лошо електричество (електрическо съпротивление 108 1012 ohm cm). Има твърди, течни и газообразни диелектрици. Външно електрическо поле причинява поляризация на диелектриците. В някои твърди диелектрици ... ... Голям енциклопедичен речник
- (английски диелектрик, от гръцки dia през, чрез и английски електрически електрически), вещества, които провеждат лошо електричество. текущ. Терминът "D." въведено от Фарадей за обозначаване на в, в което прониква електрическо. поле. D. явл. всички газове (нейонизирани), някои ... Физическа енциклопедия
ДИЕЛЕКТРИК- ДИЕЛЕКТРИЦИ, непроводници или изолатори на тялото, които провеждат електричество лошо или изобщо не. Такива органи са напр. стъкло, слюда, сяра, парафин, ебонит, порцелан и др. Дълго време в изучаването на електричеството ... ... Голям медицинска енциклопедия
- (изолатори) вещества, които не провеждат електричество. Примери за диелектрици: слюда, кехлибар, каучук, сяра, стъкло, порцелан, различни видове масла и др. Самойлов K.I. Морски речник. M. L .: Държавно военноморско издателство на NKVMF на Съюза ... Морски речник
Име, дадено от МайкълФарадей, непроводими тела, иначе слабо проводящи електричество, като въздух, стъкло, различни смоли, сяра и др. Такива тела се наричат още изолатори. Преди изследванията на Фарадей, проведени през 30-те години ... ... Енциклопедия на Брокхаус и Ефрон
ДИЕЛЕКТРИК- Вещества, които практически не провеждат електрически ток; биват твърди, течни и газообразни. Г. са поляризирани във външно електрическо поле. Използват се за изолация. електрически устройства, в електрически кондензатори, квантово ... ... Голяма политехническа енциклопедия
Вещества, които провеждат лошо електричество. Терминът "D." (от гръцки diá чрез и английски електрически електрически) е въведен от М. Фарадей (виж Фарадей), за да обозначи вещества, през които проникват електрически полета. Във всяко вещество... Велика съветска енциклопедия
Вещества, които провеждат лошо електричество (електрическата проводимост на диелектрика е 10 8 10 17 Ohm 1 cm 1). Има твърди, течни и газообразни диелектрици. Външно електрическо поле причинява поляризация на диелектриците. В някои трудни ...... енциклопедичен речник
Книги
- Диелектрици и вълни, A. R. Hippel. Авторът на монографията, представена на вниманието на читателите, известният изследовател в областта на диелектриците, американският учен А. Хипел многократно е говорил в периодичния печат и в ...
- Действие на лазерното лъчение върху полимерни материали. Научни основи и приложни проблеми. В 2 книги. Книга 1. Полимерни материали. Научни основи на лазерното въздействие върху полимерни диелектрици, Б. А. Виноградов, К. Е. Перепелкин, Г. П. Мещерякова. Предлаганата книга съдържа информация за структурата и основните термични и оптични свойстваполимерни материали, механизмът на действие върху тях лазерно лъчениев инфрачервено, видимо...
ДИЕЛЕКТРИЧНИ Вещества, които провеждат лошо електричество. Терминът "диелектрик" е въведен от М. Фарадей за означаване на вещества, в които прониква електростатично поле. Когато се постави в електрическо поле на всяко вещество, електроните и атомни ядраизпитвайки сили от това поле. В резултат на това част от зарядите се движат в посока, създавайки електрически ток. Останалите заряди се преразпределят така, че "центровете на тежестта" на положителните и отрицателните заряди се изместват един спрямо друг. AT последен случайговорим за поляризацията на материята. В зависимост от това кой от тези два процеса (поляризация или електропроводимост) преобладава, веществата се делят на диелектрици (всички нейонизирани газове, някои течности и твърди вещества) и проводници (метали, електролити, плазма).
Електрическата проводимост на диелектриците е много ниска в сравнение с металите. Електрическото съпротивление на диелектриците е 10 8 -10 17 Ohm cm, металите - 10 -6 -10 -4 Ohm cm.
