Диэлектрик лучший: Диэлектрики силовых пленочных конденсаторов / Статьи и обзоры / Элек.ру

Проводники, диэлектрики и поток электронов

Добавлено 20 сентября 2020 в 04:12

Сохранить или поделиться

Электроны атомов разных типов имеют разную степень свободы передвижения. В некоторых типах материалов, таких как металлы, внешние электроны в атомах настолько слабо связаны, что они хаотично перемещаются в пространстве между атомами этого материала не более чем под воздействием тепловой энергии комнатной температуры. Поскольку эти практически несвязанные электроны могут свободно покидать свои атомы и плавать в пространстве между соседними атомами, их часто называют свободными электронами.

Проводники и диэлектрики

В других типах материалов, таких как стекло, электроны атомов имеют очень маленькую свободу передвижения. Хотя внешние силы, такие как физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть свои атомы и перейти к атомам другого материала, они не так легко перемещаются между атомами внутри самого материала.

Эта относительная подвижность электронов в материале известна как электрическая проводимость (электропроводность). Электропроводность определяется типами атомов в материале (количество протонов в ядре каждого атома определяет его химическую идентичность) и тем, как атомы связаны друг с другом. Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками, а материалы с низкой подвижностью электронов (мало или совсем нет свободных электронов) называются диэлектриками. Ниже приведено несколько распространенных примеров проводников и диэлектриков:

Проводники	Диэлектрики
серебро медь золото алюминий железо сталь латунь бронза ртуть графит недистилированная вода бетон	стекло резина масло асфальт оптоволокно фарфор керамика кварц (сухой) хлопок (сухая) бумага (сухое) дерево пластмасса воздух алмаз дистилированная вода

Следует понимать, что не все проводящие материалы имеют одинаковый уровень проводимости, и не все диэлектрики одинаково устойчивы к движению электронов. Электропроводность аналогична прозрачности некоторых материалов для света: материалы, которые легко «проводят» свет, называются «прозрачными», а те, которые этого не делают, – «непрозрачными». Однако не все прозрачные материалы одинаково пропускают свет. Оконное стекло лучше, чем большинство пластиков, и, конечно, лучше, чем «прозрачное» стекловолокно. Так же и с электрическими проводниками, одни лучше других.

Например, серебро является лучшим проводником в списке «проводников», предлагая более легкий проход для электронов, чем любой другой упомянутый материал. Грязная вода и бетон также считаются проводниками, но эти материалы обладают значительно меньшей проводимостью, чем любой металл.

Также следует понимать, что некоторые материалы в зависимости от условий изменяют свои электрические свойства. Стекло, например, является очень хорошим диэлектриком при комнатной температуре, но становится проводником при нагревании до очень высокой температуры. Такие газы, как воздух, обычно изолирующие материалы, также становятся проводящими при нагревании до очень высоких температур. Большинство металлов при нагревании становятся худшими проводниками, а при охлаждении – лучшими. Многие проводящие материалы становятся идеально проводящими (это называется сверхпроводимостью) при чрезвычайно низких температурах.

Поток электронов / электрический ток

Хотя нормальное движение «свободных» электронов в проводнике является случайным, без определенного направления или скорости, электроны могут двигаться через проводящий материал и согласованным образом. Это движение электронов в заданном направлении мы называем электричеством или электрическим током. Точнее, это можно назвать динамическим электричеством в противоположность статическому электричеству, которое представляет собой неподвижное накопление электрического заряда. Подобно воде, протекающей через пустоту трубы, электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника. На наш взгляд проводник может показаться твердым, но любой материал, состоящий из атомов, по большей части представляет собой пустое пространство! Аналогия с потоком жидкости настолько уместна, что движение электронов через проводник часто называют «потоком».

Здесь можно сделать примечательное наблюдение. Поскольку каждый электрон планомерно движется через проводник, он толкает электрон впереди, и поэтому все электроны движутся вместе как группа. Начало и остановка потока электронов по всей длине проводящего пути происходит практически мгновенно от одного конца проводника до другого, даже если движение каждого электрона может быть очень медленным. Примерная аналогия – трубка, полностью заполненная шариками:

Рисунок 1 – Трубка с шариками, как аналогия потока электронов

Трубка наполнена шариками, так же как проводник полон свободных электронов, готовых к перемещению под действием внешнего воздействия. Если один шарик вставляется в эту полную трубку с левой стороны, другой шарик немедленно попытается выйти из трубки справа. Несмотря на то, что каждый шарик прошел лишь небольшое расстояние, передача движения через трубку происходит практически мгновенно от левого конца к правому, независимо от длины трубки. С электричеством общий эффект от одного конца проводника до другого происходит со скоростью света: быстрые 300 000 километров (~186 000 миль) в секунду!!! Однако каждый отдельный электрон движется через проводник гораздо медленнее.

Поток электронов через провод

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении в определенное место, мы должны обеспечить им правильный путь, точно так же, как водопроводчик должен установить трубопровод, чтобы вода текла туда, куда он хочет. Чтобы облегчить это, изготавливаются провода самых разных размеров из металлов с высокой проводимостью, таких как медь или алюминий.

Помните, что электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала. Это означает, что электрический ток может быть только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающий канал для прохождения электронов. В аналогии с трубкой, шарики могут втекать в левую сторону трубки (и, следовательно, через трубку) тогда и только тогда, когда трубка открыта с правой стороны для вытекания шариков. Если трубка заблокирована с правой стороны, шарики будут просто «накапливаться» внутри трубки, и «потока» шариков не будет. То же самое верно и для электрического тока: непрерывный поток электронов требует наличия непрерывного пути, разрешающего этот поток. Давайте посмотрим на рисунок, чтобы проиллюстрировать, как это работает:

Рисунок 2 – Провод

Тонкая сплошная линия (показанная выше) является условным обозначением непрерывного отрезка провода. Поскольку провод сделан из проводящего материала, такого как медь, составляющие его атомы имеют много свободных электронов, которые могут легко перемещаться по проводу. Однако в этом проводе никогда не будет непрерывного или равномерного потока электронов, если им не будет откуда взяться и куда идти. Давайте добавим гипотетические «источник» и «пункт назначения» электронов:

Рисунок 3 – Источник и пункт назначения электронов

Теперь, когда источник электронов заталкивает новые электроны в провод слева, может возникать поток электронов через провод (на что указывают стрелки, указывающие слева направо). Однако поток будет прерван, если токопроводящий путь, образованный проводом, будет нарушен:

Рисунок 4 – Нарушение потока электронов через провод

Электрическая непрерывность

Поскольку воздух является изолирующим материалом, а два куска провода разделяет воздушный зазор, некогда непрерывный путь был разорван, и электроны теперь не могут течь от источника к пункту назначения. Это похоже на разрезание водопроводной трубы на две части и закрытие ее концов в месте разрыва: вода не может течь, если нет выхода из трубы. С точки зрения электричества, у нас было состояние электрической непрерывности, когда провод был целым, а теперь эта непрерывность нарушаена из-за того, что провод разрезан и разделен.

Если бы мы возьмем другой кусок провода, ведущего к пункту назначения, и просто создадим физический контакт с проводом, ведущим к источнику, у нас снова будет непрерывный путь для движения электронов. Две точки на схеме обозначают физический контакт (металл-металл) между кусочками проводов:

Рисунок 5 – Соединение металла с металлом

Теперь у нас снова есть непрерывность от источника до нового созданного соединения, вниз, вправо и вверх до пункта назначения. Это аналогично установке тройника в одну из закрытых труб и направлению воды через новый отрезок трубы к месту назначения. Обратите внимание на то, что через нарушенный отрезок провода с правой стороны не проходят электроны, потому что он больше не является частью полного пути от источника к пункту назначения.

Интересно отметить, что из-за этого электрического тока внутри проводов не происходит «износа», в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге подвергаются коррозии и изнашиваются из-за продолжительных потоков. Однако при движении электроны сталкиваются с некоторым трением, и это трение может генерировать в проводнике тепло. Эту тему мы рассмотрим более подробно позже.

Резюме

• В проводящих материалах внешние электроны в каждом атоме могут легко приходить или уходить и называются свободными электронами.
• В диэлектрических (изолирующих) материалах внешние электроны перемещаются не так свободно.
• Все металлы проводят электрический ток.
• Динамическое электричество, или электрический ток, – это равномерное движение электронов по проводнику.
• Статическое электричество – это неподвижный (если он находится на диэлектрике), накопленный заряд, образованный избытком или недостатком электронов в объекте. Обычно он образуется путем разделения заряда путем контакта и разделения разнородных материалов.
• Чтобы электроны могли непрерывно (бесконечно) течь через проводник, должен существовать полный, непрерывный путь, по которому они могут двигаться как внутрь, так и из этого проводника.

Оригинал статьи:

Теги

ДиэлектрикОбучениеПроводникЭлектрический токЭлектричествоЭлектрон

Сохранить или поделиться

Твердые диэлектрики их свойства и применение, изолятор диэлектрический

Твердые диэлектрики.

Жидкие диэлектрики.

Органические соединения, в частности углеводороды, широко используются в качестве жидких диэлектриков. Для углеводородов характерны низкая диэлектрическая проницаемость (от 2 до 4) и умеренно высокое удельное электрическое сопротивление (ок. 1012 ОмЧсм). Поскольку углеводороды не содержат кислорода или азота, они являются химически стабильными и поэтому подходят для использования в сильных электрических полях, в которых процессы ионизации усиливают химическую нестабильность. Примерами жидких диэлектриков могут служить циклические углеводороды, такие, как бензол (C6H6), или ациклические соединения типа гексана . Большинство углеводородов встречаются в виде смесей; химический состав и строение входящих в них компонентов точно не известны. К ним относятся, в порядке возрастания вязкости, петролейный эфир, парафиновое масло, трансформаторные масла, парафин и различные воски.

Некоторые галогенопроизводные продукты, такие, как хлороформ (CHCl3) и четыреххлористый углерод (CCl4), являются диэлектриками. К жидким неорганическим диэлектрикам относятся такие сжиженные газы, как двуокись углерода и хлор.

Важным преимуществом жидких диэлектриков является их способность к восстановлению своих свойств после искрового пробоя и способность проводить тепло, что важно для трансформаторов.

Твердые диэлектрики.

К типичным твердым электроизоляционным материалам относятся фарфор, стекло, кварц, натуральная и синтетическая резина и пластики. Тонкие слои твердых изоляторов могут иметь очень высокие значения напряжения пробоя и удельного электрического сопротивления, что видно из приводимой ниже таблицы.

