Содержание

Проводники и диэлектрики в электротехнике имеют большое значение.

Все вещества условно, в зависимости от электрических свойств, делятся на две категории — проводники и ди­электрики.
В настоящий момент промышленность имеет огромный ассортимент проводников и диэлектриков (изоляторов). И их ассортимент постоянно растет.

Проводники

Проводники характеризуются хорошей электропроводностью, т. е. большим количеством свободных электрически заряженных частиц (электронов или ионов), которые могут перемещаться под действием сил поля по проводнику.

Проводники первого рода

Существуют два рода проводников. Проводниками -первого ро­да, в которых возможно перемещение только электронов, являют­ся металлы. В металлических проводниках электроны, располо­женные на внешних орбитах атомов, сравнительно слабо связаны с их ядрами, отчего часть электронов, оторвавшихся от своих ядер, перемещается между атомами, переходя из сферы действия одного ядра в сферу действия другого и заполняя пространство между ними наподобие газа.

Эти электроны -принято называть свободными электронами или электронами про­водимости. Свободные электроны находятся в состоянии бес­порядочного (теплового) движения в отличие от положительно заряженных ионов металла, составляющих остов проводника, об­ладающих весьма малой подвижностью и совершающих лишь не­большие колебания около своего среднего положения.

Проводники второго рода

В проводниках второго рода, называемых электролита­ми (водные растворы кислот, солей, щелочей и оснований), под действием растворителя молекулы вещества распадаются на от­рицательные и положительные ионы, которые подобно электро­нам в металлических проводниках могут перемещаться по всему объему проводника.

Диэлектрики

Вещества, число свободных электронов в которых ничтожно мало, называются непроводниками (диэлектриками или изоляторами).К ним относятся газы, часть жидких тел (мине­ральные масла, лаки) и почти все твердые тела, за исключением металлов и угля.


Лучшим непроводником электрического тока является вакуум. Газы, в том числе и воздух, также являются хорошими изоляторами.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Однако при некоторых условиях, например в сильном электри­ческом поле, происходит расщепление молекул диэлектрика на ионы, и вещество, которое при отсутствии электрического поля или в слабом поле было изолятором, становится проводником. Напряженность электрического поля, при которой начинается ио­низация молекул диэлектрика, называется пробивной на­пряженностью (электрической прочностью) диэлектрика. Величина напряженности электрического поля, которая допус­кается в диэлектрике при его использовании в электрической ус­тановке, называется допускаемой напряженностью. Допускаемая напряженность обычно в несколько раз меньше пробивной.

На электрические свойства газов оказывают сильное влияние давление и температура.

В качестве примера приведем значения пробивной напряженности в кв!см для некоторых диэлектриков:
воздух — 30,
масло минеральное (трансформаторное) — 50—150,
электрокартон — 100,
фарфор — 80-150,
слюда — 800-2000.

Проводники и диэлектрики 8 класс видео:

Электропроводность вещества, проводник, диэлектрик, полупроводник


Проводники и диэлектрики – это, в общем-то то, что нас и окружает. Но, обо всём по порядку.
В веществе, помещённом в электрическое поле, под действием сил этого поля возникает процесс движения свободных зарядов в направлении сил поля. Способность вещества переносить электрические заряды под действием электрического поля называется электропроводностью вещества.

Электропроводность вещества зависит от концентрации свободных электрических заряженных частиц. При высокой концентрации зарядов электропроводность вещества больше, чем при малой.

Все тела в зависимости от электропроводности можно разделить на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики (изоляторы).

Проводником принято называть такое тело, в объёме которого имеется много свободных зарядов. Зарядов, способных перемещаться внутри этого объёма. Различают проводники с электронной проводимостью (проводники первого рода) и проводники с ионной проводимостью (проводники второго рода).

К проводникам первого рода относятся все металлы и металлические сплавы. В объёме металлического тела имеется много свободных электронов, которые являются носителями электричества в таких проводниках. К проводникам второго рода относятся электролиты, представляющие собой водные растворы кислот, щелочей, солей и др. В электролитах носителями электричества являются ионы, на которые распадаются молекулы растворённого вещества.

Диэлектриками называются тела, в объёме которых содержится очень мало свободных электронов. Поэтому они почти не проводят электрический ток и говорят что у них очень низкая электропроводность вещества. К диэлектрикам относятся различные пластмассы, смолы, лаки, стекло, дерево и т. п.

К полупроводникам относятся такие тела, которые по своим проводящим свойствам занимают среднее положение между проводниками и диэлектриками. Например германий, кремний, селен и ряд искусственных соединений.

Стоит отметить, что чёткую границу между полупроводниками и диэлектриками или между полупроводниками и проводниками провести невозможно и отнесение того или другого вещества к одной из трёх категорий является весьма условным.

Проводники и диэлектрики в электростатическом поле

Как вы знаете из курса физики восьмого класса, все тела можно классифицировать, в соответствии с их способностью проводить электрический ток. Тело может являться проводником, полупроводником или диэлектриком. Проводниками называют тела, проводящие электричество, а диэлектриками называют тела, не проводящие электричество.

Полупроводники — это тела, которые меняют свои свойства проводимости в зависимости от внешних условий. Но о полупроводниках мы поговорим позже, а сегодня мы рассмотрим проводники и диэлектрики. Рассмотрим, что происходит с проводником, помещенным в электростатическое поле. Конечно, к проводникам, в первую очередь, относятся металлы, в которых существуют, так называемые, свободные заряды.

Свободные заряды — это электрические заряды, способные перемещаться внутри проводника. Как вы знаете, в металлах наблюдается металлическая связь. Нейтральные атомы металла начинают взаимодействовать друг с другом, в результате чего, некоторые электроны отрываются от атомов и становятся свободными. Эти электроны начинают участвовать в тепловом движении и могут перемещаться по всему проводнику в случайных направлениях. Иными словами, свободные электроны в проводнике ведут себя подобно молекулам газа. Поскольку все атомы изначально электрически нейтральны, если они теряют электрон, они становятся положительно заряженными ионами.

Таким образом, в проводниках наблюдается следующая картина: положительно заряженные ионы оказываются окружены так называемым электронным газом.

Конечно, не надо думать, что электроны образуют какой-то реальный газ. Просто их движение очень напоминает хаотическое движение молекул газа.

Рассмотрим случай, когда металлический проводник находится в однородном электростатическом поле.

Как вы знаете, под действием электрического поля свободные электроны приходят в упорядоченное движение (то есть, в проводнике возникает электрический ток). В результате одна сторона проводника заряжается отрицательно, а другая — положительно. Это явление называется электростатической индукцией. То есть электростатическая индукция — это явление наведения собственного электростатического поля под воздействием внешнего электрического поля.

Итак, из-за электростатической индукции, возникает другое электростатическое поле, создаваемое появившимися зарядами. По принципу суперпозиции полей, это поле накладывается на внешнее поле и компенсирует его. Из этого мы можем сделать очень важный вывод:

напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю:

Этот факт используется для создания электростатической защиты: чувствительные к электрическому полю приборы, помещаются в металлические ящики. В настоящее время даже некоторые виды спецодежды включают в себя современные электропроводящие материалы, которые создают внутри костюма замкнутое пространство, защищенное от воздействия электрических полей.

Впервые, эксперимент, подтверждающий отсутствие электростатического поля внутри проводника, провел Майкл Фарадей еще в 1836 году. По его указанию большую деревянную клетку оклеили листами оловянной фольги (которая является проводником). Предварительно клетку изолировали от земли и сильно зарядили ее (так что при приближении к ней тел, с ее поверхности вылетали искры).

Тем не менее, сам Фарадей совершенно спокойно находился внутри данной клетки. Более того, в его руках был исправный электроскоп, который показывал полное отсутствие электрического поля. Впоследствии, подобные конструкции получили название «клетка Фарадея».

Необходимо отметить еще один важный факт: вблизи поверхности (вне проводника) линии напряженности электростатического поля перпендикулярны этой поверхности.