Количествена разлика в електропроводимостта на диелектрици и метали класическа физикасе опита да обясни с факта, че металите имат свободни електрони, докато при диелектриците всички електрони са свързани (принадлежат на отделни атоми) и електричното поле не разделя, а само леко ги измества.
Квантовата теория на твърдото състояние обяснява разликата в електрическите свойства на металите и диелектриците чрез различно разпределение на електроните по енергийни нива. В диелектриците горната част е пълна с електрони енергийно нивосъвпада с горната граница на една от разрешените ленти (в металите тя се намира вътре в разрешената зона), а най-близките свободни нива са отделени от запълнените със забранена зона, която електроните не могат да преодолеят под действието на не твърде силно електрическо напрежение полета (виж Теория на лентите). Действието на електрическото поле се свежда до преразпределение на електронната плътност, което води до поляризация на диелектрика.
Поляризация на диелектрици.Механизмите на поляризация на диелектриците зависят от естеството на химическата връзка, т.е. разпределението на електронната плътност в диелектриците. В йонните кристали (например NaCl) поляризацията е резултат от изместване на йони един спрямо друг (йонна поляризация), както и деформация електронни обвивкиотделни йони (електронна поляризация), т.е. сумата от йонна и електронна поляризация. В кристали с ковалентна връзка(например диамант), където електронната плътност е равномерно разпределена между атомите, поляризацията се дължи главно на изместването на електроните, които извършват химическа връзка. В така наречените полярни диелектрици (например твърд H 2 S) групи от атоми са електрически диполи, които са произволно ориентирани в отсъствието на електрическо поле и придобиват преференциална ориентация в полето. Тази ориентационна поляризация е типична за много течности и газове. Подобен механизъм на поляризация е свързан със "скока" под действието на електрическо поле на отделни йони от едно положение на равновесие в решетката в друго. Този механизъм се наблюдава особено често при вещества с водородна връзка(например лед), където водородните атоми имат няколко равновесни позиции.
Поляризацията на диелектриците се характеризира с поляризационния вектор P, който е електрическият диполен момент на единица обем на диелектрика:
където p i - диполни моменти на частици (атоми, йони, молекули), N - брой частици в единица обем. Векторът Р зависи от силата на електричното поле Е. В слаби полета Р = ε 0 ϰΕ. Коефициентът на пропорционалност ϰ се нарича диелектрична чувствителност. Често вместо вектора P се използва векторът на електрическата индукция (1)
където ε е диелектричната проницаемост, ε 0 е електрическата константа. Стойностите ϰ и ε са основните характеристики на диелектрика. В анизотропните диелектрици (например в некубични кристали) посоката P се определя не само от посоката на полето E, но и от посоката на осите на симетрия на кристала. Следователно векторът P ще образува различни ъгли с вектора E, в зависимост от ориентацията на E по отношение на осите на симетрия на кристала. В този случай векторът D ще бъде определен чрез вектора E с помощта не на една стойност на ε, а на няколко (в общ случайшест), образуващи тензора на диелектричната проницаемост.
Диелектрици в променливо поле.Ако полето E се промени във времето t, тогава поляризацията на диелектрика няма време да го следва, тъй като изместването на заряда не може да се случи мигновено. Тъй като всяко променливо поле може да бъде представено като набор от полета, които се променят според хармоничен закон, достатъчно е да се изследва поведението на диелектрика в полето E \u003d E 0 sinωt, където ω е честотата на променливото поле, E 0 е амплитудата на напрегнатостта на полето. Под въздействието на това поле D и P също ще осцилират хармонично и със същата честота. Между трептенията на P и E обаче се появява фазова разлика δ, която се дължи на изоставането на поляризацията P от полето E. Хармоничният закон може да бъде представен в сложна форма E = E 0 e iωt, тогава D = D 0 e iωt и D 0 = ε(ω) E 0 . Диелектричната проницаемост в този случай е комплексна величина: ε(ω) = ε’ + iε’’, ε’ и ε’’ зависят от честотата на променливото електрическо поле ω. Абсолютна стойност
определя амплитудата на трептенията D, а съотношението ε'/ε" = tgδ е фазовата разлика между трептенията D и E. Стойността δ се нарича ъгъл на диелектрични загуби. В постоянно електрическо поле ω = 0, ε" = 0, ε' = ε.
