Твердые тела и свойства диэлектриков

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Реферат

Твердые тела и свойства диэлектриков

Содержание

Введение

Свойства диэлектриков

Поляризация диэлектриков

Виды поляризации диэлектриков

Сегнетоэлектрики

Список литературы

агрегатное состояние поляризация диэлектрик сегнетоэлектрик

Введение

Твёрдое тело -- это одно из четырёх агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия.

Различают кристаллические и аморфные твёрдые тела. Кристаллы характеризуются пространственною периодичностью в расположении равновесных положений атомов.

В аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек. Согласно классическим представлениям, устойчивым состоянием (с минимумом потенциальной энергии) твёрдого тела является кристаллическое. Атомы и молекулы, составляющие твёрдое тело, плотно упакованы вместе. Другими словами, молекулы твёрдого тела практически сохраняют своё взаимное положение относительно других молекул и удерживаются между собой межмолекулярным взаимодействием.

Кристаллическая структура состоит из элементарных ячеек, набора атомов расположенных в особенном порядке, который периодически повторяется во всех направлениях пространственной решётки. Расстояния между элементами этой решётки в различных направлениях называют параметром этой решётки. Кристаллическая структура и симметричность играют роль в определении множества свойств, таких как спайность кристалла, электронная зонная структура и оптические свойства.

При применении достаточной силы любое из этих свойств может быть нарушено, вызывая остаточную деформацию.

Твёрдые тела обладают тепловой энергией, следовательно их атомы совершают колебательное движение. Тем не менее это движение незначительно и не может наблюдаться или быть почувствованным при нормальных условиях.

Выделяют твёрдые тела с ионной, ковалентной, металлической и другими типами связи между атомами. Электрические и некоторые другие свойства твердых тел, в основном, определяются характером движения внешних электронов его атомов.

По виду зонной структуры твёрдые тела классифицируют на проводники, полупроводники и диэлектрики.

проводники -- зона проводимости и валентная зона перекрываются, таким образом электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию. Таким образом, при приложении к твердому телу разности потенциалов, электроны смогут свободно двигаться из точки с меньшим потенциалом в точку с большим, образуя электрический ток. К проводникам относят все металлы.

полупроводники -- зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет менее 4эВ. Для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые (собственные, нелегированные) полупроводники слабо пропускают ток.

диэлектрики -- зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет более 4эВ. Таким образом, для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят.

Свойства диэлектриков

Физико-химические свойства диэлектриков

Физико-механические, электроизоляционные и химические свойства многих диэлектрических материалов в значительной степени зависят от их способности поглощать влагу из окружающей среды. Это связано с гигроскопичностью материалов и их влагопроницаемостью, т.е. способностью пропускать через себя влагу.

Влагостойкость диэлектрика, т.е. устойчивость его параметров таких как удельное электрическое сопротивление, тангенс угла диэлектрических потерь, электрическая прочность, сопротивление изоляции и др. определяется при воздействии на него влажной атмосферы, имеющей параметры, задаваемые эксплуатационными характеристиками материала (или изделия) и действующими стандартами на проведение соответствующих испытаний. Вместе с тем оценивают влагопоглощение исследуемого образца,%

Wа= 100 (mt-m) / m,

Где m - начальная масса образца, mt - масса образца после его выдержки в течение времен и t во влажной атмосфере.

Водостойкость и водопоглощение определяют также по измению указанных параметров диэлектрика после (или в процессе) выдержки его в дистиллированной воде.

Для электро- и радиоэлектронного оборудования, используемого в условиях тропического климата важно оценить способность электроизоляционных материалов работать при сочетании высокой влажности воздуха и повышенной температуры. В условиях тропического климата материалы могут подвергаться также воздействию интенсивной солнечной радиации, грибковой плесени, насекомых и грызунов, а в приморских районах воздействию соленых туманов. Поэтому материалы, предназначенные для работы в условиях влажного тропического климата, должны проверяться на способность к сохранению электроизоляционных и физико-механических свойств в заданных пределах.