Если бы это было не так, и какая-то линия напряженности была бы не перпендикулярна поверхности, то это привело бы к движению свободных зарядов. Такое движение продолжается до тех пор, пока все силовые линии не станут перпендикулярны поверхности проводника. Надо сказать, что весь статический заряд любого проводника находится на поверхности этого проводника. В этом легко убедиться, поскольку мы уже выяснили, что напряженность электростатического поля внутри проводника равна нулю. Следовательно, внутри проводника никакого заряда нет, поскольку в противном случае, он создавал бы отличную от нуля напряженность.

Теперь давайте поговорим о диэлектриках. Диэлектрики в электростатическом поле ведут себя иначе, чем проводники. Диэлектрики, наоборот, не проводят ток, но внутри них может существовать электрическое поле.

Дело в том, что в диэлектриках не возникают свободные заряды, поскольку между ядрами атомов и электронами существует довольно сильная связь. Приведем два классических примера распределения электрического заряда. Как вы знаете, ядро водорода состоит из одного протона, а вокруг этого протона вращается один электрон. В целом, атом электрически нейтрален. Электрон вращается вокруг протона с очень большой скоростью: за одну секунду он делает порядка 1015 оборотов. Это говорит нам о том, что каждую микросекунду электрон оказывается в любой точке своей орбиты миллионы раз. Поэтому, смело можно считать, что в среднем по времени центр распределения отрицательного заряда находится в центре атома, то есть совпадает с положительно заряженным ядром.

Тем не менее, есть и другие случаи. Например, молекула поваренной соли состоит из атома натрия и атома хлора. Из курса химии вы знаете, что атом хлора имеет 7 валентных электронов, а у атома натрия всего один валентный электрон. Поэтому, в процессе образования молекулы, атом хлора захватывает электрон натрия, в результате чего образуется система из двух ионов. Теперь центр распределения отрицательного заряда приходится на ион хлора, а центр распределения положительного заряда приходится на ион натрия. Тем не менее, в целом молекула остается электрически нейтральна. Подобные системы называются электрическими диполями.

Электрический диполь

В связи с этим, разделяют два вида диэлектриков: неполярные и полярные. Неполярные диэлектрики — это диэлектрики, состоящие из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают.

И наоборот, полярными диэлектриками называются диэлектрики, состоящие из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

О поляризации диэлектриков мы поговорим более подробно в одном из следующих уроков. А сейчас давайте рассмотрим величину, характеризующую свойство диэлектрической среды, которая называется диэлектрической проницаемостью. Эта величина показывает, во сколько раз кулоновская сила взаимодействия между двумя точечными зарядами в данной среде меньше, чем кулоновская сила взаимодействия этих же зарядов в вакууме:

Таким образом, мы можем записать закон кулона для произвольной среды:

В формулу добавляется диэлектрическая проницаемость, то есть, характеристика среды. Диэлектрические проницаемости многих сред измерены и сведены в таблицы. Эти величины измерены экспериментально, например, с помощью измерения кулоновских сил тех же зарядов в различных средах.

Проводники, диэлектрики, полупроводники

     Все вещества состоят из атомов и молекул, имеющих положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. Атомы и молекулы электрически нейтральны, так как заряд ядра равен суммарному заряду

электронов, окружающих ядро. При наличии внешних факторов (повышение температуры, электрическое поле и т. д.) атом или молекула теряет электрон. Этот атом превращается в положительный ион, а электрон, оторвавшийся от атома, может присоединиться к другому атому, превратив его в отрицательный ион, остаться свободным. Процесс образования ионов называют ионизацией. Количество свободных электронов или ионов в единице объема вещества называется концентрацией заряженных частиц. Таким образом, в веществе, которую поместили в электрическое поле, под действием сил поля возникает процесс движения свободных электронов или ионов в направлении сил поля, назвали электрическим током.

 

     Свойство вещества проводить ток под действием электрического поля называется электропроводностью вещества, которая зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. Чем больше концентрация заряженных частиц, тем больше электропроводность вещества. Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на:

1 Проводник. Обладают очень большой электропроводностью. Проводники делятся на две группы. К проводникам первой группе относятся металлы (медь, алюминий, серебро и т.д.) и их сплавы, в которых возможно перемещение только электронов. То есть в металлах электроны очень слабо связаны с ядрами атомов и легко от них отделяются. В металлах явление электрического тока связано с движением свободных электронов, которые обладают очень большой подвижностью и находятся в состоянии теплового движения. Эту электропроводность называют электронной. Проводники используются для изготовления проводов, ЛЭП, обмоток электрических машин и т.п.. К проводникам второй группе относятся водные растворы солей, кислот и т.д., которые называют электролитами. Под действием раствора молекулы вещества распадаются на положительные и отрицательные ионы, которые под действием электрического поля начнут перемещаться. Ионы электролита при прохождении тока начнут осаждатися на электродах, опущенных в электролит. Процесс выделения вещества из электролитов электрическим током называется электролизом. Его используют для добычи цветных металлов из растворов их соединений (медь, алюминий), а также для покрытия металлов защитным слоем другого металла (например, хромирование).

2 Диэлектрики (или электроизоляционные вещества). Вещества с очень малой электропроводностью (газы, резиновые вещества, минеральные масла и т.п.). В этих веществах электроны очень сильно связаны с ядрами атомов и под действием электрического поля редко отделяются от ядер. Т.е. диэлектрики не проводят электрический ток. Это их свойство используют при производстве электрозащитных средств: диэлектрические перчатки, обувь, коврики, изолирующие подставки, накладки, колпаки, изоляторы на электрооборудовании и т.п..

Диэлектрики могут быть: твердые, газообразные, жидкости.

 

3 Полупроводниковые (германий, селен, кремний). Это вещества, которые кроме электронной проводимости, имеют «дырочную» проводимость, которая в большой степени зависит от наличия внешних факторов: света, температуры, электрического или магнитного поля. Эти вещества имеют ковалентную связь (- это химическая связь между двумя электронами соседних атомов на одной орбите). Ковалентная связь очень непрочен. При наличии внешнего фактора он разрушается и появляются свободные электроны (электронная проводимость). В момент образования свободного электрона в ковалентной связи появляется свободный город – «электрона дыра» (эквивалентная протона), которая притягивает к себе электрон из соседнего ковалентной связи. Но тогда образуется новая «дыра», которая вновь притягивает к себе электрон из соседнего ковалентной связи и так далее. Т.е. под действием электрического поля перемещаются «дыры» в направлении поля (навстречу электронам) – движение протонов. Таким образом, при электронной проводимости – электрон проходит весь путь, а при «дырочной» – электроны поочередно замещаются по связям, каждый электрон проходит долю пути. При нарушении связей в полупроводниках одновременно возникает одинаковое количество электронов и «дырок». То есть, проводимость состоит из электронной и «дырочной» и называется собственной проводимостью полупроводника. Свойства полупроводников возможно изменить, если в них внести примеси других веществ. Тем самым увеличить ту или иную проводимость. Это используется в промышленной электронике: диоды, транзисторы, тиристоры. Используют, как усилители, выпрямители, электронные генераторы, стабилизаторы и тому подобное. Их преимущества: малая потеря энергии, стоимость, размер и масса, простота эксплуатации, большой срок работы. Недостаток: зависимость проводимости от температуры.


Электроника в пять шагов. Проводники, полупроводники и диэлектрики. | Робототехника

Это одна из тем, с которых лучше начинать знакомство с радиодеталями. Всё достаточно просто, до изобретения полупроводников вся электроника базировалась на других принципах, и основу усилительной техники составляли лампы.

Немного о лампах в электронике скажу так: они имеют лучшие усилительные свойства, в сравнении с полупроводниками, лучшую стабильность в работе, но есть ряд минусов – это большие размеры, большое потребление энергии, низкая надежность и большое время выхода на рабочий режим, плюс огромное тепловыделение.

А теперь непосредственно к нашей теме.

Проводники – все, что проводит электричество.

Проводники электрического тока. [current conductors] — вещества, обладающие высокой электропроводностью, т.е. низким удельным сопротивлением ρ.

Определение достаточно понятное. Для нас это: медь, алюминий, сталь, золото, серебро, дорожка на плате или металлический корпус, все, в основном, чем можно соединить источник и нагрузку. В радиодеталях это может быть медь (индуктивность), электролит (конденсатор), проводящая пленка (резистор). Сам человек может быть проводником только в поезде (шутка), пропускать через себя электрический ток можно, но не стоит – это опасно для здоровья.