Повышение приложенной разности потенциалов к рассматриваемому образцу твердого или жидкого диэлектрика увеличивает ток через него. Это увеличение приводит к отрыву электронов и образованию пространственного положительного заряда вблизи катода. Электрический пробой является результатом искажения электрического поля внутри изолятора. Как твердые, так и жидкие диэлектрики подвержены поляризации, т.е. их диэлектрическая постоянная больше единицы. Поляризация приводит к появлению диэлектрических потерь при приложении переменных электрических полей. Некоторые материалы, такие, как кварц, полиэтилен и некоторые газы, имеют очень низкие диэлектрические потери даже в высокочастотных электрических полях.

СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Материал	Электрическая прочность, кВ/см	Диэлектрическая проницаемость	Удельное электрическое сопротивление, 1014 ОмЧсм
Слюда		5,0–7,0
Стекло (разное)	200–700	3,0–12,0	10–6 ё104
Метилметакрилат (люсит)		3,3–4,5
Фарфор (неглазурованный)		5,0–7,0
Эбонит		2,0–3,5	104

Вопрос 5

Электромонтажные работы неразрывно связаны со строительством во всех областях народного хозяйства. Поэтому вполне естественно разнообразие технологических методов ведения электромонтажных работ и широкая номенклатура (перечень названий) применяющихся материалов и изделий.
Особенно разнообразны электромонтажные изделия для прокладки, закрепления, соединения и присоединения различных проводников (голых шин, кабелей, голых и изолированных проводов), защиты их в необходимых случаях от вредного воздействия окружающей среды и механических повреждений, а также для установки отдельных аппаратов, светильников и т. п.
Электромонтажные изделия почти не выпускаются заводами промышленности. В основном они изготовляются электромонтажными организациями в своих мастерских. Однако ведущие электромонтажные организации, одной из которых в области электромонтажа промышленных предприятий является Главэлектромонтаж Министерства строительства, уже многие годы производят на своих специализированных заводах электромонтажные изделия в сравнительно больших количествах и ассортименте. Эти изделия являются массовыми и полностью отвечают требованиям, предъявляемым к заводской продукции.
Ниже приводится описание электромонтажных изделий, применяемых только во внутренних электроустановках.
Электромонтажные изделия для наружных установок, воздушных линий электропередачи (которые принято называть арматурой линий), крановых троллеев,
а также муфты для соединения и оконцевания кабелей не рассматриваются.
В тексте, таблицах и на рисунках для изделий указаны типы, принятые в системе Главэлектромонтажа. В брошюре описаны лишь сами изделия. Об их использовании даны только самые общие сведения, гак как технике применения электромонтажных изделий посвящается другая брошюра, готовящаяся к печати в «Библиотеке электромонтера».

Физические свойства

Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10−5 Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых ρ > 108 Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10−8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 1016 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10−5—108 Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причём двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Чёткую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков — возбуждённым.

Развитие радиотехники потребовало создания материалов, в которых специфические высокочастотные свойства сочетаются с необходимыми физико-механическими параметрами. Такие материалы называют высокочастотными. Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов, а также причин старения нужны знания их химического и фазового состава, атомной структуры и структурных дефектов.

Удельное сопротивление деионизированной воды (см. также: бидистиллят) — 10-20 МОм·см.

> Параметры

Физическим параметром, который характеризует диэлектрик, является диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость может иметь дисперсию.

Использование

При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы.

Пассивные свойства диэлектриков

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, то есть с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных ёмкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определённой ёмкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

Активные свойства диэлектриков

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

> См. также

• Трекингостойкость
• Материаловедение
• Кондуктометрия

Ссылки

• Электроизоляционные материалы (диэлектрики)
• Характеристики электроизоляционных материалов

Для улучшения этой статьи желательно?: Проставить шаблон-карточку, который существует для предмета статьи. Пример использования шаблона есть в статьях на похожую тематику. Добавить иллюстрации. Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное. Проставив сноски, внести более точные указания на источники. Викифицировать статью.

Материалы по электропроводным свойствам

Диэлектрик • Полупроводник • Проводник • Сверхпроводник

Диэлектрики — это вещество, которое не проводит, или плохо проводит электрический ток. Носители заряда в диэлектрике имеют плотность не больше 108 штук на кубический сантиметр. Одним из основных свойств таких материалов является способность поляризации в электрическом поле.

Параметр, характеризующий диэлектрики, называется диэлектрической проницаемостью, которая может иметь дисперсию. К диэлектрикам можно отнести химически чистую воду, воздух, пластмассы, смолы, стекло, различные газы.

Свойства диэлектриков

Если бы вещества имели свою геральдику, то герб сегнетовой соли непременно украсили бы виноградные лозы, петля гистерезиса, и символика многих отраслей современной науки и техники.

Родословная сегнетовой соли начинается с 1672 года. Когда французский аптекарь Пьер Сегнет впервые получил с виноградных лоз бесцветные кристаллы и использовал их в медицинских целях.

Тогда еще невозможно было предположить, что эти кристаллы обладают удивительными свойствами. Эти свойства дали нам право из огромного числа диэлектриков выделить особые группы:

• Пьезоэлектрики.
• Пироэлектрики.
• Сегнетоэлектрики.

Со времен Фарадея известно, что во внешнем электрическом поле диэлектрические материалы поляризуются. При этом каждая элементарная ячейка обладает электрическим моментом, аналогичным электрическому диполю. А суммарный дипольный момент единицы объема определяет вектор поляризации.

В обычных диэлектриках поляризация однозначно и линейно зависит от величины внешнего электрического поля. Поэтому диэлектрическая восприимчивость почти у всех диэлектриков величина постоянная.

P/E=X=const

Кристаллические решетки большинства диэлектриков построены из положительных и отрицательных ионов. Из кристаллических веществ наиболее высокой симметрией обладают кристаллы с кубической решеткой. Под действием внешнего электрического поля кристалл поляризуется, и симметрия его понижается. Когда внешнее поле исчезает, кристалл восстанавливает свою симметрию.

В некоторых кристаллах электрическая поляризация может возникать и при отсутствии внешнего поля, спонтанно. Так выглядит в поляризованном свете кристалл молибдената гадолиния. Обычно спонтанная поляризация неоднородная. Кристалл разбивается на домены – области с однородной поляризацией. Развитие многодоменной структуры уменьшает суммарную поляризацию.

Пироэлектрики

В пироэлектриках спонтанная поляризация экранирует со свободными зарядами, которые компенсируют связанные заряды. Нагревание пироэлектрика изменяет его поляризацию. При температуре плавления пироэлектрические свойства исчезают вовсе.

Часть пироэлектриков относится к сегнетоэлектрикам. У них направление поляризации может быть изменено внешним электрическим полем.

Существует гистерезисная зависимость между ориентацией поляризации сегнетоэлектрика и величиной внешнего поля.

В достаточно слабых полях поляризация линейно зависит от величины поля. При его дальнейшем увеличении все домены ориентируются по направлению поля, переходя в режим насыщения. При уменьшении поля до нуля кристалл остается поляризованным. Отрезок СО называют остаточной поляризацией.

Поле, при котором происходит изменение направления поляризации, отрезок ДО называют коэрцитивной силой.

Наконец, кристалл полностью меняет направление поляризации. При очередном изменении поля кривая поляризации замыкается.

Однако, сегнетоэлектрическое состояние кристалла существует лишь в определенной области температур. В частности, сегнетова соль имеет две точки Кюри: -18 и +24 градусов, в которых происходят фазовые переходы второго рода.

Группы сегнетоэлектриков

Микроскопическая теория фазовых переходов разделяет сегнетоэлектрики на две группы.

Первая группа

Титанат бария относится к первой группе, и как ее еще называют, группе сегнетоэлектриков типа смещения. В неполярном состоянии титанат бария имеет кубическую симметрию.

При фазовом переходе в полярное состояние ионные подрешетки смещаются, симметрия кристаллической структуры понижается.

Вторая группа

Ко второй группе относят кристаллы типа нитрата натрия, у которых в неполярной фазе имеется разупорядоченная подрешетка структурных элементов. Здесь фазовый переход в полярное состояние связан с упорядочением структуры кристалла.

Причем в различных кристаллах может быть два или несколько вероятных положений равновесия. Существуют кристаллы, в которых цепочки диполя имеют антипараллельные ориентации. Суммарный дипольный момент таких кристаллов равен нулю. Такие кристаллы называют антисегнетоэлектриками.

В них зависимость поляризации линейная, вплоть до критического значения поля.

Дальнейшее увеличение величины поля сопровождается переходом в сегнетоэлектрическую фазу.

Третья группа

Существует еще одна группа кристаллов – сегнетиэлектриков.

Ориентация дипольных моментов у них такова, что по одному направлению они имеют свойства антисегнетоэлектриков, а по-другому сегнетоэлектриков. Фазовые переходы у сегнетоэлектриков бывают двух родов.

При фазовом переходе второго рода в точке Кюри спонтанная поляризация плавно уменьшается до нуля, а диэлектрическая восприимчивость, меняясь резко, достигает огромных величин.

При фазовом переходе первого рода поляризация исчезает скачком. Также скачком изменяется электрическая восприимчивость.

Большая величина диэлектрической проницаемости, электрополяризации сегнетоэлектриков, делает их перспективными материалами современной техники. Например, уже широко используют нелинейные свойства прозрачной сегнетокерамики. Чем ярче свет, тем сильнее он поглощается специальными очками.

Это является эффективной защитой зрения рабочих в некоторых производствах, связанных с внезапными и интенсивными вспышками света. Для передачи информации с помощью лазерного луча применяют сегнетоэлектрические кристаллы с электрооптическим эффектом. В пределах прямой видимости лазерный луч моделируется в кристалле. Затем луч попадает в комплекс приемной аппаратуры, где информация выделяется и воспроизводится.

Пьезоэлектрический эффект

В 1880 году братья Кюри обнаружили, что в процессе деформации сегнетовой соли на ее поверхности возникают поляризационные заряды. Это явление было названо прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Если на кристалл воздействовать внешним электрическим полем, он начинает деформироваться, то есть, возникает обратный пьезоэлектрический эффект.

Однако эти изменения не наблюдаются в кристаллах, имеющих центр симметрии, например, в сульфиде свинца.

Если на такой кристалл воздействовать внешним электрическим полем, подрешетки отрицательных и положительных ионов сместятся в противоположные стороны. Это приводит к поляризации кристаллов.

В данном случае мы наблюдаем электрострикцию, при которой деформация пропорциональна квадрату электрического поля. Поэтому электрострикцию относят к классу четных эффектов.

