Діелектрики

Діелектричні матеріали в РЕА

Ключові слова і фрази: Діелектричні матеріали. Класифікація. Призначення діелектричних матеріалів. Фізичні процеси в діелектрика. Пасивні та активні діелектрики. Діелектрики, які використовуються в РЕА. Неполярні ВЧ полімери. Слабополярні НЧ полімери. Полярні НЧ полімери. Композиційні діелектричні матеріали. Лаки, емалі, компаунди. Діелектричні матеріали для друкованих плат (фольговані гетинакс, склотекстоліт, поліетилен та фторопласт) та ГІС (ситали, сапфір, двоокис кремнію, нітрид кремнію). Радіотехнічна кераміка. Сегнето-, п’єзоелектрики, електрети. Газаподібні, рідкі діелектрики.

Лекція № 3.

В РЕА використовується велика кількість матеріалів, які мають різне функціональне призначення. Загальну класифікацію матеріалів можна представити графічно в наступному вигляді.

Більшість матеріалів має безпосереднє електротехнічне значення, тобто їх використання в РЕА визначається безпосередньо електричними та магнітними властивостями матеріалу. Крім електротехнічних використовуються конструкційні та спеціальні матеріали. До останніх відносять речовини для обезжирювання деталей, змазки та тому подібне.

Діелектрики є найбільш численною групою матеріалів. У техніці до діелектриків відносять речовини, які погано проводять електричний струм. Питомий опір для них складає ρ = 10⁷...10¹⁸ Ом∙м. Вони бувають природні та синтетичні, органічні та неорганічні, газоподібні, рідкі, рідкі, тверді, аморфні та кристалічні.

Головна властивість діелектрика – це здатність поляризуватися під дією електричного поля.

Поляризація – процес зміщення та впорядкування зв’язаних електричних зарядів під дією зовнішнього електричного поля.

За цією властивістю діелектрики поділяють на:

- неполярні;

- полярні.

Неполярні діелектрики характеризуються пружним видами деформації. Це такі види:

- електронно-пружна;

- іонно-пружна;

- дипольно-пружна (орієнтаційна).

При електронно-пружній поляризації відбувається деформація електронної хмаринки атома, її зміщення відносно ядра, що призводить до виникнення дипольного моменту.

При іонно-пружній відбувається деформація іонної решітки з виникненням дипольного моменту (це зміщення іонів в кристалічній решітці матеріалу).

При дипольно-пружній відбувається пружне зміщення дипольних молекул. Вона характерна для матеріалів, що мають кристалічну структуру.

Ці види поляризації характерні малими втратами в широкому частотному діапазоні.

В полярних діелектриках крім пружних деформацій існують релаксаційні механізми, при яких поляризація значно запізнюється від прикладеного електричного поля. Така поляризація характеризується більшими затратами енергії.

Розрізняють наступні види релаксаційної поляризації:

- дипольно-релаксаційна;

- електронно-релаксаційна;

- іонно-релаксаційна.

Дипольно-релаксаційна поляризація – це поляризація, при якій під дією зовнішнього електричного поля відбувається орієнтація дипольних молекул або їх радикалів, які знаходяться в тепловому русі.

Цей вид поляризації зв’язаний з переміщенням великих частин матеріалу й відбувається за відносно великий проміжок часу 10^-2...10^-6 с. Він характеризується часом релаксації, під яким розуміють час, на протязі якого після зняття електричного поля поляризація діелектрика зменшується в е раз.

Діелектрична проникність ε характеризує ступінь ослаблення напруженості зовнішнього прикладеного поля внутрішнім полем діелектрика

ε = Е_зовн./(Е_зовн. - Е_внутр.).

Цей вид поляризації суттєво залежить від температури. Він характерний для полярних газів, рідин та твердих діелектриків.

При електро- та іонно-релаксаційних поляризаціях відбувається направлене зміщення надлишкових електронів чи дірок, які збуджені тепловою енергією. Для цих діелектриків ε більше.

Поляризація діелектриків залежить від частоти електричного поля.