В променливи електрически полета високи честотисвойствата на диелектрика се характеризират с показатели на пречупване n и абсорбция k (вместо ε’ и ε"). Първият е равен на отношението на скоростите на разпространение електромагнитни вълнив диелектрик и във вакуум. Индексът на абсорбция k характеризира затихването на електромагнитните вълни в диелектрик. Стойностите n, k, ε’ и ε" са свързани с връзка (2)
Поляризация на диелектрици в отсъствие на електрическо поле.В редица твърди диелектрици (пироелектрици, фероелектрици, пиезоелектрици, електрети) поляризацията може да съществува дори без електрическо поле, т.е. може да бъде причинена от други причини. И така, в пироелектриците зарядите са подредени толкова асиметрично, че центровете на тежестта на зарядите противоположен знакне съвпадат, т.е. диелектрикът е спонтанно поляризиран. Но поляризацията в пироелектриците се проявява само при промяна на температурата, когато електрическите заряди, компенсиращи поляризацията, нямат време да се пренаредят. Разновидност на пироелектриците са фероелектриците, чиято спонтанна поляризация може да се промени значително под въздействието на външни влияния(температура, електрическо поле). В пиезоелектриците поляризацията възниква, когато кристалът се деформира, което се свързва с характеристиките на техния кристална структура. Поляризация при липса на поле може да се наблюдава и в определени вещества като смоли и стъкла, наречени електрети.
Електрическата проводимост на диелектриците е малка, но винаги различна от нула. Подвижните носители на заряд в диелектриците могат да бъдат електрони и йони. AT нормални условия електронна проводимостдиелектриците са малки в сравнение с йонните. Йонната проводимост може да се дължи на движението както на присъщи, така и на примесни йони. Възможността за движение на йони през кристала е свързана с наличието на дефекти в кристалите. Ако например има празно място в кристал, тогава под действието на полето съседен йон може да го заеме, следващият йон може да се премести в новообразуваното празно място и т.н. В резултат на това празните места се преместват, което води за прехвърляне на заряд през целия кристал. Движението на йони също възниква в резултат на техните скокове през междинните пространства. С повишаване на температурата йонната проводимост се увеличава. Значителен принос за електрическата проводимост на диелектрика може да има повърхностната проводимост (виж Повърхностни явления).
пробив на диелектрици.Плътността на електрическия ток j през диелектрика е пропорционална на напрегнатостта на електрическото поле E (закон на Ом): j = ςE, където ς е електрическата проводимост на диелектрика. Въпреки това, в достатъчно силни полета, токът нараства по-бързо, отколкото според закона на Ом. При определена критична стойност на E pr възниква електрически пробив на диелектрика. Стойността на E pr се нарича електрическа якост на диелектрика. По време на повреда почти целият ток протича през тесен канал (вижте Стринг на тока). В този канал j достига големи стойности, което може да доведе до разрушаване на диелектрика: образува се проходен отвор или диелектрикът се разтопява през канала. Каналът може да протече химична реакция; например въглеродът се отлага в органични диелектрици, металът се отлага в йонни кристали (канална метализация) и т.н. Разрушаването се улеснява от нехомогенностите, които винаги присъстват в диелектрика, тъй като полето E може локално да се увеличи в местата на нехомогенностите.
В твърдите диелектрици се разграничават термични и електрически пробиви. По време на термично разрушаване, с увеличаване на j, количеството топлина, отделена в диелектрика, се увеличава и следователно температурата на диелектрика, което води до увеличаване на броя на носителите на заряд n и намаляване на специфичния електрическо съпротивлениеρ. При електрическа повредас увеличаване на полето генерирането на носители на заряд под действието на полето се увеличава, а ρ също намалява.
Електрическа якост на течни диелектрици в силна степензависи от чистотата на течността. Наличието на примеси и примеси значително намалява E pr За чисти хомогенни течни диелектрици E pr е близо до E pr на твърди диелектрици. Пробивът в газ е свързан с ударна йонизация и се проявява под формата на електрически разряд.