ΔX1=ΔX2

Если такой кристалл растягивать или сжимать, то электрические моменты положительных диполей будут равны по величине электрическим моментам отрицательных диполей. То есть, изменение поляризации диэлектрика не происходит, и пьезоэффект не возникает.

В кристаллах с низкой симметрией при деформации появляются дополнительные силы обратного пьезоэффекта, противодействующие внешним воздействиям.

Таким образом, в кристалле, у которого нет центра симметрии в распределении зарядов, величина и направление вектора смещения зависит от величины и направления внешнего поля.

Благодаря этому можно осуществлять различные типы деформации пьезокристаллов. Склеивая пьезоэлектрические пластинки, можно получить элемент, работающий на сжатие.

В этой конструкции пьезопластинка работает на изгиб.

Пьезокерамика

Если к такому пьезоэлементу приложить переменное поле, в нем возбудятся упругие колебания и возникнут акустические волны. Для изготовления пьезоэлектрических изделий применяют пьезокерамику. Она представляет собой поликристаллы сегнетоэлектрических соединений или твердые растворы на их основе. Изменяя состав компонентов и геометрические формы керамики, можно управлять ее пьезоэлектрическими параметрами.

Прямые и обратные пьезоэлектрические эффекты находят применение в разнообразной электронной аппаратуре. Многие узлы электроакустической, радиоэлектронной и измерительной аппаратуры: волноводы, резонаторы, умножители частоты, микросхемы, фильтры работают, используя свойства пьезокерамики.

Пьезоэлектрические двигатели

Активным элементом пьезоэлектрического двигателя служит пьезоэлемент.

В течение одного периода колебаний источника переменного электрического поля он растягивается и взаимодействует с ротором, а в другом возвращается в исходное положение.

Великолепные электрические и механические характеристики позволяют пьезодвигателю успешно конкурировать с обычными электрическими микромашинами.

Пьезоэлектрические трансформаторы

Принцип их действия также основан на использовании свойств пьезокерамики. Под действием входного напряжения в возбудителе возникает обратный пьезоэффект.

Волна деформации передается в генераторную секцию, где за счет прямого пьезоэффекта изменяется поляризация диэлектрика, что приводит к изменению выходного напряжения.

Так как в пьезотрансформаторе вход и выход гальванически развязаны, то функциональные возможности преобразования входного сигнала по напряжению и току, согласование его с нагрузкой по входу и выходу, лучше, чем у обычных трансформаторов.

Исследования разнообразных явлений сегнетоэлектричества и пьезоэлектричества продолжаются. Нет сомнений, что в будущем появятся приборы, основанные на новых и удивительных физических эффектах в твердом теле.

Классификация диэлектриков

В зависимости от различных факторов они по-разному проявляют свои свойства изоляции, которые определяют их сферу использования. На приведенной схеме показана структура классификации диэлектриков.

В народном хозяйстве стали популярными диэлектрики, состоящие из неорганических и органических элементов.

Неорганические материалы – это соединения углерода с различными элементами. Углерод обладает высокой способностью к химическим соединениям.

Минеральные диэлектрики

Такой вид диэлектриков появился с развитием электротехнической промышленности. Технология производства минеральных диэлектриков и их видов значительно усовершенствована. Поэтому такие материалы уже вытесняют химические и натуральные диэлектрики.

К минеральным диэлектрическим материалам относятся:

•Стекло (конденсаторы, лампы) – аморфный материал, состоит из системы сложных окислов: кремния, кальция, алюминия. Они улучшают диэлектрические качества материала.
• Стеклоэмаль – наносится на металлическую поверхность.
• Стекловолокно – нити из стекла, из которых получают стеклоткани.
• Световоды – светопроводящее стекловолокно, жгут из волокон.
• Ситаллы – кристаллические силикаты.
• Керамика – фарфор, стеатит.
• Слюда – микалекс, слюдопласт, миканит.
• Асбест – минералы с волокнистым строением.

Разнообразные диэлектрики не всегда заменяют друг друга. Их сфера применения зависит от стоимости, удобства применения, свойств. Кроме изоляционных свойств, к диэлектрикам предъявляются тепловые, механические требования.

Жидкие диэлектрики

Нефтяные масла

Трансформаторное масло заливается в силовые виды трансформаторов. Оно наиболее популярно в электротехнике.

Кабельные масла применяются при изготовлении электрических кабелей. Ими пропитывают бумажную изоляцию кабелей. Это повышает электрическую прочность и отводит тепло.

Синтетические жидкие диэлектрики

Для пропитки конденсаторов необходим жидкий диэлектрик для увеличения емкости. Такими веществами являются жидкие диэлектрики на синтетической основе, которые превосходят нефтяные масла.

Хлорированные углеводороды образуются из углеводородов заменой в них молекул атомов водорода атомами хлора. Большую популярность имеют полярные продукты дифенила, в состав которых входит С12 Н10-nC Ln.

Их преимуществом является стойкость к горению. Из недостатков можно отметить их токсичность. Вязкость хлорированных дифенилов имеет высокий показатель, поэтому их приходится разбавлять мене вязкими углеводородами.

Кремнийорганические жидкости обладают низкой гигроскопичностью и высокой температурной стойкостью. Их вязкость очень мало зависит от температуры. Такие жидкости имеют высокую стоимость.

Фторорганические жидкости имеют аналогичные свойства. Некоторые образцы жидкости могут долго работать при 2000 градусов. Такие жидкости в виде октола состоят из смеси полимеров изобутилена, получаемых из продуктов газа крекинга нефти, имеют невысокую стоимость.

Природные смолы

Канифоль – это смола, имеющая повышенную хрупкость, и получаемая из живицы (смола сосны). Канифоль состоит из органических кислот, легко растворяется в нефтяных маслах при нагревании, а также в других углеводородах, спирте и скипидаре.

Температура размягчения канифоли равна 50-700 градусов. На открытом воздухе канифоль окисляется, быстрее размягчается, и хуже растворяется. Растворенная канифоль в нефтяном масле используется для пропитки кабелей.

Растительные масла

Эти масла представляют собой вязкие жидкости, которые получены из различных семян растений. Наиболее важное значение имеют высыхающие масла, которые могут при нагревании отвердевать. Тонкий слой масла на поверхности материала при высыхании образует твердую прочную электроизоляционную пленку.

Скорость высыхания масла повышается при возрастании температуры, освещении, при использовании катализаторов – сиккативов (соединения кобальта, кальция, свинца).

Льняное масло имеет золотисто-желтый цвет. Его получают из семян льна. Температура застывания льняного масла составляет -200 градусов.

Тунговое масло изготавливают из семян тунгового дерева. Такое дерево растет на Дальнем Востоке, а также на Кавказе. Это масло не токсично, но не является пищевым. Тунговое масло застывает при температуре 0-50 градусов. Такие масла используются в электротехнике для производства лаков, лакотканей, пропитки дерева, а также в качестве жидких диэлектриков.

Касторовое масло используется для пропитки конденсаторов с бумажным диэлектриком. Получают такое масло из семян клещевины. Застывает оно при температуре -10 -180 градусов. Касторовое масло легко растворяется в этиловом спирте, но нерастворимо в бензине.

Каучук

Каучук (резина) получается из сока растений каучуконосов. Такой каучук называют натуральным (НК). Каучук можно получить также искусственным путем. Искусственный или синтетический каучуке (СК) изготовляют из спирта или нефтепродуктов. Нагретый до 50 °С каучук размягчается и становится липким, а при низкой температуре – хрупким. Каучук хорошо растворяется в углеводородах и сероуглероде. Для увеличения механической прочности, нагревостойкости и морозоустойчивости, стойкости к растворителям к каучуку добавляют 3 – 10 % серы. Этот процесс называется вулканизацией, в результате чего получается резина. В электротехнике резину применяют для изоляции установочных и монтажных проводов и кабелей некоторых конструкций, для изолирующих трубок, защитных перчаток, галош, ковриков и тому подобного. Резина обладает высокими электроизоляционными свойствами, влагостойкостью, непроницаемостью для воды и газов, имеет невысокую нагревостойкость (при нагреве свыше 60 – 75 °С резина делается хрупкой и трескается), при действии на резину нефтяных масел она набухает, при действии света – стареет. Электрическая прочность резины 24 кВ/мм; ε = 2,5 – 3.

Слюда

Минерал кристаллического строения. Благодаря своему строению слюда легко расщепляется на отдельные листочки. Она обладает высокой электрической прочностью (80 – 200 кВ/мм), высокой нагревостойкостью, влагостойкостью, механической прочностью и гибкостью. В электротехнике применяют два вида слюды: мусковит и флогопит, различающиеся по составу, цвету и свойствам. Лучшей слюдой является мусковит. Из листочков слюды штампуют прямоугольные пластинки для конденсаторов, шайбы для электротехнических приборов и тому подобное. Однако чаще отдельные листочки слюды при помощи клеящих лаков (глифталевого, битумно-масляного, шеллачного и других) склеивают между собой. Такой материал называется миканитом. Различают миканиты: коллекторный (для изоляции коллекторных пластин), прокладочный (для изоляции шайб, прокладок), формовочный (прессуется при нагреве для изготовления фасонных деталей), гибкий (для межвитковой и пазовой изоляции электрических машин), жароупорный (для электронагревательных приборов). Иногда пластинки слюды наклеивают на бумагу или ткани (микалента, микафолий, стекломикафолий).

Стекло

Получают переплавкой кремнезема – SiO2 (в виде песка) с окислами различных металлов – натрия, калия, свинца, кальция (в виде соды, селитры, буры, различных каменных пород). Стекло – аморфное тело, поэтому оно не имеет определенной температуры плавления. При нагреве стекло размягчается и становится жидким. В этом состоянии стекло можно выдувать, вытягивать, прессовать, отливать. Физические и механические свойства стекла зависят от его состава и обработки. Если обычное стекло хрупкое, то особо закаленное стекло – сталинит обладает высокой прочностью на удар. Стекло практически водонепроницаемо, на него не действуют кислоты (за исключением плавиковой) и щелочи. Однако, стекла, содержащие только щелочные окислы (Na2O, K2O), хорошо растворяются в воде (жидкое стекло). Электроизоляционные свойства стекла очень высоки. С нагревом стекло быстро теряет изоляционные качества. В электротехнике стекло используют для изготовления баллонов осветительных и электронных ламп, изоляторов и тому подобного. Из стекла можно получить волокна диаметром до 0,005 – 0,006 мм. Отдельные волокна свиваются в нити. Стеклянные нити (стеклопряжа) используют для нагревостойкой изоляции проводников марки ПСД. Электрическая прочность стекла 10 – 40 кВ/мм; ε = 5,5 – 10.