Диэлектрики – материалы, которые имеют низкую проводимость (сухое дерево, виды пластика, воздух). Особенность в том, что они имеют бесконечное сопротивление (в реальности, ГОмы) и, по сути, пропускают наноамперы или еще меньшие токи. Но, как правило, суммарный ток утечки всегда есть. Все изолирующие вещества создаются из диэлектриков – изолента, пвх изоляция, и так далее.

Теперь, для примера, рассмотрим устройство резистора

Обратите внимание, что основной элемент резистора – это резистивный слой, тонкая пленочка, имеющая заданную удельную проводимость и, как итог, резистор имеет проводник и диэлектрик. Все остальное – вспомогательные элементы.

Конденсатор

Как видим, в основе опять взяты диэлектрик и проводник, в другом сочетании.

Катушка индуктивности – это, вообще, просто проводник в изоляторе. Только свернутый особым образом.

Единственное, чем дополнили катушку для уменьшения магнитного сопротивления – это ферромагнитный сердечник.

Как видите, основные детали – это сочетание проводников и диэлектриков.

А теперь переходим к самому интересному – полупроводникам. Всего их существует два типа: p- тип и n-тип. С точки зрения кристаллической решетки они имеют разную составляющую по основным носителям. Но здесь бы я не стал вдаваться в подробности, мы не студенты ВУЗа, к тому же все детали ужи придуманы. Наша задача – понять, как работает полупроводник, и это использовать.

Есть понятие p-n переход, и он критичен к правильности включения (полярность). То есть, от того, как он включен, зависит и протекание тока через него.

Начнем с того, что есть прямое включение, тогда переход открыт, и характеристика тока зависит от напряжения.

Обратите внимание: в правой части две характеристики, для каждого материала своя. При этом напряжение, при котором происходит открытие, резко идет вверх меньше чем 1 вольт. Рабочий ток диода от нескольких миллиампер, может доходит до сотен ампер (зависит от исполнения). А вот слева характеристика в другом масштабе. Обратное напряжение может достигать сотни или тысячи вольт, а ток будет всего несколько микроампер, что в 1000 раз меньше прямого тока.

Я привожу всегда для сравнения пример с золотником. То есть, накачивая колесо, вы чуть-чуть создаете давление и золотник открывается, далее, при увеличении давления, будет увеличение расхода воздуха. Как только мы перестаем качать, обратное давление может давить в несколько атмосфер, а золотник держит. Это и есть принцип работы полупроводника.

Но, так же как и проводник с изолятором, разное сочетание полупроводников дают разные элементы – транзисторы, тиристоры, стабилитроны и много других, но об этом в другой раз.

Понравилась статья, ставь лайк и подписывайся на канал.

Диэлектрики и проводники – Справочник химика 21

    Поляризация тел и вектор электрического смещения. Мы уже имели возможность убедиться, что все тела электронейтральны и их суммарные дипольные моменты равны нулю. Однако под воздействием внешней энергии можно изменить это относительно устойчивое состояние, тогда результирующий дипольный момент окажется отличным от нуля. В этом случае говорят, что тело поляризовано. Рассмотрим поляризацию диэлектриков и проводников под влиянием внешнего электрического поля. [c.45]
    Вещества делятся на диэлектрики, проводники и полупроводники. К диэлектрикам относятся такие вещества, которые не имеют свободно движущихся зарядов. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика колеблется от 1 (для вакуума) до 100. Для проводника диэлектрическая проницаемость равна бесконечности. Полупроводники занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. [c.288]

    В 8 проведен подробный анализ коэффициентов заполнения. Показано, как учитывается влияние изменения размеров образца и его ориентации, а также сравниваются различные типы резонаторов. Этот параграф дает представление о влиянии резонаторов на чувствительность ЭПР-спектрометра. В 9 показано, какие возмущения происходят в резонаторе при помещении в него различных диэлектриков и проводников. Поскольку в резонатор помещаются образцы, дьюары, катушки и т. п., важно иметь представление о возмущениях, которые при этом возникают в резонаторе. [c.194]

    Соотношение единиц удельного сопротивления диэлектриков и проводников [c.77]

    Как известно, вещества по их электрическим свойствам можно разделить на диэлектрики и проводники. Диэлектрики обладают весьма малой проводимостью, и в них нет зарядов, могущих перемещаться на значительные расстояния и проводить ток. Следовательно, диэлектриками являются все молекулярные и атомные ковалентные вещества, а также ионные вещества в твер- [c.58]

    Электронная проводимость связана с образованием электронов в полимерах при ионизации макромолекул, которая может быть вызвана нагреванием, радиационным или световым воздействием. Присутствие пигментов и других неорганических веществ в покрытии благоприятствует электронной проводимости. Электронная проводимость пленок кристаллических полимеров выше, чем аморфных, ионная — наоборот. Особенно высокой электронной проводимостью отличаются полимеры-полупровод-ники, а также композиции с углеродными и металлическими наполнителями (техническим углеродом, графитом, порошками металлов). Изготовленные из них покрытия по электрической проводимости занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками для них ук= 10 Ч-10 См/м. Электрическая проводимость большинства лакокрасочных покрытий находится на уровне электрической проводимости полимеров и составляет 10 —10 См/м. [c.138]

    Однако приведенный расчет, заимствованный из классической физики, убедительно показывает, что под влиянием магнитного поля Земли в размещенных в ней диэлектриках и проводниках возможнй определенная ориентация как свободных зарядов, так и связанных. [c.50]

    Теория статического равновесия капли в электрическом поле (электрогидростатика) развита в работах [56 — 62] для идеальных сред — диэлектриков и проводников. Однако реальные жидкости представляют собой жидкости с конечной проводимостью и диэлектрики с конечной диэлектрической проницаемостью. Исключение составляют сверхпроводящие жидкости при очень низких температурах, например жидкий гелий. Учет конечной проводимости значительно осложняет задачу как математически, так и физически, поскольку возможные формы капли отличны от форм идеально проводящих капель. Так, капля может принять форму вытянутого вдоль направления электрического поля эллипсоида, вытянутого вдоль направления, перпендикулярного электрическому полю эллипсоида, а также сферическую форму, что наблюдалось в экспериментах [63]. Теоретическое объяснение этим феноменам дано в работе [64]. Показано, что у капли конечной проводимости электрический заряд аккумулируется в поверхностном слое капли, порождая неоднородное поверхностное тангенциальное электрическое напряжение. Это напряжение индуцирует в жидкости касательные гидродинамические напряжения, влияющие на деформацию капли. Величины напряжений зависят от свойств жидкостей и от напряженности внешнего электрического поля. Поэтому в зависимости от соотношения между электрическими и гидродинамическими поверхностными напряжениями капля может принимать одну из перечисленных выше форм. Решение задачи с учетом внутренней циркуляции жидкости проведено в [64] в предположении малой деформации поверхности капель и медленного стоксова течения, что позволило получить приближенное асимптотическое решение. [c.271]


    Таким образом, твердые материалы при поляризации приобретают способность удерживать значительно ббльшие — в сотни и тысячи раз — количества клеток, чем в обычных условиях. Так ведут себя при помещении в электрическое поле гранулированные, волокнистые и пористые материалы – диэлектрики и проводники второго рода (но не проводники). Этот процесс может идти как угодно долго до тех пор, пока в камере не накопится такое количество клеток, что забьются все поры и жидкость вообще перестает протекать. После вьпслючения электрического тока адсорбированные микробы вытекают из камеры в виде густой суспензии. При повторном включении электрического тока сорбент снова удерживает клетки. [c. 36]

    Так как критерии (1.62) и (1.63) включают в себя частоту электромагнитного поля со, то отсюда вытекает условность обычного деления растворов на диэлектрики и проводники второго рода, так как с ростом частоты со проводящие вещества приобретают диэлектрические свойства. Это положение иллюстрируется рисунком 6, а также приближенным расчетом по (1. )2) и (1.63) критической частоты /кр = сокр/2я = А/2л8обг, т. е. частоты, ниже которой можно пренебречь токами смещения по сравнению с токами прово- [c.22]