Нелинейни свойства на диелектриците. Линейна зависимостР = ε 0 ϰЕ важи само за полета Е, които са много по-малки от вътрекристалните полета Е cr (E cr от порядъка на 10 8 V/cm). защото E pr<< Е кр, то в большинстве диэлектриков не удаётся наблюдать нелинейную зависимость Р(Е) в постоянном электрическом поле. Исключение составляют сегнетоэлектрики, в которых в сегнетоэлектрической области и вблизи точек фазовых переходов наблюдается сильная нелинейная зависимость Р(Е). При высоких частотах электрическая прочность диэлектрика повышается, поэтому нелинейные свойства любых диэлектриков проявляются в ВЧ-полях больших амплитуд. В частности, в луче лазера могут быть созданы электрические поля напряжённостью порядка 10 8 В/см, в которых становятся существенными нелинейные свойства диэлектрика, что позволяет осуществить преобразование частоты света, самофокусировку света и другие нелинейные эффекты (смотри Нелинейная оптика).
Използването на диелектрици.Диелектриците се използват главно като електроизолационни материали. Пиезоелектриците се използват за преобразуване на механични сигнали (премествания, деформации, звукови вибрации) в електрически и обратно (вижте Пиезоелектрически преобразувател); пироелектрици - като термични детектори на различни лъчения, особено инфрачервено лъчение; фероелектриците, които също са пиезоелектрици и пироелектрици, също се използват като кондензаторни материали (поради високата си диелектрична константа), както и нелинейни и запаметяващи елементи в различни устройства. Повечето оптични материали са диелектрици.
Лит .: Froelich G. Теория на диелектриците. М., 1960; Hippel A. R. Диелектрици и вълни. М., 1960; Фейнман Р., Лейтън Р., Сендс М. Фейнман Лекции по физика. М., 1966. Бр. 5: Електричество и магнетизъм; Калашников С. Г. Електричество. 5-то изд. М., 1985.
А. П. Леванюк, Д. Г. Санников.
Г.А. Воробьов, Ю.П. Похолков, Ю.Д. Королев, В.И. Меркулов
диелектрици
(зона с високо поле)
Дълбочина. EICT ELTI
Министерство на образованието на Руската федерация
Томски политехнически университет
Г.А. Воробьов, Ю.П. Похолков,
Ю.Д. Королев, В.И. Меркулов
Физика на диелектриците
(зона с високо поле)
Урок
Издателство ТПУ
Ръководството предоставя основна информация за физиката на газовия разряд, включително RF, микровълнов и оптичен пробив. Разглеждат се теоретични представи за механизма на пропадане на твърди и течни диелектрици, процесите на тяхното стареене и се представят някои експериментални данни за особеностите на пропадането им в зависимост от различни фактори. Ръководството е предназначено за студенти от направление "Електротехника, електромеханика, електротехнология" и може да бъде полезно за специалисти, занимаващи се с проектиране на конструкции за високо напрежение.
Рецензенти
Доктор на техническите науки, професор на TGASU
Г.Г. Волокитин
Доктор на физико-математическите науки, професор на TGASU
Ел Ей Лисицина
Дълбочина. EICT ELTI
ПРЕДГОВОР
Известно е, че всички веществавърху електрическите свойства на под-
разделени на проводници, полупроводници и диелектрици. Последните са може би най-малко проучени. Има много монографии по физиката на пробив на диелектрици. От тях най-фундаменталните са монографиите на V. Frants (1961) и G.I. Сканави (1958). Но тези книги вече са остарели и обемът им надхвърля учебните програми по академичните дисциплини на университетите. Освен това тези книги са се превърнали в библиографска рядкост и са практически недостъпни за учениците.