Фарфор электротехнический

Является наиболее распространенным керамическим электроизоляционным материалом. В состав фарфора входят: каолин – белая глина, огнеупорная глина, кварц и полевой шпат. Изготовление фарфоровых изделий состоит из следующих операций: измельчение составных частей фарфора и перемешивание их с водой в однородную массу. Путем прессования, обтачивания, отливки в гипсовые формы или выдавливания из этой массы получают изделия нужной конфигурации. Для удаления избытка воды изделия сушат, затем их покрывают стекловидной массой – глазурью, которая уменьшает гигроскопичность фарфора, придает определенную окраску изделиям и создает при обжиге ровную, гладкую поверхность. после глазуровки изделие опять сушат и обжигают в печах при температуре 1320 – 1450 °С. Фарфор характеризуется высокой теплостойкостью, стойкостью к электрическим дугам и весьма малым водопоглощением. Из фарфора изготовляют линейные (подвесные и штыревые) изоляторы, стационарные (опорные и проходные) изоляторы, аппаратные изоляторы, установочные фарфоровые изделия (ролики, детали предохранителей, патронов, штепселей и тому подобные). Электрическая прочность фарфора 6 – 10 кВ/мм; ε = 5 – 6,5. Кроме фарфора, применяется другой керамический материал – стеатит, изготовляемый на основе минерала – талька. Стеатит по сравнению с фарфором обладает более высокими электроизоляционными и физико-механическими свойствами.

Мир современных материалов — Общие сведения о диэлектриках

 Электроизоляционный материал – это диэлектрический материал, предназначенный для электрической изоляции. Величина электрического сопротивления находится в диапазоне от 10⁶ Ом∙м до 10¹⁷ Ом∙м, для неионизированных газов еще выше.

 Электроизоляционные материалы в зависимости от агрегатного состояния подразделяют на газообразные, жидкие и твердые. По химическому составу – на органические (полиэтилен, полистирол и др.) и неорганические (слюда, мрамор и т.д.).

Под действием приложенного электрического поля проявляется важнейшее свойство диэлектриков – способность к поляризации. Поляризация – это процесс ограниченного смеще­ния или ориентации имеющих электрические заряды частиц ди­электрика, причем диэлектрик приобретает индуцированный электрический момент. По этому свойству диэлектрики делятся на «полярные», молекулы которых имеют постоянный, не равный нулю электрический момент, и «неполярные», молекулы которых приобретают электрический момент только при воздействии внешнего электрического поля.

Основные свойства диэлектриков:

— удельное объемное и поверхностное сопротивление (проводимость).

— температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКρ определяет изменение удельного сопротивления материала с изменением его температуры, ⁰С^-1:

ТКρ=(1/ρ2)(dρ/ dt),

где ρ2 – удельное сопротивление при температуре t2; dρ – изменение удельного сопротивления; dt – изменение температуры с начальной до t2.

— диэлектрическая проницаемость диэлектрика ε. Различают относительную диэлектрическую проницаемость εr, абсолютную ε и диэлектрическую проницаемость вакуума ε0 (электрическая посто­яннаяe0= 8,85×10^-12 Ф/м). Их связывает соотношение:

ε=εr∙ε0 или εr=ε/ε0.

Относительная диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз диэлектрическая проницаемость среды больше диэлектрической проницаемости вакуума.

Диэлектрическая проницаемость газообразных диэлектриков составляет около 1, для неполярных жидких и твердых диэлектриков она обычно равна 2-2,5, для полярных – обычно в пределах 3-8, но может и достигать нескольких десятков и сотен.

— Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТКεr – позволяет оценить изменение диэлектрической проницаемости с изменением температуры:

ТКεr=(1/ εr)(dεr/ dt).

— Диэлектрические потери — мощность,  рассеиваемая в диэлектрике при действии на него переменного электромагнитного поля. Диэлектрические потери могут быть обусловлены как токами проводимости (потери проводимости), так и запаздыванием поляризации при изменении поля (релаксационные, миграционные и резонансные потери). Кроме того, в сильных электрических полях приналичии в диэлектрике воздушных включений наблюдаются дополнительные потери энергии (ионизационные потери). Диэлектрические потери зависят от приложенного напряжения U, В, частоты f, Гц, емкости C, Ф и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ, Вт:

P=U^2∙C∙2πf∙tgδ.

— Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ определяет рассеиваемую в диэлектрике мощность при переменном электромагнитном поле. Произведение tgδна величину относительной диэлектрической проницаемости называется фактором потерь:

e» =er∙tgδ.

— Электрическая прочность диэлектрика Eпр – напряженность электрического поля, при достижении которой в какой-либо точке диэлектрика происходит пробой:

Eпр=Uпр/h,

где Uпр – пробивное напряжение, наибольшее значение напряжения, которое было приложено к диэлектрику в момент пробоя, h – толщина диэлектрика. Размерность электрической прочности – В/м.

— нагревостойкость. ГОСТ 21515-76 определяет нагревостойкость как способность диэлектрика длительно выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств.

По рекомендациям МЭК введена характеристика – температурный индекс (ТИ) – это температура, при которой срок службы материала составляет 20000 часов.

По нагревостойкости диэлектрики делятся на 7 классов. Температурные индексы, классы нагревостойкости приведены в табл. 1.

Таблица 1. Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов.

ТИ                  Класс нагревостойкости                      Температура, ⁰С

90                               Y                                                         90

105                             A                                                        105

120                             E                                                         120

130                             B                                                        130

155                             F                                                         155

180                             H                                                        180

180                             C                                                         Более 180

Указанные температуры являются предельно допустимыми при их длительном использовании.

 

Удельное объемное электрическое сопротивление, относительная диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, электрическая прочность основных электроизоляционных материалов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Электрические свойства основных электроизоляционных материалов (при 20⁰С)

Название                          ρ, Ом∙м                      εr                               tgδ                  Eпр, кВ/мм

                                                                     При 50 Гц                  При 50 Гц

Полистирол                10¹³ — 10¹⁵                  2,4-2,7                (2-4)∙10^-4                    25-30

Полиэтилен                10¹³ — 10¹⁵                  2,3                       (2-3)∙10^-4                     40-42

низкой плотности

Полиэтилен                 10¹³ — 10¹⁵                  2,4                        5∙10^-4                           40-42

высокой плотности

Полипропилен            10¹³ — 10¹⁵                  2,1                        (2-3)∙10^-4                   30-35

Поли-                              10¹² — 10¹³                  3,7                         (3-5)∙10^-4                   24

формальдегид

Полиуретан                 10¹² — 10¹³                  4,6                         12∙10^-3                         20-25

Полиметил-                 10¹⁰ — 10¹²                  3,6                          6∙10^-2                               15-18

Метакрилат

ПВХ                                10¹⁰ — 10¹²                  4,7                         (3-8)∙10^-2                     15-20

ПЭТФ                             10¹² — 10¹³                  3,5                         (2-6)∙10^-4                     30

(лавсан)

Фторопласт-4              10¹⁶ — 10¹⁸                  2,0                         (1-3)∙10^-4                   27-40

Обозначения: ρ — удельное объемное электрическое сопротивление, εr — относительная диэлектрическая проницаемость, tgδ

Понимание истинного значения диэлектрической проницаемости

9 августа 2010 г.

Джон Кунрод — инженер по развитию рынка в Rogers Corporation, подразделение Advanced Circuit Materials. Джон имеет 23-летний опыт работы в индустрии печатных плат. Около половины этого времени было потрачено на производство гибких печатных плат, занимающееся проектированием схем, приложениями, обработкой и разработкой материалов. Последние десять лет были потрачены на поддержку изготовления схем, обеспечение поддержки приложений и проведение исследований электрических характеристик материалов для высокочастотных жестких печатных плат, изготовленных Rogers.Джон имеет степень бакалавра электротехники в Университете штата Аризона.

Понимание истинного значения диэлектрической проницаемости

Диэлектрическая проницаемость (Dk или относительная диэлектрическая проницаемость) — это параметр, который инженеры-конструкторы используют постоянно, часто не понимая его полностью. У каждого материала есть диэлектрическая проницаемость, даже у воздуха (чуть больше единицы). И этот параметр обычно используется разработчиками схем для сравнения различных материалов печатных плат (PCB), обычно путем ссылки на фиксированное значение для данной частоты, которое можно найти в технических характеристиках продукта.Однако это число может быть разным для большинства материалов печатных плат, независимо от качества материала. Вариации значения Dk на самом деле связаны не столько с качеством, сколько с тем, как материал используется и испытывается.

Коммерческие материалы для печатных плат обычно характеризуются значениями Dk в направлениях x, y и z на одной или нескольких эталонных (тестовых) частотах. Некоторые микроволновые конструкции генерируют электрические поля в большей степени по плоскости x-y (длина и ширина), чем по оси z (толщина). Например, в схемах с краевым соединением электрические поля используются в плоскости x-y ламината печатной платы, тогда как в линии передачи в основном используется плоскость оси z.Поскольку немногие материалы печатной платы изотропны, большинство из них имеют значения Dk, которые различны для каждой оси. Конструкция с микрополосковым соединением по краям и линия передачи, изготовленные на одном и том же ламинате, могут демонстрировать разные кажущиеся характеристики Dk из-за анизотропных эффектов материала печатной платы и конструкции схемы.

Проектирование схем с использованием конкретных материалов печатных плат предполагает, что значения Dk точно известны, и это зависит от надлежащей практики измерения каждым поставщиком материалов. Но охарактеризовать Dk высокочастотного слоистого материала нетривиально; Фактически, для оценки Dk материала используется более 20 различных подходов к измерению.Большинство поставщиков материалов используют подход к измерениям, принятый в качестве отраслевого стандарта, который также поддерживает массовые испытания, чтобы минимизировать время и стоимость измерения.

Поставщики высокочастотного ламината обычно используют методы испытаний, определенные Международной организацией печатных схем (IPC) (www.ipc.org), крупной ассоциацией индустрии электронных межсоединений. Один из этих методов испытаний основан на использовании слабосвязанного сбалансированного однородного полоскового резонатора на частоте 10 ГГц, в результате чего во многих таблицах данных указаны значения Dk на частоте 10 ГГц.Для конструкций, которые похожи на эту испытательную схему и рабочую частоту, значение Dk, определенное этим методом испытаний, должно обеспечивать точные результаты при использовании в целях моделирования, например, в программном обеспечении для компьютерного проектирования. Но для проектов на разных частотах или с разными схемными структурами значения Dk, определенные другим методом испытаний, например методом полосковой линии, могут обеспечить более точные результаты моделирования при использовании в программе проектирования.