Надежная работа диэлектриков в различном оборудовании в указанных условиях должна обеспечиваться не только выбором соответствующих материалов, но и использованием специальной защиты от проникновения влаги как для материалов и компонентов на их основе, так и для всего оборудования в целом (гидрофобизация защитными покрытиями и оболочками, капсулирование и др. виды герметизации).

Термические свойства диэлектриков

Допустимая рабочая температура диэлектрика определяется совокупностью важнейших термических свойств материала к которым относятся теплопроводность, теплоемкость, плавление и размягчение материала, тепловое расширение, нагревостойкость, стойкость к термоударам.

Теплопроводность - процесс переноса теплоты от более нагретых частей к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры. Теплота, выделяющаяся из нагретых проводников, магнитопроводов и в электрической изоляции вследствие диэлектрических потерь переходит через различные материалы в окружающую среду.

Теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности материала

l [Вт/(мЧК) или Вт/(мЧ°С)]

Для справки приведем коэффициент теплопроводности некоторых материалов l [Вт/(мЧК]:

воздух - 0,05; гетинакс- 0,35; фарфор- 1,6; кристаллический кварц- 12,5; окись магния-30; кремний- 80; медь-390; серебро- 415.

Теплоемкость определяет количество теплоты, необходимое для нагревания (или охлаждения) вещества определенной массы до заданной температуры. Теплоемкость С [Дж/(кгЧK)] входит в уравнение

Q=Cm(T-T0),

где Q- количество тепла, необходимое для нагрева тела с массой m от температуры Т0 до Т.

При нормальных температурах удельная теплоемкость некоторых групп диэлектриков имеет значения (Дж/(кгЧK)): щелочные и алюмосиликатные стекла - 300ё1000; электротехнический фарфор и стеатит - 800ё900; органические полимеры - 1200ё2200; нефтяные электроизоляционные масла- 1800ё2500; вода- 4200.

Температура плавления Тпл (К) является характерным параметром для твердых кристаллических диэлектриков.

Температура размягчения Тразм (К), определяемая по специальной методике (по Вику или Мартенсу), характеризует переход аморфных материалов в определенном интервале температур из твердого состояния в жидкое.

Термическое расширение оценивается температурным коэффициентом линейного расширения

ТКl=1/lЧdl/dT (K-1)

и температурным коэффициентом объема

ТКV=1/VЧdV/dT (K-1).

Отметим, что ТКV=3ТКl. У большинства диэлектриков значение ТКl изменяется в пределах (0,3ё20) Ч10 К-1. Кварцевое стекло имеет очень малое значение ТКl (5,5Ч10--7), поэтому оно не разрушается при резких перепадах температур.

Нагревостойкость (согласно определению Б.М Тареева) это способность электроизоляционного материала (или электроизоляционной конструкции) без повреждения и без существенного ухудшения практически важных свойств выдерживать воздействие повышенной температуры как кратковременно, так и длительно (в течение времени, сравниваемого с нормальной продолжительностью эксплуатации данного изделия).

Холодостойкость. Многие электроизоляционные материалы при низких температурах теряют присущую им при нормальных условиях гибкость и эластичность. Поэтому для изоляции оборудования, работающего при низких температурах, например от -60 до -70°С, важна холодостойкость, т.е способность работать при таких температуарах без ухудшения эксплуатационных характеристик и надежности.

Механические свойства диэлектриков

Параметры электротехнических изделий или аппаратуры и компонентов радиоэлектроники в значительной степени зависят от механических свойств материалов- прочности на растяжение, сжатие, изгиб, удар, от твердости, эластичности. К материалам, применяемых в различных видах транспорта, авиационно-космической технике и т.д. предъявляют также требование вибрационной устойчивости при различных частотах колебаний и амплитудах.