Тобто всі діелектрики можна розбити на два класи: неполярні та полярні діелектрики.

В залежності від зовнішнього впливу, при якому з’являється поляризація, її поділяють на:

- електричну – полярні та неполярні діелектрики;

- механічну – п’єзоелектрики;

- теплову – піроелектрики;

- спонтанну – сегнетоелектрики (відбувається сама без дії зовнішнього впливу в деякому діапазоні температур. Це – позистори з позитивним ТКС);

- залишкова – електрети (довго зберігається після зняття зовнішнього поля).

Технічні діелектрики можна розділити:

- за агрегатним станом:

- газоподібні (азот, повітря, елегаз);

- рідкі (синтетичні та мінеральні масла);

- тверді (полярні та неполярні - більшість діелектриків).

- за хімічним складом:

- органічні (ті, що містять вуглець, смоли, каучуки, парафіни);

- неорганічні (скло, слюда, кварц);

- кремнійорганічні (полісилікони).

- структурою:

- кристалічні (кварц, слюда);

- аморфні (скло, смоли);

- змішані (кераміка, ситали).

Всі ці діелектрики відносяться до пасивних.

До активних відносяться:

- сегнетоелектрики;

- піроелектрики;

- п’єзоелектрики;

- електрети.

Сегнетоелектрики – це матеріали зі спонтанною (самовільною) поляризацією, напрям якої можна змінити зовнішнім електричним полем. В залежності від механізму встановлення спонтанної поляризації розрізняють:

- дипольні сегнетоелектрики (сегнетова сіль, тригліцинсульфат), в яких при температурі нижче температури Кюрі впорядковується орієнтація молекул (перехід типу „безладдя-порядок”. Температура Кюрі характеризує температуру, при якій спонтанна поляризація зникає і діелектрик переходить із сегнетофази в парафазу, при якій спонтанна поляризація відсутня.

- іонні сегнетоелектрики (BaTiO₃, HbTiO₃) мають специфічну структуру – октаедр, в центрі якого міститься іон Ті чи Nb. Під час переходу через точку Кюрі відбувається зміщення іону, що спричиняє появу дипольного моменту.

Характеризуються високим значенням ε до 10³...10⁴, підвищеними значеннями діелектричних втрат, сильною температурною залежність ε та поляризації.

Використовуються для виготовлення нелінійних конденсаторів та позисторів.

Піроелектрики – матеріали зі спонтанною поляризацією, напрямок якої не можна змінити зовнішнім електричним полем. Поляризація проявляється при зміні температури. До них відносять монокристалічні матеріали: ніобат літію, танталат літію, п’єзоелектрична кераміка. Використовуються для виготовлення детекторів теплового випромінювання, перетворювачів теплової енергії та інше.

П’єзоелектрики – матеріали, поляризація яких виникає під дією механічних напруг (прямий п’єзоефект). Зворотній п’єзоефект – це деформація матеріалу під дією електричного поля. П’єзоефект спостерігається в матеріалах з відсутнім центром симетрії. Це монокристали кварцу, ZnO, ZnS, піроелектрики LiNbO₃, LiTaO₃, поляризовані сегнетоелектрики (сегнетова сіль, титанат барію) та п’єзокераміки. Використовуються для створення п’єзоелектричних резонаторів, пристроїв функціональної електроніки.

Електрети - діелектрики, в яких поляризація зберігається протягом тривалого часу до десятка років. Їх поляризацію проводять в сильному електричному полі в умовах дії нагрівання, освітлення чи радіаційного випромінювання (зумовлюють підвищену електропровідність). Це титановмістні керамічні матеріали або плівки слабо полярних та нейтральних діелектриків (лавсан, фторопласт). Використовують як джерела електричного поля (подібно до магнітів – джерел магнітного поля) в мікрофонах, дозиметрах та інше.

Отже класифікацію діелектриків можна зобразити наступним чином

Розглянемо класифікацію діелектриків за агрегатним станом.

Дата добавления: 2014-01-14