Даже если конструкция схемы аналогична структуре испытаний и методу, используемому для определения характеристик Dk материала, другие различия в процедуре испытаний могут не совпадать с тем, как схема спроектирована и изготовлена.По этой причине поставщики материалов часто предоставляют предлагаемое значение Dk для целей моделирования, которое может отличаться от номинального значения Dk материала. По этой же причине поставщики материалов подчеркивают необходимость полной оценки материала для конкретного применения, вплоть до создания нескольких прототипов схем с немного отличающейся геометрией, чтобы лучше понять взаимодействие электромагнитного (ЭМ) поля с материалом и спроектированными структурами схемы. .

Несколько основных свойств материала могут вызвать отклонения в номинальном значении Dk ламината печатной платы.Например, значения, отображаемые в паспорте продукта, основаны на конкретной толщине материала и типе меди. Однако поставщики материалов обычно предлагают диэлектрик и медный ламинат различной толщины для данного продукта, а диэлектрическая проницаемость может варьироваться в зависимости от толщины диэлектрика и толщины меди. Фактически, даже шероховатость поверхности меди может влиять на значение Dk. В статье, недавно опубликованной доктором Аль Хорном из Rogers Corporation, было обнаружено, что шероховатость меди на ламинате печатной платы играет важную роль в видимой Dk материала.Исследования доктора Хорна показали, что шероховатость меди может изменять постоянную распространения и влиять на кажущуюся диэлектрическую проницаемость ламината. Влияние шероховатости поверхности меди менее выражено для более толстых ламинатов, в большей степени для более тонких.

Когда диэлектрический материал подвергается воздействию электрического поля, это поле вызывает поляризацию атомов и молекул внутри материала для создания электрических дипольных моментов. Эти моменты дополняют электрический поток и связаны с электрической восприимчивостью материала.Для действительно однородной среды, такой как вакуум, диэлектрическая проницаемость постоянна и хорошо известна. Но большинство материалов для печатных плат — это композиты из разных материалов, каждый из которых имеет свое значение Dk. Каждый из этих материалов может иметь разную электрическую восприимчивость и даже разные потенциалы поляризации при воздействии электрического поля. Из-за сложности истинного понимания поведения Dk материала PCM, значения Dk, представленные в его техническом паспорте, следует рассматривать как приблизительные и использовать в качестве рекомендаций, а не строгих правил при создании конструкции высокочастотной схемы.

Направления апплета электростатики

Направления апплета электростатики

---

Щелкните здесь, чтобы перейти к апплету.

Этот java-апплет демонстрирует
электростатика и статическое распределение тока в двух измерениях.
Также есть трехмерный апплет
который более точен, но менее гибок.

При запуске апплета вы увидите электрическое поле
одиночный положительный заряд. Желтый кружок представляет собой заряд;
белые круги вокруг него — это эквипотенциальные линии (линии постоянного
потенциал).Зеленые стрелки указывают электрическое поле. Заряд
можно перемещать по экрану с помощью мыши.

В общем, желтый представляет собой положительный заряд, а синий —
отрицательный заряд.

Проводники, диэлектрики и среды со связанными зарядами будут отображаться как
серый. Там
недостаточно цветов или оттенков серого, чтобы различать
виды СМИ выглядят по-разному. Используйте Показать тип материала
пункт меню, чтобы различить их.

---

Всплывающее окно установки можно использовать для просмотра некоторых интересных
заранее определенные эксперименты.После выбора эксперимента
вы можете изменить его как хотите. Возможны следующие варианты:

• Single Charge : это одиночный положительный заряд.
• Двойной заряд : два положительных заряда.
• Дипольный заряд : один положительный и один отрицательный
  плата. Эквипотенциал между двумя зарядами должен быть прямым.
  линия; установите более высокое значение в меню точности, чтобы оно было ровнее.
• Заряд + самолет : Заряд рядом с заземленным
  дирижер.Обратите внимание, что поле в верхней половине почти
  такой же, как в Dipole Charge (он должен быть точно таким же). В
  синий цвет на проводнике указывает на отрицательный поверхностный заряд, который
  положить туда, чтобы уравновесить внешнее поле и
  удерживайте провод на земле.
• Диполь + Uniform : Диполь в однородном поле.
• Квадрупольный заряд : два положительных и два отрицательных
  обвинения.
• Проводящие плоскости : Два фиксированных проводника
  при противоположных потенциалах.Желтый и синий цвет по внешнему краю
  проводники указывают положительные и отрицательные поверхностные заряды. Плата
  добавляется или удаляется с каждого проводника по мере необходимости для поддержания
  потенциал.
• Заряженные самолеты : Два равномерно заряженных самолета.
• Проводящий цилиндр : Поперечное сечение проводника.
  цилиндр с положительным потенциалом.
• Cyl + Charge с заземлением : Поперечное сечение заземленного
  проводящий цилиндр с зарядом рядом с ним.
• Заземленный Cyl + Поле : Поперечное сечение заземленного
  проводящий цилиндр в однородном поле.
• Заряженный цилиндр : Поперечное сечение
  заряженный баллон.
• Заряженный полый цилиндр 1 : поперечное сечение однородной
  заряженный полый цилиндр. Обратите внимание, что в полости нет поля,
  так как потенциал там постоянный.
• Заряженный полый цилиндр 2 : поперечное сечение однородной
  заряженный цилиндр со смещенной от центра цилиндрической полостью внутри.Обратите внимание, что там
  — однородное поле в полости.
• Floating Cyl + Charge : Поперечное сечение цилиндра
  с плавающим потенциалом, рядом с которым находится заряд. Заряд на
  цилиндр является константой (нулем), поэтому потенциал будет варьироваться в зависимости от
  где заряд. Если заряд удалить, цилиндр будет
  быть на земле.
• Плавающие пластины цилиндра + : поперечное сечение цилиндра
  с плавающим потенциалом, с двумя пластинами на положительном и отрицательном
  потенциалы.Заряд на баллоне постоянен, пока он
  ничего не касаясь, поэтому потенциал будет варьироваться в зависимости от того, где
  он расположен. Если вы переместите цилиндр так, чтобы он касался одного из
  пластин, то на цилиндр переместится достаточно заряда, чтобы его
  потенциал такой же, как и у пластины, к которой она прикасается.
• Проводящая коробка : Проводящая коробка с положительным потенциалом.
  Внутри поле равно нулю, так как потенциал постоянен. Обратите внимание, что
  поле сильнее по углам.
• Sharp Point : провод с положительным потенциалом,
  подходит к острой точке. Обратите внимание, что поле в этой точке самое сильное.
• Угол : Угол проводника с положительным потенциалом.
• 45 градусов : угол 45 градусов проводника на
  положительный потенциал. Поле около этого угла сильнее, чем
  поле около угла 90 градусов.
• 135 градусов : Угол проводника 135 градусов на
  положительный потенциал.Поле слабее, чем под углом 90 градусов.
• Диэлектрический цилиндр : Диэлектрический цилиндр с зарядом.
  рядом с ним.
• Диэлектрический цилиндр + Поле : диэлектрический цилиндр во внешнем
  однородное поле.
• Диэлектрик 1 : Заряд около границы диэлектрика. Уведомление
  что силовые линии изгибаются к границе.
• Диэлектрик 2 : Заряд внутри диэлектрика, около
  граница. Обратите внимание, что силовые линии отклоняются от границы.
• Диэлектрик + диполь : диполь с диэлектрической границей
  между обвинениями.
• Диэлектрический конденсатор : две проводящие плоскости на противоположных сторонах
  потенциалы с диэлектриком между ними. Поверхностный заряд на
  плоскостей сильнее на границе диэлектрика. Вы можете увидеть общую
  заряжайтесь на каждой плоскости, наведя мышку на одну из них; заряд
  отображается в нижнем левом углу экрана. Диэлектрик
  прочность можно отрегулировать с помощью Mouse = Adjust Dielectric
  пункт меню, перетащив область, включая диэлектрик, с помощью
  мышь, а затем возится с диэлектрической постоянной
  Слайдер.Это повлияет на количество заряда на каждом самолете. Сильнее
  диэлектрика, тем больше заряда на каждой плоскости и тем выше
  емкость между двумя плоскостями.
• Проводящие плоскости с зазором : Две проводящие плоскости на противоположных сторонах
  потенциалы с разрывом между ними.
• Проводящая плоскость с прорезями : Две заземленные проводящие плоскости с зазором
  между ними, во внешнем поле. Часть поля протекает через
  разрыв.
• Экранирование 1 : Заземленная токопроводящая коробка, защищающая ее внутреннюю часть от
  внешнее однородное поле.
• Экранирование 2 : Заземленная токопроводящая коробка, экранирующая ее внешнюю часть от
  заряд внутри.
• Коробка с одной стороной под напряжением : Заземленная коробка с одной стороной
  что имеет положительный потенциал.
• Квадрупольный объектив :
  Это электростатическая квадрупольная линза, используемая для фокусировки частиц
  балки. Это похоже на
  магнитный
  квадрупольные линзы, используемые в ускорителях частиц.
  Он состоит из четырех проводников в форме гиперболы на
  переменные потенциалы.
• Провод с током : Это провод, по которому течет ток от
  от верхней части экрана до нижней. Электрический ток
  обозначается желтыми стрелками. Поскольку у провода есть сопротивление,
  потенциал непрерывно падает по длине провода.
• Резистор : это два провода, подключенные к резистору, все несущие
  текущий. Потенциал непрерывно падает по длине резистора,
  и в меньшей степени по длине провода (так как его сопротивление равно
  нижний).Поскольку электрическое поле в резисторе сильнее, чем в
  провод, сверху и снизу резистора есть заряд
  чтобы сохранить этот разрыв в поле. Этот заряд вызывает
  резистор должен иметь паразитную емкость.
• Параллельные резисторы : Здесь показаны три резистора в
  параллельно. Средний имеет наибольшее сопротивление, поэтому ток
  там самый слабый. Левый имеет самое низкое сопротивление.
• Ток в 2D 1 : показывает протекание тока в
  двухмерная пластина.
• Ток в 2D 2 : показывает протекание тока в
  проволока посередине шире.