    Для исследования аномальной реакции неполярных жидкостей на неоднородное электростатическое поле в диэлектрической полимерной системе была создана ячейка, позволяющая в широких пределах варьировать градиент напряженности электрического поля в рабочем капилляре и одновременно измерять возникающее в жидкости гидростатическое давление (рис. 1.36). Градиент напряженности электрического поля по вертикали создается путем, замены монолитносо электрода на пакет пластин из чередующихся листовых диэлектриков и проводников, который прижат торцевой поверхностью к боковой, поверхности емкости с исследуемой жидкостью. Подавая на каждую проводящую пластину электрода электрический потенциал, возрастающий по вертикали в рабочем зазоре ячейки, можно создавать неоднородное электрическое поле с различными величиной и градиентом напряженности. [c.59]

    Стр. 280. многие приближаются к первичным — уже в 1756 г. Лолюносов но только ставит задачу количественного сравнения электрических свойств тел первично п производно электрических (диэлектриков и проводников), но и указывает на существование тол с пролк жуточнылги свойствалга. [c.534]

    Воздействие одноименного электростатического заряда на суспензии с неполярной средой сказывается либо в прилипании твердого материала к заряженному телу, либо, наоборот, в отталкиванип частиц от электризованного участка поверхности. Аналогичное действие пробного заряда на суспензии диэлектриков и проводников в глицерине и водно-глицериновых растворах не приводит к какому-либо перераспределению микрообъектов в дисперсионной среде вблизи заряженного проводника.[c.128]

    Существует довольно обширный класс веществ, в том числе жидких, так называемых полупроводников, занимающих по величине проводимости промежуточное место между диэлектриками и проводниками. Для них в выражении (1.6) нельзя пренебречь ни одним из слагаемых. В этом наиболее общем случае полный ток в жидкости, подвержееной воздействию внешнего электромагнитного поля напряженка и, между электродами конденсатора может быть записан в виде [c.13]


Диэлектрики

Определение “Диэлектрики” в Большой Советской Энциклопедии


Диэлектрики, вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «Диэлектрики» (от греч. diá – через и англ. electric – электрический) введён М. Фарадеем для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля. В любом веществе, помещённом в электрическом поле, составляющие его электрические заряды (электроны, атомные ядра) испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов направленно перемещается, образуя электрический ток. Остальные же заряды перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются друг относительно друга. В последнем случае говорят о поляризации вещества. В зависимости от того, какой из этих двух процессов – электропроводность или поляризация – преобладает, принято деление веществ на изоляторы (Диэлектрики) и проводники (металлы, электролиты, плазма). Электропроводность Диэлектрики по сравнению с металлами очень мала. Их удельное сопротивление r порядка 108-1017ом·см, а у металлов r ~ 10-6 – 10-4ом·см. Существует и промежуточный класс – полупроводники, свойства которых определяются процессами как электропроводности, так и поляризации.
Количественное различие в электропроводности твёрдых Диэлектрики и металлов классическая физика пыталась объяснить тем, что в металлах есть свободные электроны, а в Диэлектрики все электроны связаны, т. е. принадлежат отдельным атомам, и электрическое поле не отрывает, а лишь слегка смещает их. Однако такое объяснение неточно. Как показывает современная квантовомеханическая теория, твёрдое тело представляет собой как бы гигантскую «молекулу», где каждый электрон принадлежит всему кристаллу в целом. Это в одинаковой степени справедливо и для Диэлектрики, и для металлов. Причиной различного поведения электронов в металле и в Диэлектрики является различный характер распределения электронов по уровням энергии.

Энергия электронов в твёрдом теле не может иметь произвольного значения. Области энергий, которыми электрон может обладать (разрешённые зоны), чередуются с интервалами энергий, которые электрон не может принимать (запрещённые зоны). Т. к., с одной стороны, электроны стремятся занять уровни с наименьшей энергией, а с др. стороны, в одном состоянии может находиться только один электрон, то электроны заполняют энергетические уровни от нулевого до некоторого максимального. В Диэлектрики верхний заполненный электронами энергетический уровень совпадает с верхней границей одной из разрешённых зон (рис. 1). В металлах же верхний заполненный электронами энергетический уровень лежит внутри разрешённой зоны (см. Твёрдое тело).
Для того чтобы в твёрдом теле под действием электрического поля возник электрический ток (направленное движение электронов), необходимо, чтобы часть электронов могла увеличивать свою энергию под действием поля, т. е. переходить с нижних энергетических уровней на более высокие. В металле такой переход возможен, т.к. к заполненным уровням непосредственно примыкают свободные. В Диэлектрики же ближайшие свободные уровни отделены от заполненных запрещённой зоной, которую электроны под действием обычных не слишком сильных электрических полей преодолеть не могут. В Диэлектрики действие электрического поля сводится к перераспределению электронной плотности, которое приводит к поляризации Диэлектрики Распределение электронов по уровням энергии в полупроводниках и Диэлектрики сходно. Полупроводник отличается от Диэлектрики лишь более узкой запрещённой зоной. Поэтому при низких температурах свойства полупроводников и Диэлектрики близки, а при повышении температуры электропроводность полупроводников возрастает и становится заметной. Резкой грани между Диэлектрики и полупроводниками провести нельзя. Вещества с шириной запрещённой зоны DE < 2-3 эв относят к полупроводникам, а с DE > 2-3 эв – к Диэлектрики
Выше шла речь о твёрдых Диэлектрики Однако Диэлектрики могут быть также жидкости (см. Жидкие диэлектрики) и газы. В обычных условиях все газы состоят в основном из нейтральных атомов и молекул и поэтому не проводят электрического тока, т. е. являются Диэлектрики С повышением температуры атомы и молекулы ионизируются и газ постепенно превращается в плазму, хорошо проводящую электрический ток. Ниже речь будет идти о твёрдых Диэлектрики
Поляризация Диэлектрики Механизмы поляризации Диэлектрики могут быть различными. Они зависят от характера химической связи, т. е. распределения электронных плотностей в Диэлектрики Например, в ионных кристаллах (каменная соль NaCl и др.), где электроны распределены так, что можно выделить отдельные ионы, поляризация является результатом сдвига ионов друг относительно друга (ионная поляризация, рис. 2, а), а также деформации электронных оболочек отдельных ионов (электронная поляризация). Иными словами, поляризация в этом случае является суммой ионной и электронной поляризаций. В кристаллах с ковалентной связью (например, в алмазе), где электронные плотности равномерно распределены между атомами, поляризация обусловлена главным образом смещением электронов, осуществляющих химическую связь (рис. 2, б). В полярных Диэлектрики (например, твёрдый сероводород) группы атомов – молекулы или радикалы представляют собой электрические диполи, которые в отсутствии электрического поля ориентированы хаотически, а под действием поля эти диполи ориентируются вдоль него (рис. 2, в). Такая ориентационная (дипольная) поляризация типична для полярных жидкостей и газов. Сходный механизм поляризации связан с перескоком под действием электрического поля отдельных ионов из одних возможных положений равновесия в решётке в другие. Особенно часто такой механизм поляризации наблюдается в веществах с водородной связью (например, у льда), где ионы водорода имеют несколько положений равновесия.

Поляризацию Диэлектрики характеризуют вектором поляризации P, который представляет собой дипольный момент единицы объёма Диэлектрики Дипольный момент нейтральной в целом системы зарядов есть вектор, равный произведению расстояния между центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов на величину заряда одного знака. Направлен этот вектор от центра тяжести отрицательных к центру тяжести положительных зарядов. Вектор P зависит от напряжённости электрического поля Е. Поскольку сила, действующая на заряд, пропорциональна Е, то, естественно, что при малых полях величина Р пропорциональна Е. Коэффициент пропорциональности c в соотношении P = cЕ называется диэлектрической восприимчивостью Диэлектрики Часто оказывается удобным вместо вектора P пользоваться вектором электрической индукции
D = Е + 4pP.
Коэффициент пропорциональности e в соотношении D = eЕ называется диэлектрической проницаемостью. Ясно, что
e = 1 + 4pc.
В вакууме c = 0 и e = 1 (в системе единиц СГСЕ). Значение e (или c) является основной характеристикой Диэлектрики

В анизотропных Диэлектрики (например, в некубических кристаллах) направление вектора поляризации P определяется не только направлением поля Е, но также выделенными направлениями среды, например осями симметрии кристалла. Поэтому вектор P будет составлять различные углы с вектором Е в зависимости от ориентации Е по отношению к осям симметрии. В результате вектор D будет определяться через вектор E с помощью не одной величины e, а несколькими величинами (в общем случае – шестью), образующими тензор диэлектрической проницаемости (см. Анизотропия).