В системе единиц СИ значения предела прочности при растяжении sр, сжатии sс , и изгибе sи выражаются в паскалях

1 Па=1 Н/м2»10-5 кгс/см2 .

Анизотропные, слоистые и волокнистые диэлектрики имеют различные значения механической прочности при приложения нагрузки в разных направлениях. В то время как в металлах механические характеристики на сжатие, разрыв, изгиб одного порядка в некоторых диэлектриках напряжения сжатия значительно превышают напряжения растяжения. Например, у кварцевого стекла разница примерно в 4 раза (sс»200 МПа).

У некоторых материалов под действием нагрузки, прикладываемой в течение длительного времени, например у фторопласта-4, наблюдается пластическое или холодное течение, связанное с изменением формы и размеров, что нежелательно при эксплуатации.

Многие электроизоляционные материалы (стекла, керамика, некоторые пластмассы) отличаются хрупкостью, т.е способностью разрушаться без заметной пластической деформации. Хрупкость материала можно оценить, подвергая материал испытанию на ударный изгиб. При этом определяется параметр, называемый ударной вязкостью sуд (энергия затраченная на излом образца, отнесенная к площади поперечного сечения образца). В системе СИ sуд измеряется в Дж/м2.

Для керамических материалов ударная вязкость составляет всего 2-5 кДж/м2 в то время как у полиэтилена она превышает 100 кДж/м2.

Вязкость жидких и полужидких электроизоляционных материалов является важной механической характеристикой. Вязкость - это свойство вещества оказывать сопротивление перемещению одной части относительно другой.

Динамическая вязкость (коэффициент внутреннего трения) h в системе СИ измеряется в паскалях, умноженных на секунды, в системе СГС в сантипуазах:

1 ПаЧс= 10 П=1000 сП.

Кинематическая вязкость hк =h/d, м2/с, где d - плотность. Соотношение между системами единиц в СИ и СГС следующее:

1 м2/с=104 Ст.

Поляризация диэлектриков

Поляризация - состояние диэлектрика, при котором элементарный объем материала приобретает электрический момент (под действием электрического поля, механических напряжений или спонтанно в сегнетоэлектриках).

Поляризованность - количественная характеристика поляризации, определяющая ее интенсивность - вычисляется как P = dp/dV - отношение электрического момента dp элемента диэлектрика к объему этого элемента. [Кл/м2].

P = e0(e-1)E = e0чE. - для большинства диэлектриков (кроме сегнетоэлектриков) в слабых электрических полях. ч - диэлектрическая восприимчивость.

Любой диэлектрик с нанесенными на него электродами, включенный в электрическую цепь, можно рассматривать как конденсатор (рисунок 2.1) .

Рис. 2.1. Конденсатор с диэлектриком

Q0 - заряд на обкладках конденсатора. Qд - заряд, возникающий на краях диэлектрика из-за поляризации в электрическом поле.

Полный заряд конденсатора с диэлектриком: Q = Q0 + Qд = e* Q0

e - относительная диэлектрическая проницаемость - отношение суммарного заряда конденсатора с диэлектриком к заряду конденсатора в вакууме без диэлектрика м/у его обкладками : e = Q/Q0 = (Qд+Q0)/Q0 = 1+ Qд/Q0

eа = ee0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость. e0 = 8.854*10-12 Ф/м - электрическая постоянная.

Виды поляризации диэлектриков

Быстрые поляризации

Это упругие поляризации, которые происходят практически мгновенно, без рассеяния энергии приложенного электрического поля, то есть без выделения тепла в диэлектрике. Быстрые поляризации обусловленные упруго связанными частицами.

Электронная поляризация

Электронная поляризация - это смещение электронного облака относительно центра ядра атома или иона (рисунок 2.2). Наблюдается во всех без исключения диэлектриках. Единственным видом поляризации электронная поляризация является в неполярных диэлектриках. Время протекания поляризации 10-14 - 10-15с.