Всплывающее окно «Мышь» контролирует, что происходит, когда мышь
щелкнул. Возможны следующие настройки:

• Мышь = Переместить объект :
  При нажатии на объект (проводник, перетаскиваемый заряд, область связанного заряда,
  или диэлектрик) позволит перетащить его куда-нибудь еще на
  экран. Объекты, выходящие за пределы экрана, перемещать нельзя.
• Мышь = Удалить объект :
  При нажатии на объект (проводник, перетаскиваемый заряд, область связанного заряда,
  или диэлектрик) удалит его.
• Мышь = Добавить + Перетаскиваемый заряд :
  Щелчок по точке создаст там положительный перетаскиваемый заряд.
• Мышь = Добавить — Перетаскиваемый заряд :
  Щелчок по точке создаст там перетаскиваемый отрицательный заряд.
• Мышь = чистый квадрат :
  Нажатие на квадрат удалит все, что там есть (проводник,
  связанный заряд, диэлектрик).Это удалит только один квадрат, а не
  на Удалить объект , который удалит все соединенные квадраты. Этот
  не снимает перетаскиваемые заряды; использовать
  Удалить объект , чтобы удалить их.
• Мышь = Добавить проводник (Gnd) :
  Нажав на
  точка создаст проводник, закрепленный на земле.
• Мышь = Добавить + Проводник :
  Нажав на
  точка создаст проводник с положительным потенциалом.
• Мышь = Добавить — Проводник :
  Нажав на
  точка создаст проводник с отрицательным потенциалом.
• Мышь = Добавить + Зарядный квадрат :
  Нажав на
  точка создаст квадрат положительного связанного заряда.
• Мышь = Добавить — Зарядный квадрат :
  Нажав на
  точка создаст квадрат отрицательного связанного заряда.
• Мышь = Добавить диэлектрик :
  Нажав на
  точка создаст квадрат диэлектрической среды.
• Мышь = Make Floater :
  Нажав на
  проводник заставит его иметь плавающий потенциал. Большинство дирижеров
  в этом апплете имеют фиксированный потенциал, что означает добавление заряда
  или удаляются по мере необходимости для поддержания постоянного потенциала.Плавающий проводник имеет постоянный заряд, поэтому потенциал будет изменяться.
  в зависимости от
  какие заряды рядом. Только один провод на экране может быть
  плавающий. Если вы внесете какие-либо изменения в плавающий проводник, он будет
  превратиться в обычного дирижера; вам придется использовать
  Сделайте Floater , чтобы он снова плавал.
• Мышь = регулировка проводимости :
  Щелкнув точку и потянув за прямоугольную область, вы сможете
  отрегулируйте проводимость проводников в этой области с помощью
  Ползунок проводимости .В
  Показать тип материала Опция меню может пригодиться здесь (и в
  следующие параметры), чтобы увидеть отзывы об изменениях, которые вы вносите
  и сравнить проводимость всех проводников на экране.
• Мышь = Регулировка диэлектрика :
  Щелкнув точку и потянув за прямоугольную область, вы сможете
  отрегулируйте диэлектрическую проницаемость диэлектриков в этой области с помощью
  Ползунок диэлектрической проницаемости .
• Мышь = регулировка потенциала :
  Щелкнув точку и потянув за прямоугольную область, вы сможете
  отрегулируйте потенциал на проводниках в этой области с помощью
  Потенциал слайдер.Это также можно использовать для изменения потенциала
  плавающего проводника.
• Мышь = регулировка заряда :
  Щелкнув точку и потянув за прямоугольную область, вы сможете
  отрегулируйте заряд перетаскиваемых или связанных зарядов в этой области
  с помощью ползунка Charge .

Всплывающее окно Показать определяет, какие поля или другие величины следует
отображение, и как их отображать.

• Показать электрическое поле (E) : Показать электрическое поле
  как стрелки.Стрелки меняют цвет с темно-зеленого на светло-зеленый и
  затем к белому по мере усиления поля.
• Показать линии E : показать электрическое поле в виде линий. В
  цвет линий меняется от темно-зеленого до светло-зеленого и
  затем к белому по мере усиления поля. Плотность
  линий остается довольно постоянным, поэтому для определения
  напряженности поля нужно смотреть на цвет линий
  а не то, как далеко они друг от друга.
• Показать потенциал (Phi) : Показать потенциал; зеленый это
  положительный, красный — отрицательный, а черный — заземленный.
• Показать векторный потенциал : Показать векторный потенциал ( A )
  как стрелки.
• Показать магнитное поле (B) : Показать магнитное поле
  как зеленый (положительный, к вам) или красный (отрицательный, от вас).
• Показать ток (j) : Показать плотность тока как
  желтые стрелки.
• Показать заряд (rho) : Показать плотность заряда как
  желтый (положительный) или синий (отрицательный).
• Показать смещение (D) : Показать вектор электрического смещения.
• Показать поляризацию (P) : Показать электрический
  вектор поляризации.
• Показать поляризационный заряд : Показать
  плотность поляризационного заряда.
• Показать тип материала : поскольку все материалы отображаются как
  серый, вам нужен этот параметр, чтобы различать их:
• Показать rho / j : показать плотность заряда и ток.
• Показать E / rho : Показать электрическое поле и плотность заряда.
• Показать линии E / rho : показать силовые линии электрического поля и плотность заряда.
• Показать E / j : Показать плотность тока в проводниках и
  электрическое поле вне проводников.
• Показать линии E / j : Показать плотность тока в проводниках и
  силовые линии электрического поля вне проводников.
• Показать E / rho / j : Показать плотность тока в проводниках и
  электрическое поле вне проводников. Также покажите плотность заряда.
• Показать линии E / rho / j : показать плотность тока в проводниках и
  силовые линии электрического поля вне проводников.Также покажите плотность заряда.
• Покажите E / phi : Покажите электрическое поле и потенциал.
• Показать линии E / фи : показать линии электрического поля и потенциал.
• Показать E / Phi в проводниках : Показать электрическое поле,
  а в проводниках тоже показывают потенциал.
• Показать линии E / Phi в проводниках : Показать линии электрического поля,
  а в проводниках тоже показывают потенциал.
• Показать E / Phi / j : Показать плотность тока в проводниках
  и электрическое поле вне проводников.Также покажите свой потенциал.
• Показать линии E / Phi / j : показать плотность тока в проводниках
  и силовые линии электрического поля вне проводников. Также покажите свой потенциал.
• Показать B / j : Показать магнитное поле и плотность тока.
• Показать E / B / rho / j : Показать электрическое и магнитное поле снаружи
  проводников и плотности заряда и тока внутри.
• Показать линии E / B / rho / j : Показать линии электрического поля и магнитного поля.
  поле снаружи
  проводников и плотности заряда и тока внутри.
• Покажите Пример : Покажите X-компонент электрического поля.
• Показать Ey : Показать Y-компонент электрического поля.
• Показать Dx : Показать компонент X электрического смещения.
• Показать Dy : Показать компонент Y электрического смещения.

Всплывающее окно Точность контролирует точность, используемую для расчета
поля. Более низкая точность быстрее, но может вводить в заблуждение или
неверные результаты.

Кнопка Очистить все очищает экран.

Флажок Остановить расчет останавливает расчет
поля. Вы можете проверить это временно
если вы хотите внести несколько изменений, не имея
расчет замедлит вас. Затем, когда вы закончите, снимите флажок, чтобы
поля рассчитываются.

Флажок Enable Current позволяет току течь. Когда это
проверено, верх экрана зафиксирован под положительным потенциалом, а
нижняя часть экрана зафиксирована под отрицательным потенциалом.Если есть
проводящий путь сверху вниз экрана, затем ток
потечет. Любые проводники, не подключенные к верхней или нижней части
экран будет на земле.

Флажок Draw Equipotentials рисует эквипотенциальные линии,
которые представляют собой линии постоянного потенциала.

Ползунок Разрешение позволяет ускорить или замедлить
апплет, регулируя разрешение; более высокое разрешение медленнее
но выглядит лучше.

Ползунок Яркость регулирует яркость, как на
Телевизионная установка.Кроме того, чем выше яркость, тем больше эквипотенциалов.
участвовать.

Ползунок Equipotential Count позволяет контролировать количество
эквипотенциалов независимо от яркости.

---

Внимание! При низких настройках точности апплет может давать плохие результаты
для протекания тока в цепях с тупиками, например этой:

Это явно неверно; невозможно иметь стабильное состояние
ток течет в тупик.Проблема в том, что между ветками очень тонкое разделение.
и проводник с более высоким потенциалом, и это сбивает апплет с толку.

Чтобы исправить это, либо используйте более высокую настройку точности (которая будет медленнее)
или сделайте разделение шире, например:

Щелкните здесь, чтобы перейти к апплету.

---

java @ falstad.com

Инфогалактика: ядро ​​планетарного знания

Эта статья про материал. Песню американской индастриал-метал-группы Fear Factory см. В альбоме Genexus.Поляризованный диэлектрический материал

Диэлектрический материал (сокращенно диэлектрик ) представляет собой электрический изолятор, который может поляризоваться под действием приложенного электрического поля. Когда диэлектрик помещается в электрическое поле, электрические заряды не протекают через материал, как в проводнике, а лишь слегка смещаются от своих средних положений равновесия, вызывая поляризацию диэлектрика . Из-за диэлектрической поляризации положительные заряды смещаются в сторону поля, а отрицательные — в противоположном направлении.Это создает внутреннее электрическое поле, которое уменьшает общее поле внутри самого диэлектрика. ^[1] Если диэлектрик состоит из слабо связанных молекул, эти молекулы не только поляризуются, но и переориентируются так, что их оси симметрии совпадают с полем. ^[1]

Исследование диэлектрических свойств касается накопления и рассеивания электрической и магнитной энергии в материалах. ^[2] Диэлектрики важны для объяснения различных явлений в электронике, оптике и физике твердого тела.

Терминология

В то время как термин изолятор подразумевает низкую электрическую проводимость, диэлектрик обычно означает материалы с высокой поляризуемостью. Последнее выражается числом, называемым относительной диэлектрической проницаемостью (также известной в старых текстах как диэлектрическая проницаемость). Термин «изолятор» обычно используется для обозначения электрического препятствия, а термин «диэлектрик» используется для обозначения способности материала накапливать энергию (посредством поляризации).Типичный пример диэлектрика — электроизоляционный материал между металлическими пластинами конденсатора. Поляризация диэлектрика приложенным электрическим полем увеличивает поверхностный заряд конденсатора для данной напряженности электрического поля. ^[1]

Термин «диэлектрик» был введен Уильямом Уэвеллом (от «диаэлектрический») в ответ на запрос Майкла Фарадея. ^{[3] [4]} Идеальный диэлектрик — это материал с нулевой электропроводностью (см.идеальный проводник), ^[5] , таким образом, проявляя только ток смещения; поэтому он хранит и возвращает электрическую энергию, как если бы это был идеальный конденсатор.