Диэлектрики в переменном поле. Если электрическое поле Е изменяется во времени, то величина поляризации в заданный момент времени t не определяется значением поля Е в тот же момент времени t. Поляризация Диэлектрики не успевает следовать за вызывающим её электрическим полем, т.к. смещения зарядов не могут происходить мгновенно (рис. 3).

Т. к. любое переменное поле можно представить в виде совокупности полей, меняющихся по гармоническому закону (см. Фурье ряд, Фурье интеграл), то достаточно изучить поведение Диэлектрики в поле Е = Е0 ´ cos wt, где w – частота переменного поля. Под действием такого поля величины D и P будут колебаться также гармонически с той же частотой w. Однако между колебаниями D и Е будет существовать разность фаз, что вызвано отставанием поляризации P от поля Е.

Гармонический закон можно представить в комплексном виде: Е = E0eiwt (см. Комплексная амплитуда). Тогда D = D0eiwt, причём амплитуды колебаний D и Е связаны соотношением: D0 = e (w) E0. Диэлектрическая проницаемость e (w) в этом случае является комплексной величиной: e(w) = e1 + ie2, и характеризуется двумя величинами e1 и e2, зависящими от частоты w переменного поля. Абсолютная величина

определяет амплитуду колебания D, а отношение (e2/e1) = tg d определяет разность фаз d между колебаниями D и Е. Величина d называется углом диэлектрических потерь. Это название связано с тем, что наличие разности фаз d приводит к поглощению энергии электрического поля в Диэлектрики Действительно, работа, совершаемая полем Е в единице объёма Диэлектрики, выражается интегралом

Взятый за один период колебания, этот интеграл обращается в ноль, если P и Е колеблются синфазно (d = 0) или в противофазе (d = p). В остальных случаях интеграл отличен от нуля. Доля энергии, теряемой за один период, равна e2. В постоянном электрическом поле (w = 0) e2 = 0, a e1 совпадает с e.

В переменных электрических полях очень высоких частот (например, электромагнитные волны оптического диапазона) свойства Диэлектрики принято характеризовать преломления показателем n и поглощения показателем k (вместо e1 и e2). Коэффициент преломления n равен отношению скоростей распространения электромагнитных волн в Диэлектрики и в вакууме. Коэффициент поглощения k характеризует затухание электромагнитных волн в Диэлектрики Величины n, k и e1, e2 связаны соотношением:

Дисперсия диэлектрической проницаемости. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты w переменного поля e(w) = e1(w) + ie2(w) называется дисперсией диэлектрической проницаемости. Характер дисперсии определяется процессом установления поляризации во времени. Если процесс установления поляризации – релаксационный (рис. 3, а), то дисперсия будет иметь вид, изображенный на рис. 4, а. Когда период колебания электрического поля велик по сравнению с временем релаксации t (частота w мала по сравнению с 1/t), поляризация успевает следовать за полем и поведение Диэлектрики в переменном электрическом поле не будет существенно отличаться от его поведения в постоянном поле (т. е. e1 = e, e2 = 0, как на рис. 3, а). При частотах w » 1/t Диэлектрики не будет успевать поляризироваться, т. е. амплитуда P будет очень мала по сравнению с величиной поляризации P0 в постоянном поле. Это значит, что e1 » 1, а e2 » 0. Т. о., e1 с ростом частоты изменяется от e до 1. Наиболее резкое изменение e1 происходит как раз на частотах w ~ 1/t. На этих же частотах e2 проходит через максимум. Такой характер дисперсии e (w) называется релаксационным. Если поляризация в процессе установления испытывает колебания, как показано на рис. 3, б, то дисперсия e (w) будет иметь вид, изображенный на рис. 4, б. В этом случае характер дисперсии называется резонансным.

В реальном веществе дисперсия e (w) имеет более сложный характер, чем на рис. 4. На рис. 5 изображена зависимость e (w), характерная для широкого класса твёрдых Диэлектрики Из рис. 5 видно, что можно выделить несколько областей дисперсии в разных диапазонах частот. Наличие этих, обычно чётко разграниченных, областей указывает на то, что поляризация Диэлектрики обусловлена различными механизмами. Например, в ионных кристаллах поляризацию можно представить как сумму ионной и электронной поляризаций. Типичные периоды колебаний ионов ~ 10-13сек. Поэтому дисперсия e (w), обусловленная ионной поляризацией, приходится на частоты ~ 1013гц (инфракрасный диапазон). Характер дисперсии обычно резонансный. При более высоких частотах ионы уже не успевают смещаться и весь вклад в поляризацию обусловлен электронами. Характерные периоды колебаний электронов определяются шириной запрещённой зоны Диэлектрики Когда энергия фотона ћw (ћПланка постоянная) становится больше ширины запрещённой зоны, фотон может поглотиться, вызвав переход электрона через запрещённую зону. В результате электромагнитные волны на таких частотах (w ~ 1015гц – ультрафиолетовый диапазон) сильно поглощаются, т. е. резко возрастает величина e2. При меньших частотах (в частности, для видимого света) чистые однородные Диэлектрики, в отличие от металлов, обычно прозрачны. В полярных Диэлектрики под действием электрического поля происходит ориентация диполей. Характерные времена установления поляризации при таком ориентационном механизме сравнительно велики: t ~ 10-6-10-8сек (диапазон сверхвысоких частот). Характер дисперсии при этом обычно релаксационный. Т. о., изучая зависимость e (w), можно получить сведения о свойствах Диэлектрики и выделить вклад в поляризацию от различных механизмов поляризации.

Диэлектрическая проницаемость разных веществ. Статическое значение диэлектрической проницаемости e существенно зависит от структуры вещества и от внешних условий (например, от температуры), обычно меняясь в пределах от 1 до 100-200 (у сегнетоэлектриков до 104-105, таблица 1).

Таблица 1. – Диэлектрическая проницаемость e некоторых твёрдых диэлектриков


Диэлектрик

e

Kaмeнная соль, NaCI

6,3

Рутил, Ti02 (вдоль оптической оси)

170

Алмаз, С

5,7

Кварц, Si02

4,3

Лёд, Н20 (при – 5°С)

73

Титанат бария, ВаТi03 (при 20°С перпендикулярно оптической оси)

4000

  Такой разброс значений e объясняется тем, что в разных веществах основной вклад в e на низких частотах дают различные механизмы поляризации. В ионных кристаллах наиболее существенна ионная поляризация. На высоких частотах (w ³ 1014гц) значения e (w) для разных ионных кристаллов близки к 1. Это обусловлено тем, что вклад от электронной поляризации, которая для этих частот только и имеет место, невелик. В ковалентных кристаллах, где основной вклад в поляризацию даёт перераспределение валентных электронов, статическая проницаемость e мало отличается от высокочастотной e1 (w). При этом величина e зависит от жёсткости ковалентной связи, которая тем меньше, чем уже запрещённая зона D. Например, для алмаза (D = 5,5 эв) e = 5,7. Для кремния (D = 1,1 эв) e = 12. Большой вклад в e1 даёт ориентационная поляризация. Поэтому в полярных Диэлектрики e сравнительно велика, например для воды e = 81.
Методы измерения диэлектрической проницаемости различны для разных частот (см. Диэлектрические измерения).

Поляризация диэлектриков в отсутствии электрического поля. До сих пор рассматривались Диэлектрики, в которых поляризация возникала под действием внешнего электрического поля. Однако в ряде твёрдых Диэлектрики наличие поляризации может быть вызвано др. причинами. В пироэлектриках поляризация существует и без электрического поля. В таких кристаллах заряды располагаются столь несимметрично, что центры тяжести зарядов противоположного знака не совпадают, т. е. Диэлектрики спонтанно (самопроизвольно) поляризован. В пьезоэлектриках поляризация возникает при деформировании кристалла. Это связано с особенностями строения кристаллической решётки таких веществ (см. Пьезоэлектричество).