Рис. 2.2. Упрощенная схема электронной поляризации

У неполярных диэлектриков e уменьшается из-за теплового расширения диэлектрика и уменьшения числа частиц в единице объема (рисунок 2.3).



Рис. 2.3. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры для неполярных диэлектриков Состояния: 1 - твердое, 2 - жидкое, 3 - газообразное

У неполярных диэлектриков на частотах порядка 1014 - 1016 Гц. наблюдается резонансная дисперсия e связанная с резонансной поляризацией (рисунок 2.4)

Рис. 2.4. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для неполярных диэлектриков

Ионная поляризация

Ионная поляризация проявляется в смещении друг относительно друга упруго связанных разноименно заряженных ионов на расстояния меньше периода кристаллической решетки (рисунок 2.5). Время ионной поляризации на 2 - 3 порядка больше электронной поляризации.



Рис. 2.5. Идеализированная схема расположения ионов каменной соли:

-- в узлах решетки в отсутствие электрического поля, б -- смещенные из узлов на небольшие расстояния при воздействии поля.

Диэлектрическая проницаемость увеличивается с ростом температуры для неорганических стекол различного состава, для керамического материала - электротехнического фарфора, содержащего большое количество стекловидной фазы.

Замедленные поляризации

Это релаксационные поляризации, которые происходят не мгновенно, с рассеянием (потерями) энергии приложенного электрического поля, с выделением тепла в материале. Замедленные поляризации обусловленные слабо связанными частицами .

Дипольно-релаксационная поляризация

При дипольной поляризации диполи ориентируются под действием поля.

Увеличение температуры приводит к ослаблению молекулярных сил вследствие чего поляризация может усилиться (рисунок 2.6), но при этом растет энергия теплового движения молекул и ориентирующее влияние поля уменьшается, приводя к спаду проницаемости. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты для жидкого полярного диэлектрика при различных температурах показана на рисунке 2.7. После некоторой частоты диполи не успевают ориентироваться по полю и диэлектрическая проницаемость уменьшается.

Рис. 2.6. Зависимость диэлектрической проницаемости полифенилсилоксановой жидкости от температуры для различных частот

Рис. 2.7. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты жидкого полярного диэлектрика при различных температурах

Ионно-релаксационная поляризация

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в диэлектриках с ионным типом химических связей. Слабо связанные ионы вещества под действием приложенного электрического поля смещаются на расстояния, превышающие постоянную кристаллической решетки.

Электронно-релаксационная поляризация

Электронно-релаксационная поляризация характерна для твердых диэлектриков, содержащих дефекты или примесные ионы, способные захватывать электроны. Такие захваченные на "ловушках" электроны или дырки при отсутствии электрического поля могут под действием тепловых флуктуаций переходить из одного вероятного положения в другое. Время релаксации данного механизма поляризации при комнатной температуре 10-2 - 10-7с.

Этот вид поляризации существенную роль играет в поликристаллической керамике типа рутила TiO2, перовскита CaTiO3, в керамических материалах, изготовленных на основе сложных оксидов титана, циркония, ниобия, тантала, свинца, церия, висмута.

Миграционная поляризация

Миграционная поляризация наблюдается в неоднородных диэлектриках, имеющих проводящие и полупроводящие включения, слои с различной проводимостью и т.п. При внесении неоднородных диэлектриков в электрическое поле свободные заряды смещаются и концентрируются на граничных слоях включений, в приэлектродных слоях и т.д., образуя пространственные заряды, поле которых внешне проявляет себя как "дополнительный" механизм поляризации.

Спонтанная поляризация

Фазовые переходы, при которых неполярные вещества самопроизвольно (спонтанно) переходят в полярное состояние называют сегнетоэлектрическими, а сам процесс перехода в новое состояние спонтанной поляризацией. Для сегнетоэлектриков характерны зависимости диэлектрической проницаемости от температуры с резко выраженным максимумом, который наблюдается вблизи точки перехода - точки Кюри Тк (рисунок 2.8). Характерные свойства сегнетоэлектриков обусловлены наличием у них доменной структуры - взаимосвязанных микрообластей, в пределах которых векторы поляризации структурных ячеек имеют одинаковое направление.