Электрическая восприимчивость

Основная статья: диэлектрическая проницаемость

Электрическая восприимчивость × _e диэлектрического материала является мерой того, насколько легко он поляризуется в ответ на электрическое поле. Это, в свою очередь, определяет электрическую проницаемость материала и, таким образом, влияет на многие другие явления в этой среде, от емкости конденсаторов до скорости света.

Он определяется как константа пропорциональности (которая может быть тензором), связывающая электрическое поле E с наведенной плотностью диэлектрической поляризации P , так что

, где ε ₀ — электрическая проницаемость свободного пространства.

Восприимчивость среды связана с ее относительной диэлектрической проницаемостью ε _r на

Так в случае вакуума

Электрическое смещение D связано с плотностью поляризации P на

Дисперсия и причинно-следственная связь

В общем, материал не может поляризоваться мгновенно в ответ на приложенное поле.Более общая формулировка как функция времени —

То есть поляризация — это свертка электрического поля в предыдущие моменты времени с зависящей от времени восприимчивостью, заданной как χ _e (Δ t ). Верхний предел этого интеграла может быть расширен до бесконечности, если определить χ _e (Δ t ) = 0 для Δ t <0. Мгновенный отклик соответствует восприимчивости дельта-функции Дирака χ _e (Δ t ) = χ _e δ (Δ t ).

В линейной системе удобнее взять преобразование Фурье и записать это соотношение как функцию частоты. По теореме о свертке интеграл превращается в простое произведение

Обратите внимание на простую частотную зависимость восприимчивости или, что то же самое, диэлектрической проницаемости. Форма восприимчивости по частоте характеризует дисперсионные свойства материала.

Более того, тот факт, что поляризация может зависеть только от электрического поля в предыдущие моменты времени (т.е.е., χ _e (Δ t ) = 0 для Δ t <0, следствие причинности, накладывает ограничения Крамерса – Кронига на действительную и мнимую части восприимчивости χ _e ( ω ).

Диэлектрическая поляризация

Базовая модель атома

Взаимодействие электрического поля с атомом в рамках классической диэлектрической модели.

В классическом подходе к диэлектрической модели материал состоит из атомов.Каждый атом состоит из облака отрицательного заряда (электронов), связанного с положительным точечным зарядом в его центре и окружающего его. В присутствии электрического поля облако зарядов искажается, как показано в правом верхнем углу рисунка.

Его можно свести к простому диполю, используя принцип суперпозиции. Диполь характеризуется своим дипольным моментом, векторной величиной, показанной на рисунке синей стрелкой, обозначенной M . Именно связь между электрическим полем и дипольным моментом определяет поведение диэлектрика.(Обратите внимание, что дипольный момент указывает в том же направлении, что и электрическое поле на рисунке. Это не всегда так и является большим упрощением, но верно для многих материалов.)

Когда электрическое поле снимается, атом возвращается в исходное состояние. Время, необходимое для этого, называется временем релаксации; экспоненциальный спад.

Это суть модели в физике. Теперь поведение диэлектрика зависит от ситуации. Чем сложнее ситуация, тем богаче должна быть модель, чтобы точно описывать поведение.Важные вопросы:

• Электрическое поле постоянно или меняется со временем? С какой скоростью?
• Зависит ли ответ от направления приложенного поля (изотропия материала)?
• Отклик везде одинаковый (однородность материала)?
• Нужно ли учитывать какие-либо границы или интерфейсы?
• Является ли ответ линейным по отношению к полю, или есть нелинейности?

Связь между электрическим полем E и дипольным моментом M приводит к поведению диэлектрика, которое для данного материала может быть охарактеризовано функцией F , определяемой уравнением:

.

Когда определены и тип электрического поля, и тип материала, затем выбирается простейшая функция F , которая правильно предсказывает интересующие явления. Примеры явлений, которые можно смоделировать, включают:

Диполярная поляризация

Диполярная поляризация — это поляризация, которая либо присуща полярным молекулам ( ориентационная поляризация ), либо может быть индуцирована в любой молекуле, в которой возможно асимметричное искажение ядер (искажение поляризации ).Ориентационная поляризация возникает из-за постоянного диполя, например, возникающего из-за угла 104,45 ° между асимметричными связями между атомами кислорода и водорода в молекуле воды, который сохраняет поляризацию в отсутствие внешнего электрического поля. Сборка этих диполей образует макроскопическую поляризацию.

При приложении внешнего электрического поля расстояние между зарядами внутри каждого постоянного диполя, связанное с химической связью, остается постоянным при ориентационной поляризации; однако само направление поляризации вращается.Это вращение происходит в масштабе времени, который зависит от крутящего момента и окружающей локальной вязкости молекул. Поскольку вращение не является мгновенным, диполярные поляризации теряют реакцию на электрические поля на самых высоких частотах. Молекула вращается в жидкости примерно на 1 радиан за пикосекунду, таким образом, эта потеря происходит при примерно 10 ¹¹ Гц (в микроволновом диапазоне). Задержка реакции на изменение электрического поля вызывает трение и нагрев.

Когда внешнее электрическое поле применяется с инфракрасной частотой или ниже, молекулы изгибаются и растягиваются под действием поля, и дипольный момент молекулы изменяется.Частота молекулярных колебаний примерно обратно пропорциональна времени, необходимому для изгиба молекул, и эта поляризация искажения исчезает выше инфракрасного.

Ионная поляризация

Ионная поляризация — это поляризация, вызванная относительным смещением положительных и отрицательных ионов в ионных кристаллах (например, NaCl).

Если кристалл или молекула состоит из атомов более чем одного вида, распределение зарядов вокруг атома в кристалле или молекуле склоняется к положительному или отрицательному.В результате, когда колебания решетки или молекулярные колебания вызывают относительные смещения атомов, центры положительных и отрицательных зарядов также смещаются. На расположение этих центров влияет симметрия смещений. Когда центры не совпадают, в молекулах или кристаллах возникают поляризации. Эта поляризация называется ионной поляризацией .

Ионная поляризация вызывает как сегнетоэлектрический эффект, так и диполярную поляризацию. Сегнетоэлектрический переход, который вызывается совмещением ориентаций постоянных диполей вдоль определенного направления, называется фазовым переходом порядок-беспорядок .Переход, вызванный ионной поляризацией в кристаллах, называется фазовым переходом смещения .

Диэлектрическая дисперсия

В физике диэлектрическая дисперсия — это зависимость диэлектрической проницаемости диэлектрического материала от частоты приложенного электрического поля. Поскольку существует задержка между изменениями поляризации и изменениями электрического поля, диэлектрическая проницаемость диэлектрика является сложной функцией частоты электрического поля.Диэлектрическая дисперсия очень важна для применения диэлектрических материалов и для анализа систем поляризации.

Это один из примеров общего явления, известного как материальная дисперсия: частотно-зависимый отклик среды на распространение волн.

Когда частота становится выше:

1. диполярная поляризация больше не может следовать за колебаниями электрического поля в микроволновом диапазоне около 10 ¹⁰ Гц;
2. ионная поляризация и поляризация молекулярного искажения больше не могут отслеживать электрическое поле за пределами инфракрасной или дальней инфракрасной области около 10 ¹³ Гц,;

Электронная поляризация

3. теряет свой отклик в ультрафиолетовой области около 10 ¹⁵ Гц.

В области частот выше ультрафиолета диэлектрическая проницаемость приближается к постоянной ε ₀ в каждом веществе, где ε ₀ — диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Поскольку диэлектрическая проницаемость указывает на силу связи между электрическим полем и поляризацией, если процесс поляризации теряет свой отклик, диэлектрическая проницаемость уменьшается.

Диэлектрическая релаксация

Диэлектрическая релаксация — это мгновенная задержка (или запаздывание) диэлектрической проницаемости материала.Обычно это вызвано задержкой молекулярной поляризации по отношению к изменяющемуся электрическому полю в диэлектрической среде (например, внутри конденсаторов или между двумя большими проводящими поверхностями). Диэлектрическую релаксацию при изменении электрических полей можно рассматривать как аналог гистерезиса при изменении магнитных полей (для индукторов или трансформаторов). Релаксация в целом представляет собой задержку или запаздывание отклика линейной системы, и поэтому диэлектрическая релаксация измеряется относительно ожидаемых линейных устойчивых (равновесных) значений диэлектрической проницаемости.Промежуток времени между электрическим полем и поляризацией подразумевает необратимую деградацию свободной энергии Гиббса.

В физике диэлектрическая релаксация относится к релаксационной реакции диэлектрической среды на внешнее колеблющееся электрическое поле. Эта релаксация часто описывается в терминах диэлектрической проницаемости как функции частоты, которая для идеальных систем может быть описана уравнением Дебая. С другой стороны, искажение, связанное с ионной и электронной поляризацией, демонстрирует поведение резонансного или осцилляторного типа.Характер процесса искажения зависит от структуры, состава и окружения образца.

Дебай релакс

Релаксация Дебая — это реакция диэлектрической релаксации идеальной невзаимодействующей совокупности диполей на переменное внешнее электрическое поле. Обычно она выражается в комплексной диэлектрической проницаемости ε среды как функции частоты поля ω :

, где ε _∞ — диэлектрическая проницаемость на верхнем пределе частоты, Δ ε = ε _с — ε _∞ , где ε _с — статическая низкочастотная диэлектрическая проницаемость. , τ — характерное время релаксации среды.

Эта модель релаксации была введена и названа в честь физика Питера Дебая (1913). ^[6]

Варианты уравнения Дебая

Это уравнение используется, когда пик дилектрических потерь показывает симметричное уширение

Это уравнение используется, когда пик дилектрических потерь показывает асимметричное уширение

Это уравнение учитывает как симметричное, так и асимметричное расширение

Параэлектричество

Параэлектричество — это способность многих материалов (особенно керамики) поляризоваться под действием приложенного электрического поля.В отличие от сегнетоэлектричества, это может произойти, даже если в материале нет постоянного электрического диполя, а удаление полей приводит к тому, что поляризация в материале возвращается к нулю. ^[7] Механизмы, которые вызывают параэлектрическое поведение , — это искажение отдельных ионов (смещение электронного облака от ядра) и поляризация молекул или комбинации ионов или дефектов.

Параэлектричество может возникать в кристаллических фазах, где электрические диполи не выровнены и, таким образом, обладают потенциалом выравнивания во внешнем электрическом поле и его ослабления.

Примером параэлектрического материала с высокой диэлектрической проницаемостью является титанат стронция.