Большой интерес представляют сегнетоэлектрики, которые являются особой разновидностью пироэлектриков. Спонтанная поляризация сегнетоэлектриков существенно меняется, в отличие от обычных пироэлектриков, под влиянием внешних воздействий (температуры, электрического поля). Сегнетоэлектрики поэтому характеризуются очень большими значениями e, сильной нелинейной зависимостью P от Е, доменной структурой (см. Домены) и наличием спонтанной поляризации лишь в определённом интервале температур. В этом смысле диэлектрические свойства сегнетоэлектриков аналогичны магнитным свойствам ферромагнетиков.

Поляризация в отсутствии электрического поля может наблюдаться также в некоторых веществах типа смол и стёкол, называемых электретами. Поляризованные при высоких температурах, а затем охлаждённые, электреты сохраняют достаточно долгое время поляризацию без поля.

Электропроводность Диэлектрики мала, однако всегда отлична от нуля (таблица 2). Носителями тока в Диэлектрики могут быть электроны и ионы. Электронная проводимость Диэлектрики обусловлена теми же причинами, что и электропроводность полупроводников. В обычных условиях, однако, электронная проводимость Диэлектрики мала по сравнению с ионной. Ионная проводимость может быть обусловлена перемещением как собственных ионов, так и примесных. Возможность перемещения ионов по кристаллу тесно связана с наличием дефектов в кристаллах. Если, например, в кристалле есть вакансии (незанятые узлы кристаллической решётки), то под действием поля ион может перескочить на соседнее с ним вакантное место. Во вновь образовавшуюся вакансию может перескочить следующий ион и т.д. В итоге происходит движение вакансий, которое приводит к переносу заряда через весь кристалл. Перемещение ионов может происходить и в результате перескоков ионов по междоузлиям. С ростом температуры ионная проводимость сильно возрастает. Заметный вклад в электропроводность Диэлектрики может вносить поверхностная проводимость.

Пробой. Электрический ток в Диэлектрики пропорционален напряжённости электрического поля Е (Ома закон). Однако в достаточно сильных полях ток нарастает быстрее, чем по закону Ома. При некотором критическом поле Епрнаступает электрический пробой Диэлектрики Величина Епр называется электрической прочностью Диэлектрики (таблица 2). При пробое однородное токовое состояние становится неустойчивым и почти весь ток начинает течь по узкому каналу. Плотность тока j в этом канале достигает очень больших значений, что приводит к необратимым изменениям в Диэлектрики

Табл. 2. – Удельное сопротивление r и электрическая прочность Епр некоторых твёрдых диэлектриков, используемых в качестве изоляционных материалов


Диэлектрический материал

r, ом·см

Епр, в/см

Кварцевое стекло

1016-1018

2-3·105

Полиэтилен

1015-1016

4·105

Слюда

1014-1016

1-2·106

Электрофарфор

1013-1014

3·105

Мрамор

108-109

2-3·105

  На рис. 6 приведена зависимость плотности тока j от напряжённости электрического поля Е, рассчитанная в предположении, что ток однороден по сечению образца. Эта зависимость может быть описана соотношением:

где удельное сопротивление r не постоянная величина, как в законе Ома, а зависит от j. Дифференцируя это соотношение, получим выражение:

из которого видно, что, если величина

отрицательна, то с ростом j величина

может стать отрицательной (дифференциальное отрицательное сопротивление). Состояние с отрицательным дифференциальным сопротивлением является неустойчивым и приводит к образованию канала тока при Е = Епр.

В твёрдых Диэлектрики различают тепловой и электрический пробой. При тепловом пробое с ростом j растёт джоулево тепло и, следовательно, температура Диэлектрики, что приводит к увеличению числа носителей тока n. В результате r падает. При электрическом пробое с ростом j также возрастает число носителей n, а r c увеличением n падает.

В реальных Диэлектрики большую роль при пробое играют всегда присутствующие неоднородности. Они способствуют пробою, т.к. в местах неоднородности Е может локально возрасти. Необратимые изменения в Диэлектрики, связанные с образованием токового канала при пробое, могут быть разного характера. Например, в Диэлектрики образуется сквозное отверстие или Диэлектрики проплавляется по каналу. В канале могут протекать химические реакции, например в органических Диэлектрики осаждается углерод, в ионных Диэлектрики выпадает металл (металлизация канала).

Электрическая прочность жидких Диэлектрики в сильной степени зависит от чистоты жидкости. Наличие примесей и загрязнений существенно понижает Епр. Для чистых, однородных жидких Диэлектрики Епр близка к Епр твёрдых Диэлектрики
Пробой в газах связан с механизмом ударной ионизации и проявляется в виде электрического разряда в газах.

Нелинейные свойства Диэлектрики Поляризация Диэлектрики, как указывалось выше, пропорциональна напряжённости электрического поля. Однако такая линейная зависимость справедлива только для электрических полей, значительно меньших внутрикристаллических полей Екр ~ 108в/см (см. Кристаллическое поле). Т. к. обычно Епр« Екр, то в большинстве Диэлектрики не удаётся наблюдать нелинейную зависимость P (Е) в постоянном электрическом поле. Исключение составляют сегнетоэлектрики, где в определённом интервале температур (в сегнетоэлектрической области и вблизи точек фазовых переходов) наблюдается сильная нелинейная зависимость P (Е).

При высоких частотах электрическая прочность Диэлектрики повышается, поэтому нелинейные свойства любых Диэлектрики проявляются в высокочастотных полях больших амплитуд. В луче лазера могут быть созданы электрические поля напряжённости 108в/см. В таких полях становятся очень существенными нелинейные свойства Диэлектрики, что позволяет осуществить преобразование частоты света, самофокусировку света и др. нелинейные эффекты (см. Нелинейная оптика).

Диэлектрики в науке и технике используются прежде всего как электроизоляционные материалы. Для этого необходимы Диэлектрики с большим удельным сопротивлением, высокой электрической прочностью и малым углом диэлектрических потерь. Диэлектрики с высоким значением e используются как конденсаторные материалы. Ёмкость конденсатора, заполненного Диэлектрики, возрастает в e раз. Пьезоэлектрики широко применяются для преобразований звуковых колебаний в электрические и наоборот (приёмники и излучатели ультразвука, звукосниматели и др. , см. Пьезоэлектрический датчик). Пироэлектрики служат для индикации и измерения интенсивности инфракрасного излучения. Сегнетоэлектрики применяют в радиотехнике для создания нелинейных элементов, входящих в состав различных схем (усилители, стабилизаторы частоты и преобразователи электрических сигналов, схемы регулирования и др.).

Диэлектрики используются и в оптике. Чистые Диэлектрики прозрачны в оптическом диапазоне. Вводя в Диэлектрики примеси, можно окрасить его, сделав непрозрачным для определённой области спектра (фильтры). Диэлектрические кристаллы используются в квантовой электронике (в квантовых генераторах света – лазерах и квантовых усилителях СВЧ). Ведутся работы по использованию Диэлектрики в вычислительной технике и т. п.

Лит.: Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М., Фейнмановские лекции по физике, [в. 5] – Электричество и магнетизм, пер. с англ. , М., 1966; Калашников С. Г., Электричество, 2 изд., М., 1964; Физический энциклопедический словарь, т. 1, М., 1960; Сканави Г. И., Физика диэлектриков (Область слабых полей), М. – Л., 1949; его же, Физика диэлектриков (Область сильных полей), М. -Л., 1958; Фрёлих Г., Теория диэлектриков, М., 1960; Хиппель А. Р., Диэлектрики и волны, пер. с англ., М., 1960; Желудев И. С., Физика кристаллических диэлектриков, М., 1968.
  А. П. Леванюк, Диэлектрики Г. Санников.


Рис. 6. Зависимость плотности тока j от напряжения электрического поля Е в диэлектрике; пунктир соответствует неустойчивым состояниям.


Рис. 5. Зависимость e1 твёрдого диэлектрика от частоты w поля Е.


Рис. 3 а, б. Две характерные зависимости поляризации диэлектрика Р от времени t. Постоянное электрическое поле Е включается в момент времени t = 0.


Рис. 1. Уровни энергии электронов твёрдого тела группируются в разрешённые зоны (валентная зона и зона проводимости), разделённые запрещёнными зонами.