Има и книги на А.А. Воробиев, Ю.П. Reiser, G.S. Кучински, B.I. Сажина, В.Я. Ушакова, Ю.Н. Вершинин и други, които отразяват някои проблеми на разпадането на газообразни, твърди или течни диелектрици. Следователно тези книги могат да се използват от студентите само за по-задълбочено изучаване на отделни раздели от курса, но не и като учебник. Книгата на Г.А. Воробьов (1977) по физиката на диелектриците (високи полета), който е търсен сред студентите, но в момента също се е превърнал в библиографска рядкост и е необходимо препечатване.
Вече споменатата книга на Г.А. Воробьов, както и лекционни материали по курса "Физика на диелектриците (силни полета)", които са били четени в продължение на много години от Ю.П. Похолков и В.И. Меркулов за студенти от специалността "Електроизолация, кабелна и кондензаторна техника" в Томския политехнически университет. При писане на отделни раздели за разпадането на газове, материалите, предоставени от Ю.Д. Королев.
С оглед на многобройните въпроси, разгледани в това ръководство, S.G. Еханин, П.Е. Троян, В.В. Лопатин, Ю.И. Кузнецов и др., които са били пряко ангажирани в изследването на пропадането на диелектриците и на които авторите изразяват своята дълбока благодарност.
Всички коментари, които се появиха от читатели, моля, изпратете на
resu: 634050, Томск, пр. Ленин, 30, TPU.
Дълбочина. EICT ELTI
ВЪВЕДЕНИЕ
AT Диелектриците, подобно на други вещества, винаги съдържат заредени частици. Ако върху диелектрика се приложи слабо електрическо поле, тогава протичащите в него процеси, свързани с движението на заредени частици, не причиняват неговото разрушаване. Такива явления съставляват физиката на диелектриците, областта на слабите полета. Ако към диелектрика се приложи много по-силно електрическо поле, в което заредените частици в крайна сметка причиняват разрушаването на диелектрика, тогава такива явления съставляват физиката на диелектриците, полето на силните полета. В диелектриците в силни електрически полета възникват качествено нови явления, които са били невъзможни в слаби електрически полета. Тези полета се характеризират с наличието на висока кинетична енергия на заредените частици, придобита от тях при движение в електрическо поле, което става сравнимо с енергията на възбуждане на атомите и молекулите и тяхната йонизационна енергия.
AT В повечето случаи много силно електрическо поле предизвиква рязко повишаване на електрическата проводимост, поради което диелектрикът губи своите електроизолационни свойства. Това явление се нарича диелектричен пробив. Според GOST 21515–76, пробивът е явлението на образуване на проводящ канал в диелектрик под действието на електрическо поле. Минималното електрическо напрежение, приложено към диелектрика, което води до пробив, се нарича пробивно напрежение и се обозначава с U pr. Съответното минимално напрежение е едно
нехомогенното електрическо поле, което води до пробив на диелектрика, се нарича електрическа якост (якост на разрушаване). В еднородно електрическо поле то е равно на: E pr \u003d U np d (където d е
дебелина на диелектрика). При нехомогенно електрическо поле стойността на E пр.ср. \u003d U pr d се нарича средно напрежение при разрушаване
Механизмът на разрушаване на диелектрик под действието на електрическо поле е доста сложен и разнообразен и може да протича по различен начин в зависимост от вида на приложеното напрежение, времето на прилагането му, вида на диелектрика, неговата структура, температура и други тестове условия. Това може да бъде развитие на ударна йонизация, нарушаване на термичната стабилност и прегряване на диелектрика поради големи диелектрични загуби или процеси на електрохимично стареене с продължително излагане на електрическо поле. Може също да се каже, че пробивът на диелектрик е съвкупност от множество физични процеси (електрически, топлинни, оптични, механични и др.), чието преобладаващо развитие определя неговия механизъм.
Дълбочина. EICT ELTI
Видът на диелектрика оказва най-съществено влияние върху механизма на пробив и неговото развитие. Например, пробивът на газообразни и течни диелектрици се различава от разпадането на твърди диелектрици по отсъствието на втори етап, т.е. етапи на унищожение. Този етап се характеризира с остатъчни промени в диелектрика поради термична или механична деструкция, водещи до появата на проводим канал. След разпадането на газообразни и течни диелектрици такива необратими промени практически не се наблюдават; се извършва самовъзстановяване на тяхната електрическа сила, освен ако, разбира се, няма химическа промяна в веществото.