Кристалл LiNbO ₃ является сегнетоэлектрическим ниже 1430 К, а выше этой температуры он переходит в неупорядоченную параэлектрическую фазу. Точно так же другие перовскиты также проявляют параэлектричество при высоких температурах.

Параэлектричество исследовалось как возможный механизм охлаждения; поляризация параэлектрика посредством приложения электрического поля в условиях адиабатического процесса повышает температуру, а удаление поля снижает температуру. ^[8] Тепловой насос, который работает за счет поляризации параэлектрика, позволяя ему вернуться к температуре окружающей среды (рассеивая дополнительное тепло), приводя его в контакт с охлаждаемым объектом и, наконец, деполяризуя его, приведет к охлаждению .

Возможность настройки

Перестраиваемые диэлектрики — это изоляторы, способность которых накапливать электрический заряд изменяется при приложении напряжения. ^{[9] [10]}

Обычно титанат стронция (SrTiO
3) используется для устройств, работающих при низких температурах, а титанат бария-стронция (Ba
1-xSr
xTiO
3) заменяет устройства при комнатной температуре.Другие потенциальные материалы включают микроволновые диэлектрики и композиты из углеродных нанотрубок (УНТ). ^{[9] [11] [12]}

В 2013 году многослойные слои титаната стронция, чередующиеся с отдельными слоями оксида стронция, дали диэлектрик, способный работать на частоте до 125 ГГц. Материал был создан методом молекулярно-лучевой эпитаксии. У этих двух кристаллов несовпадение расстояния между кристаллами, что создает напряжение в слое титаната стронция, что делает его менее стабильным и настраиваемым. ^[9]

Такие системы, как Ba
1-xSr
xTiO
3, имеют переход параэлектрик – сегнетоэлектрик чуть ниже температуры окружающей среды, что обеспечивает высокую настраиваемость. Такие пленки несут значительные потери из-за дефектов.

Приложения

Конденсаторы

Разделение зарядов в конденсаторе с параллельными пластинами вызывает внутреннее электрическое поле. Диэлектрик (оранжевый) уменьшает поле и увеличивает емкость.

В промышленных конденсаторах обычно используется твердый диэлектрический материал с высокой диэлектрической проницаемостью в качестве промежуточной среды между накопленными положительными и отрицательными зарядами.Этот материал часто называют в техническом контексте диэлектриком конденсатора . ^[13]

Наиболее очевидным преимуществом использования такого диэлектрического материала является то, что он предотвращает прямой электрический контакт проводящих пластин, на которых хранятся заряды. Однако более важно то, что высокая диэлектрическая проницаемость позволяет хранить больший заряд при заданном напряжении. Это можно увидеть, рассматривая случай линейного диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε и толщиной d между двумя проводящими пластинами с однородной плотностью заряда σ _ε .В этом случае плотность заряда равна

и емкость на единицу площади на

Из этого легко увидеть, что большее значение ε приводит к большему накопленному заряду и, следовательно, большей емкости.

Диэлектрические материалы, используемые для конденсаторов, также выбираются так, чтобы они были стойкими к ионизации. Это позволяет конденсатору работать при более высоких напряжениях до того, как изолирующий диэлектрик ионизируется и пропускает нежелательный ток.

Диэлектрический резонатор

Основная статья: диэлектрический резонатор

Генератор с диэлектрическим резонатором (DRO) представляет собой электронный компонент, который демонстрирует резонанс поляризационного отклика для узкого диапазона частот, обычно в микроволновом диапазоне. Он состоит из керамической «шайбы» с большой диэлектрической проницаемостью и низким коэффициентом рассеяния. Такие резонаторы часто используются для задания частоты в цепи генератора. Неэкранированный диэлектрический резонатор можно использовать в качестве антенны диэлектрического резонатора (DRA).

Некоторые практические диэлектрики

Диэлектрические материалы могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Кроме того, высокий вакуум также может быть полезным диэлектриком почти без потерь, даже если его относительная диэлектрическая проницаемость равна всего единице.

Твердые диэлектрики, возможно, являются наиболее часто используемыми диэлектриками в электротехнике, а многие твердые тела являются очень хорошими изоляторами. Некоторые примеры включают фарфор, стекло и большинство пластмасс. Воздух, азот и гексафторид серы — три наиболее часто используемых газообразных диэлектрика.

• Промышленные покрытия, такие как парилен, создают диэлектрический барьер между подложкой и окружающей средой.
• Минеральное масло широко используется в электрических трансформаторах в качестве жидкого диэлектрика и для охлаждения. Диэлектрические жидкости с более высокой диэлектрической проницаемостью, такие как касторовое масло для электротехнического качества, часто используются в высоковольтных конденсаторах, чтобы предотвратить коронный разряд и увеличить емкость.
• Поскольку диэлектрики сопротивляются току электричества, поверхность диэлектрика может удерживать скрученных избыточных электрических зарядов.Это может произойти случайно при трении диэлектрика (трибоэлектрический эффект). Это может быть полезно, как в генераторе Ван де Граафа или электрофоре, или может быть потенциально разрушительным, как в случае электростатического разряда.
• Специально обработанные диэлектрики, называемые электретами (которые не следует путать с сегнетоэлектриками), могут сохранять избыточный внутренний заряд или «замораживать» поляризацию. Электреты обладают полупостоянным электрическим полем и являются электростатическим эквивалентом магнитов.Электреты находят множество практических применений в быту и промышленности.
• Некоторые диэлектрики могут создавать разность потенциалов при воздействии механического напряжения или (что эквивалентно) изменять физическую форму, если к материалу приложено внешнее напряжение. Это свойство называется пьезоэлектричеством. Пьезоэлектрические материалы — еще один класс очень полезных диэлектриков.
• Некоторые ионные кристаллы и полимерные диэлектрики обладают спонтанным дипольным моментом, который может быть изменен внешним приложенным электрическим полем.Такое поведение называется сегнетоэлектрическим эффектом. Эти материалы аналогичны поведению ферромагнитных материалов во внешнем магнитном поле. Сегнетоэлектрические материалы часто имеют очень высокую диэлектрическую проницаемость, что делает их весьма полезными для конденсаторов.

См. Также

Список литературы

1. ↑ ^{1.0 1.1 1.2} Цитата из Британской энциклопедии : « Диэлектрик, изоляционный материал или очень плохой проводник электрического тока.Когда диэлектрики помещены в электрическое поле, в них практически не протекает ток, потому что, в отличие от металлов, они не имеют слабосвязанных или свободных электронов, которые могут дрейфовать через материал ».
   • «Диэлектрики (физика)». Британника . 2009. с. 1. Проверено 12 августа 2009.
2. ↑ Артур Р. фон Хиппель в своей основополагающей работе « Диэлектрические материалы и приложения » заявил: « Диэлектрики …это не узкий класс так называемых изоляторов, а широкий простор неметаллов , рассматриваемых с точки зрения их взаимодействия с электрическими, магнитными или электромагнитными полями. Таким образом, мы имеем дело с газами, а также с жидкостями и твердыми телами, а также с накоплением электрической и магнитной энергии, а также с ее рассеянием ». (Technology Press of MIT и John Wiley, NY, 1954).
3. ↑ Дж. Дейнтит (1994). Биографическая энциклопедия ученых .CRC Press. п. 943. ISBN 0-7503-0287-9 .
4. ↑ Джеймс, Фрэнк А.Дж.Л., редактор. Переписка Майкла Фарадея, том 3, 1841–1848, «Письмо Уильяма Уэвелла Фарадею 1798 года, стр. 442». Институт инженеров-электриков, Лондон, Соединенное Королевство, 1996. ISBN 0-86341-250-5
5. ↑ СВЧ-техника — Р.С. Рао (проф.) . Проверено 8 ноября 2013.
6. ↑ П. Дебай (1913), Ver. Втор. Phys. Гезелл. 15, 777; переиздано в 1954 году в сборнике статей Питера Дж. У. Debye Interscience, Нью-Йорк,
7. ↑ Чан, Ю. и др .: Physical Ceramics, John Wiley & Sons 1997, Нью-Йорк
8. ↑ Kuhn, U .; Люти, Ф. (1965). «Параэлектрический нагрев и охлаждение ОН — диполями в галогенидах щелочных металлов». Твердотельная связь . 3 (2): 31. DOI: 10.1016 / 0038-1098 (65)

-8.

9. ↑ ^{9,0 9,1 9,2} «Самокорректирующийся кристалл может привести к следующему поколению усовершенствованных коммуникаций». KurzweilAI. DOI: 10,1038 / природа12582. Проверено 8 ноября 2013.
10. ↑ Ли, К.ЧАС.; Орлов, Н. Д .; Birol, T .; Zhu, Y .; Goian, V .; Rocas, E .; Haislmaier, R .; Vlahos, E .; Mundy, J. A .; Куркутис, Л. Ф .; Nie, Y .; Biegalski, M.D .; Zhang, J .; Bernhagen, M .; Бенедек, Н. А .; Kim, Y .; Brock, J.D .; Uecker, R .; Xi, X. X .; Гопалан, В .; Нужный, Д .; Kamba, S .; Мюллер, Д. А .; Takeuchi, I .; Бут, Дж. С .; Fennie, C.J .; Шлом, Д. Г. (2013). «Использование размерности и устранение дефектов для создания перестраиваемых микроволновых диэлектриков». Природа . 502 (7472): 532–536.DOI: 10,1038 / природа12582. PMID 24132232.
11. ↑ «Электрически перестраиваемые диэлектрические материалы и стратегии улучшения их характеристик». Успехи материаловедения . 55 : 840–893. 2010-11-30. DOI: 10.1016 / j.pmatsci.2010.04.004. Проверено 8 ноября 2013.
12. ↑ Гьер, А.; Zheng, Y .; Maune, H .; Сазегар, М .; Paul, F .; Чжоу, X .; Binder, J. R .; Muller, S .; Якоби, Р. (2008). «Перестраиваемые диэлектрики для микроволновых приложений». 2008 17-й Международный симпозиум IEEE по применению сегнетоэлектриков . п. 1. DOI: 10.1109 / ISAF.2008.4693753. ISBN 978-1-4244-2744-4 .
13. ↑ Mussig & Hans-Joachim, Полупроводниковый конденсатор с оксидом празеодима в качестве диэлектрика , U.S. Патент 7,113,388, опубликованный 06.11.2003, выдан 18.10.2004, передан IHP GmbH — Innovations for High Performance Microelectronics / Institute Fur Innovative Mikroelektronik

Дополнительная литература

Внешние ссылки

.