Рис. 2. Поляризация диэлектриков в поле Е: а – ионная и электронная поляризации ионных кристаллов; б – электронная поляризация ковалентных кристаллов; в – ориентационная поляризация полярных диэлектриков.

P(t), изображенной на рис. 3, а; б – резонансный характер дисперсии диэлектрической проницаемости e(w), соответствующий зависимости, изображенной на рис. 3, б.” href=”/a_pictures/18/10/260914570.jpg”>P(t), изображенной на рис. 3, а; б – резонансный характер дисперсии диэлектрической проницаемости e(w), соответствующий зависимости, изображенной на рис. 3, б.”http://phosphorus.atomistry.com/”>P(t), изображенной на рис. 3, а; б – резонансный характер дисперсии диэлектрической проницаемости e(w), соответствующий зависимости, изображенной на рис. 3, б.” src=”a_pictures/18/10/th_260914570.jpg”>
Рис. 4. а – релаксационный характер дисперсии диэлектрической проницаемости e(w), соответствующий зависимости P(t), изображенной на рис. 3, а; б – резонансный характер дисперсии диэлектрической проницаемости e(w), соответствующий зависимости, изображенной на рис. 3, б.



Статья про “Диэлектрики” в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 688 раз

2.5: Диэлектрики – Физика LibreTexts

Поляризация

До сих пор мы помещали все вещества в одну из двух категорий — изоляторы и проводники — различающиеся тем, удерживают ли они заряды полностью фиксированными или допускают их совершенно свободное движение. Что ж, наверное, неудивительно, что в действительности вещества обычно находятся между этими двумя крайностями. Сейчас мы сосредоточимся на изоляционной стороне спектра. Представьте себе вещество, которое не позволяет зарядам перемещаться, куда им заблагорассудится, но позволяет атомам или молекулам, связывающим эти заряды, изменять свою форму.Такие вещества называются диэлектриками , и они на самом деле обеспечивают эффект, аналогичный тому, что наблюдается в проводниках, хотя он недостаточно экстремальный, чтобы полностью нейтрализовать поле.

Начните с пластины нейтрально заряженного диэлектрика, расположенной между двумя нейтрально заряженными проводящими пластинами. Если пластины затем заряжены, электрическое поле, создаваемое между двумя пластинами, тянет заряды в диэлектрике в противоположных направлениях. Внутри диэлектрика положительные и отрицательные заряды просто объединяются в пары по-разному, оставляя постоянный нейтральный заряд.Но на поверхностях разделенные заряды не объединяются в пары с противоположными, оставляя суммарный заряд на двух поверхностях диэлектрика, называемый поляризационным зарядом .

Рисунок 2.5.1 – Создание поляризационного заряда на диэлектрике

Мы видели то же самое в проводнике, но поскольку заряды могли двигаться совершенно свободно, они продолжали поляризоваться до тех пор, пока поле net не исчезло внутри проводника.В случае диэлектриков заряды перестают смещаться задолго до того, как поле поляризационного заряда сможет нейтрализовать поле свободного заряда, а это означает, что в конце диэлектрика все еще остается чистое поле.

Для геометрии с параллельными пластинами на рисунке выше результирующее поле легко вычислить по свободному и поляризационному зарядам, поскольку они оба являются плоскостями. Точно так же мы можем найти результирующее поле в случае диэлектрика внутри конденсатора из концентрических проводящих цилиндров.Но все становится слишком сложным, когда поверхность диэлектрика не ортогональна внешнему полю, поэтому мы будем рассматривать только эти более простые геометрии. Кроме того, мы предположим, что весь диэлектрик состоит из одного и того же материала — количество зарядов, которое они могут разделить, зависит от молекул, поэтому они должны быть одинаковыми во всем образце.

С учетом этих ограничений мы можем заключить, что поле, вызванное поляризационным зарядом (называемое полем поляризации ), имеет направление, противоположное приложенному полю, и поскольку приложенное поле всегда сильнее, мы можем написать:

\[\left|\overrightarrow E_{всего}\right| = \left|\overrightarrow E_{применяется}\right| – \left|\overrightarrow E_{поляризация}\right| \]

Понятно, что увеличение силы приложенного поля сильнее притягивает заряды в диэлектрике и должно увеличивать поляризационный заряд. Мы делаем дальнейшее предположение (подтвержденное экспериментально, пока приложенное поле не слишком велико), что если мы удвоим напряженность поля, поле поляризации также удвоится. То есть поле поляризации пропорционально приложенному полю. Объединение этого с приведенным выше уравнением означает, что приложенное поле пропорционально полному полю и направлено в том же направлении (при более сильном приложенном поле), и мы запишем константу пропорциональности, называемую диэлектрической проницаемостью , как более низкое значение. греческая буква каппа:

\[\каппа \экв \dfrac{\left|\overrightarrow E_{применяется}\right|}{\left|\overrightarrow E_{всего}\right|} \]

Обратите внимание, что эта константа безразмерна, больше или равна 1.Он равен 1 для вакуума (где нет зарядов для поляризации) или идеального изолятора (который вообще не допускает движения зарядов).

Влияние на конденсаторы

Наиболее распространенное применение диэлектриков — конденсаторы, как можно догадаться по рисунку. Как влияет на емкость присутствие этого вещества? При одинаковых зарядах на пластинах поляризационный заряд уменьшает электрическое поле между пластинами по сравнению с вакуумным случаем, поэтому разность потенциалов уменьшается.{пластина\;B}\frac{1}{\kappa}\overrightarrow E_{применяется}\cdot \overrightarrow{dl}} = \kappa\dfrac{Q_{на\;пластинах}}{\Delta V_{вакуум} }=\каппа C_{вакуум}\]

Несколько разделов назад мы отмечали, что основное назначение конденсатора — хранить электрическую потенциальную энергию. Давайте теперь рассмотрим, что происходит с потенциальной энергией, когда диэлектрик добавляется в конденсатор или удаляется из него. Добавление диэлектрика увеличивает емкость, а удаление уменьшает. Отсюда мы можем следовать вычислениям, выполненным в примере 2.4.1. Там было отмечено, что изменение энергии зависит от того, что остается постоянным при изменении емкости — заряд на обкладках или разность потенциалов, и это надо учитывать и здесь. Единственное отличие здесь состоит в том, что емкость изменяется в результате изменения диэлектрической проницаемости, а не изменения расстояния между пластинами.

Общий результат тот же — при увеличении емкости при введении диэлектрика потенциальная энергия увеличивается, если разность потенциалов удерживается фиксированной, и уменьшается, если пластины вынуждены сохранять один и тот же заряд.Но в приведенном примере изменения энергии учитывались с учетом работы, совершаемой при разделении пластин. Здесь расстояние между пластинами не меняется, поэтому, если работа не совершается, как мы можем объяснить, откуда и куда уходит энергия?

Ну, на самом деле там это проделанная работа по удалению или вставке диэлектрика. Мы можем увидеть это, посмотрев на то, как должна выглядеть система, когда диэлектрик вставлен частично. Поляризационный заряд на поверхности диэлектрика, находящейся между пластинами, притянется к свободному заряду на части пластин, которые еще разделены вакуумом:

Рисунок 2.5.2 – Сила на частично вставленном диэлектрике

Для вытягивания диэлектрика из конденсатора необходимо, чтобы в системе была добавлена ​​работа (эквивалентно увеличению расстояния между пластинами в примере 2. 4.1), в то время как вытягивание диэлектрика в конденсатор приводит к удалению энергии из системы в вид работы, совершаемой над диэлектриком. Этот анализ можно выполнить «в обратном порядке», чтобы определить силу, действующую на частично вставленный диэлектрик со стороны конденсатора.В Физике 9А мы узнали, что сила, вызванная полем потенциальной энергии, равна отрицательному значению градиента потенциальной энергии (см. Либретекст Физики 9А, раздел 3.6):

\[\overrightarrow F = -\overrightarrow\nabla U\]

Изменение происходит только параллельно пластинам, которое мы будем называть \(y\)-направлением, так что это упрощается до одного компонента:

\[F_y = -\dfrac{dU}{dy} \]

Когда диэлектрик перемещается в пластины на небольшое дополнительное расстояние \(dy\), потенциальная энергия системы изменяется.Насколько она изменится, опять-таки зависит от того, остается ли заряд на пластинах или разность потенциалов постоянными во время процесса (зависимость выполненной работы от того, какая величина поддерживается постоянной, также характерна для примера 2. 4.1). Таким образом, все, что нужно сделать, это записать потенциальную энергию конденсатора в любом положении, в котором находится диэлектрик, пересчитать ее для диэлектрика, помещенного на дополнительное расстояние \(dy\), взять разницу, чтобы получить \(dU\), затем разделить на \(dy\). Важной частью этого процесса является то, что конденсатор с частично вставленным диэлектриком эквивалентен двум отдельным конденсаторам, один с вакуумом между пластинами, а другой с диэлектриком между ними.Полная энергия системы представляет собой сумму энергии в этих двух конденсаторах, и нужно иметь в виду, что, поскольку каждая пластина является эквипотенциальной, разность потенциалов между двумя пластинами для двух отдельных конденсаторов одинакова.