Повредата на диелектрика обикновено причинява аварийно състояние на електрическото устройство и е много важно да се проектира електрическото устройство така, че да има минимален размер и, когато е изложено на работно напрежение, да не пробие през предписаното време на работа. В същото време явленията, съпътстващи пропадането на диелектриците, намират практическо приложение при разработването на нови технологии. Такива примери са използването на газов разряд в газоразрядни устройства, в газови лазери, в устройства с експлозивна емисия, при електроискрова обработка на конструкционни материали, при електроимпулсно разрушаване и смилане на скали, при производството на смазочни масла и др. случаи е важно да се знаят моделите на пробив на диелектрици.
Най-изучено е разграждането на газовете, така че се разглежда в първия раздел. В допълнение, много идеи за газов разряд се използват широко за обяснение на разпадането на твърди и течни диелектрици. Следващото по степен на познаване е разграждането на твърди и течни диелектрици, което се разглежда във втория и третия раздел.
За разлика от книгата на Г.А. Воробьов "Физика на диелектриците (силни полета)", в това ръководство обемът на раздела за газоразряд е значително увеличен. Това беше улеснено от появата през 1987 г. на фундаментална монография по физика на газоразряда, публикувана от Ю.П. Райзер. По-подробно се разглеждат въпросите за сблъсъка на атомни частици, характеристиките на разпада на газа в различни честотни диапазони, характеристиките на тлеещи, дъгови и коронни разряди.
Всички раздели за разграждането на твърди диелектрици са преработени, като се вземе предвид тяхното значение от гледна точка на съвременните теоретични концепции. Обемът на разделите, в които са изложени теориите за топлинно разрушаване на Wagner, A.F. Уолтър и Н.Н. Семенов, строгата теория на V.A. Фок, класическите теории за електрическия срив на Роговски и Йофе и други теории, които са предимно от исторически интерес. Обемът на разделите, в които
Дълбочина. EICT ELTI
Представени са и квантово-механичните теории за електрически пробив на твърди диелектрици по безударния механизъм на Zener, Frenkel и Fowler и квантово-механичните теории по ударния механизъм на A. Hippel и G. Fröhlich.
При обясняването на механизма на електрически пробив на твърди диелектрици в литературата се развиват две научни направления. Повечето експериментални данни показват, че електрическият пробив на твърдите диелектрици се дължи на ударна йонизация от електрони. Въпреки това, в произведенията на Ю.Н. Вершинин и неговите сътрудници отричат възможността за развитие на ударна йонизация от електрони в твърди диелектрици. Те подхождат към обяснението на механизма на електрически пробив на твърди диелектрици от позицията на електрическата нестабилност при прегряване и електронната детонация по време на разрушаването на твърдите диелектрици. Тези въпроси са разгледани в отделен раздел.
Отделят се и значително се разширяват въпросите за пробив на твърди диелектрици в областта на свръхсилни електрически полета (електрическо втвърдяване, електронни токове и луминесценция в микронни слоеве, дислокации и пукнатини преди пробив и др.), Които не противоречат на механизма на електрическото разрушаване чрез ударна йонизация от електрони. Въведени са раздели за разрушаване на диелектрични филми и формовани MDM системи.
Някои характеристики на разрушаването на полимерни диелектрици се разглеждат според трудовете на Artbauer, Stark, Garton, S.N. Колесова. Разделът за електрическо стареене на твърди диелектрици под действието на частични разряди е разширен по данни на G.S. Кучински и С.Н. Койков.
Разбивката на течните диелектрици е допълнена с нови данни за развитието на разряд в течност и ефекта на ултразвука върху нейната диелектрична якост. Разглеждат се характеристиките и закономерностите на въвеждането на електрически разряд в твърд диелектрик, потопен в течност.
Сюжетът на чичо ваня. „Чичо Иван. Отношение към професора на др
Малкият Цахес, по прякор Цинобър
Майков, Аполон Николаевич - кратка биография