Рис. 2.8. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры вдоль осей a и c для BaTiO3

Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектриками (от назв. сегнетовой соли по фамилии синтезировавшего ее П. Сеньета, P. Seignette), называются вещества, обладающие спонтанной электрической поляризацией, которая может быть обращена приложением электрического поля E подходящей величены и определенного направления. Этот процесс, называемый переполяризацией, сопровождается диэлектрическим гистерезисом. Сегнетоэлектрики во многих отношениях являются электрическим аналогами ферромагнетиков, в которых намагниченность I может быть обращена магнитным полем H. Однако по своей микроскопической природе сегнетоэлектрики и ферромагнетики совершенно различны.

Сегнетоэлектрики отличаются большой диэлектрической проницаемостью, высоким пьезомодулем, наличием петли диэлектрического гистерезиса, интересными электрооптическими свойствами, и поэтому широко применяется во многих областях современной техники: радиотехнике, электроакустике, квантовой электронике и измерительной технике.

Тремя наиболее яркими особенностями сегнетоэлектриков являются обратимая поляризация, «аномальные» свойства и нелинейности.

Специфические свойства сегнетоэлектриков проявляются лишь в определенном диапазоне температур. В процессе нагревания выше некоторой температуры происходит распад доменной структуры и электрик переходит в параэлектрическое состояние. Температура Тк такого фазового перехода получила название сегнетоэлектрической точки Кюри. В точке Кюри спонтанная поляризованность исчезает, а диэлектрическая проницаемость достигает своего максимального значения.

Разделяющие доменные стенки могут перемещаться внутри монокристалла; при этом одни домены увеличиваются, а другие уменьшаются. Теоретически было рассчитано Ландауэром и другими, что в титанате бария необходимое для переполяризации монокристалла поле должно составлять около 200 кВ/см, однако практически переполяризация легко осуществляется в поле порядка 1 кВ/см, очевидно, благодаря тому, что в кристалле всегда присутствуют небольшие домены с обратным направлением поляризации. При переполяризации эти домены растут либо за счет перемещения доменных стенок, либо за счет некоторого сходного процесса.

В монокристалле относительная ориентация электрических моментов доменов определяется симметрией кристаллической решетки. Например, в тетрагональной модификации титаната бария (BaTiO3) возможны шесть направлений спонтанной поляризованности: антипараллельных или перпендикулярных друг другу. Соответственно для этого случая различают 180-градусные и 90-градусные доменные границы. Энергетически наиболее выгодной является такая структура, при которой обеспечивается электрическая нейтральность доменных границ, т. е. проекция вектора поляризации на границу со стороны одного домена должна быть равна по длине и противоположна по направлению проекции вектора поляризации со стороны соседнего домена. По этой причине электрические моменты доменов ориентируются по принципу «голова» к «хвосту». Установлено, что линейные размеры доменов составляют от 10-4 до 10-1 см.

В поликристаллическом сегнетоэлектрике в каждом кристалле могут существовать несколько доменов. Различным направлениям поляризации соответствуют не только слегка отличающиеся положения некоторых ионов в элементарной ячейке, но часто также и различные изменения формы самой ячейки.

Внешнее электрическое поле изменяет направления электрических моментов доменов, что создает эффект очень сильной поляризации. Этим объясняются свойственные сегнетоэлектрикам сверхвысокие значения диэлектрической проницаемости (до сотен тысяч). Доменная поляризация связана с процессами зарождения и роста новых доменов за счет смещения доменных границ, которые в итоге вызывают переориентацию вектора спонтанной поляризованности в направлении внешнего электрического поля.

Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является нелинейная зависимость их электрической индукции от напряженности электрического поля, показанная на рис. При воздействии слабого электрического поля связь между D и Е носит приблизительно линейный характер (участок ОА). На этом участке преобладают процессы обратимого смещения (флуктуации) доменных границ. В области более сильных полей (область АВ) смещение доменных границ носит необратимый характер. При этом разрастаются домены с преимущественной ориентацией, у которых вектор спонтанной поляризации образует наименьший угол с направлением поля. При некоторой напряженности поля, соответствующей точке В, все домены оказываются ориентированными по полю. Наступает состояние технического насыщения. В монокристаллах состояние технического насыщения соответствует однодоменному состоянию. Некоторое возрастание индукции в сегнетоэлектрике на участке технического насыщения обусловлено процессами индуцированной (т. е. электронной и ионной) поляризации. Ее роль усиливается с повышением температуры. Кривую ОАВ называют основной кривой поляризации сегнетоэлектрика (кривая заряда сегнетоэлектрического конденсатора).

Если в поляризованном до насыщения образце уменьшить напряженность поля до нуля, то индукция в ноль не обратится, а примет некоторое остаточное значение Dr.

При воздействии полем противоположной полярности индукция быстро уменьшается и при некоторой напряженности поля изменяет свое направление.

Дальнейшее увеличение напряженности поля вновь переводит образец в состояние технического насыщения (точка С). Отсюда следует, что переполяризация сегнетоэлектрика в переменных полях сопровождается диэлектрическим гистерезисом. Напряженность поля Ер, при которой индукция проходит через ноль, называется коэрцитивной силой.

Диэлектрический гистерезис обусловлен необратимым смещением доменных границ под действием поля и свидетельствует о дополнительном механизме диэлектрических потерь, связанных с затратами энергии на ориентацию доменов. Площадь гистерезисной петли пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период. Вследствие потерь на гистерезис сегнетоэлектрики характеризуются весьма большим тангенсом угла диэлектрических потерь, который в типичных случаях принимает значение порядка 0,1.

Совокупность вершин гистерезисных петель, полученных при различных значениях амплитуды переменного поля, образует основную кривую поляризации сегнетоэлектрика.

Для большинства сегнетоэлектриков диэлектрическая проницаемость велика даже при температурах, не слишком близких к TK. Диэлектрическую проницаемость e можно измерить, нанеся на кристалл пару электродов и определив тем или иным путем его емкость в переменном электрическом поле.

Выше температуры перехода ТK температурная зависимость диэлектрической проницаемости часто хорошо апроксимируется законом Кюри-Вейса:

e= 4pС / (Т-Тс),

где С -- константа Кюри. Ниже температуры перехода e быстро уменьшается. Для веществ с переходом второго рода значения Тс и ТK обычно совпадают. Для других веществ Тс на несколько градусов ниже ТK.

Самое замечательное свойство состоит в том, что в сегнетоэлектриках существуют области одинаково направленной спонтанной поляризации -- сегнетоэлектрические домены. Под влиянием внешних воздействий сегнетоэлектрики могут переходить из многодоменного состояния в монодоменное. Это свойство сегнетоэлектриков используется для создания на их основе ЗУ ЭВМ. Многие сегнетоэлектрики обладают аномально высокими значениями диэлектрической проницаемости и пьезоэлектрических констант, сильной зависимостью физических свойств от температуры, достигающих экстремальных значений и максимальной нелинейности в окрестности точки фазового перехода сегнетоэлектрика в сегнетоэлектрическую фазу.

Список литературы

1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники, 2-е изд. -- М.: ВШ., 1986.

2. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики. Смоленский Т.А., Боков В.А., Крайник Н.Н., Пасынков Р.Е., Шур М.С. изд-во «Наука»., М, 1979.

3. Электроника: Энциклопедический словарь. Гл. ред. В.Г. Колесников, -- М.: Сов. Энциклопедия, 1991.

4. Епифанов Г.И. Физика твердого тела. М., 1997.

Размещено на Allbest.ru

...