Диэлектрическая проницаемость

Один из способов учета диэлектрической проницаемости заключается в использовании другой константы, с которой мы уже знакомы. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим, как изменяется емкость плоского конденсатора, содержащего вакуум, при введении диэлектрика:

\[C_{вакуум} = \dfrac{A\epsilon_o}{d} \;\;\;\Rightarrow\;\;\; C_{диэлектрик} = \каппа\dfrac{A\epsilon_o}{d}= \dfrac{A\epsilon}{d}\;,\;\;\; где:\;\;\эпсилон\эквив\каппа\эпсилон_о\]

Наконец-то понятно, почему индекс «о» использовался до сих пор: «о» относится к вакууму, поэтому его называют диэлектрической проницаемостью свободного пространства . Величина \(\эпсилон\) (без нижнего индекса) называется просто диэлектрической проницаемостью диэлектрика. Преимущество этого определения состоит в том, что оно избавляет нас от необходимости повторно получать все результаты, где мы использовали \(\epsilon_o\) ранее для случаев, когда речь идет о диэлектрической среде. Оказывается, мы можем просто вслепую заменить постоянную свободного пространства на константу диэлектрика, и все результаты останутся теми же. Однако здесь следует иметь в виду одну важную деталь.

Мы ввели диэлектрическую проницаемость, а затем диэлектрическую проницаемость как средство игнорирования поляризационного заряда. То есть емкость с диэлектриком по-прежнему удовлетворяет \(Q=CV\), где \(Q\) – заряд на обкладках, а не комбинация заряда на обкладках с поляризационным зарядом . Везде, где мы используем диэлектрическую проницаемость, должно соблюдаться требование, чтобы мы учитывали только свободных зарядов (имеющийся заряд, исключающий поляризационный заряд). Ниже приводится важный пример соблюдения этого требования.

Закон Гаусса в СМИ

Рассмотрим случай использования закона Гаусса для определения электрического поля вблизи поверхности проводящей плоскости, как мы это сделали на рис. 1.7.2, но на этот раз с диэлектрической средой, находящейся снаружи проводящей поверхности.

Рисунок 2.5.3 – Поверхность Гаусса для проводящей поверхности вблизи диэлектрика

Эта гауссова поверхность заключает в себе как свободный заряд на проводящей поверхности, так и поляризационный заряд на поверхности диэлектрика.Чистый поток от гауссовой поверхности (весь поток проходит через левую сторону показанной поверхности) ниже, чем он был бы без диэлектрика, потому что поляризационный заряд компенсирует часть свободного заряда. Различие в потоках происходит исключительно из-за различия в электрическом поле, которое мы уже знаем, как выразить:

\[\Phi_{с\;диэлектриком} = E_{общий}A = \frac{1}{\kappa} E_{приложенный}A = \frac{1}{\kappa} \Phi_{без\;диэлектрика} = \dfrac{\epsilon_o}{\epsilon}\Phi_{без\;диэлектрика}\]

Согласно закону Гаусса поток без диэлектрика равен \(\frac{Q_{plate}}{\epsilon_o}\), поэтому мы можем выразить закон Гаусса в терминах заключенного свободного заряда, а не полного заключенного заряда, используя диэлектрическая проницаемость:

\[ \oint \overrightarrow E\cdot d\overrightarrow A = \dfrac{Q_{free}}{\epsilon} \]

В местной форме это выглядит так:

\[ \overrightarrow\nabla\cdot \overrightarrow E=\dfrac{\rho_{free}}{\epsilon} \]

Все другие проявления диэлектрической проницаемости, которые мы наблюдали, также переносятся, в первую очередь:

\[u=\frac{1}{2}\эпсилон E^2\]

Пример \(\PageIndex{1}\)

Точечный заряд зафиксирован в среде с диэлектрической проницаемостью, равной 2, вблизи большой проводящей плоскости. Если диэлектрик теперь удален, опишите, как изменяются следующие величины:

  1. сила точечного заряда проводником
  2. заряд, индуцированный на поверхности проводника
Раствор

а. Электрическое поле одинаково в обоих случаях, за исключением значения диэлектрической проницаемости, которая вдвое больше, когда диэлектрик есть, чем когда его нет.Это ослабляет электрическое поле точечного заряда в 2 раза. Таким образом, индуцированный заряд на проводящей поверхности реагирует созданием эквивалентного поля, как если бы оно исходило от заряда изображения. Это более слабое индуцированное поле приводит к тому, что на точечный заряд действует сила, вдвое меньшая, чем при отсутствии диэлектрика.

б. Заряд, индуцированный на поверхности проводника, равен отрицательному точечному заряду независимо от того, присутствует диэлектрик или нет. Мы можем доказать это несколькими способами. Проще всего отметить, что третий закон Ньютона требует, чтобы если сила, действующая на точечный заряд, вдвое меньше, чем на диэлектрик, то сила, действующая на проводник, также вдвое меньше. Но поле точечного заряда вдвое меньше, поэтому заряд, на который действует это поле, не должен изменяться.

Второй способ показать это — отметить, что электрическое поле на поверхности проводника с точки зрения плотности заряда равно:

\[E = \dfrac{\sigma_{free}}{\epsilon}\nonumber\]

Мы уже знаем, что при наличии диэлектрика поле вдвое меньше, а поскольку \(\epsilon=2\epsilon_o\), плотность заряда должна быть одинаковой в обоих случаях.

Диэлектрическая среда – обзор

2.05.1.5.4 Поверхностные и межфазные ЭМ волны (поверхностные поляритоны)

На границе раздела двух диэлектрических сред возможно возбуждение межфазных ЭМ волн, которые свободно распространяются вдоль границы раздела, но экспоненциально затухают в направления, перпендикулярные ему. Такие режимы могут существовать только при определенных условиях. Для определения этих условий будем считать, что интерфейс соответствует плоскости z  = 0.Диэлектрическая проницаемость среды B, соответствующая z  > 0, равна ε B , а значение для среды A, заполняющей z  < 0, равно ε B . Для решения волнового уравнения (уравнение (7)) (в предположении, что μ = 1 для обеих сред) снова рассмотрим плоскую волну

E(x,y,z)=E0exp[i(kxx+kyy+kzz− ωt)]

Поскольку обе среды изотропны, мы можем без ограничения общности выбрать направление распространения волны в плоскости yz .Подставив это плосковолновое решение в волновое уравнение, получим дисперсионное соотношение:

(46)kyn2+kzn2=(ω/c)2εn

где А ε N = ε B для среднего B. Если ε B B IS <0 и ε A IS> 0, затем K ZB 2 = (Ω / C ) 2 ε k k k k k 2 2 2 2 также <0 и k ZB – чисто мнимый. Определим k zB  = ±iα такое, что α действительно и >0. Если мы выберем k zB  = − i α, мы получим решение в среде B для электрического поля, зависимость которого от z изменяется как exp(α z ). Его амплитуда экспоненциально затухает до 0, когда z уменьшается от 0 до −∞. Таким образом, это решение представляет собой поверхностную волну.

Чтобы получить связь между волновым вектором k y поверхностной волны и ее частотой ω (т.т. е. дисперсионное уравнение), мы должны применить уравнения Максвелла для немагнитной среды на границе раздела. Соответствующие граничные условия на E , D и H таковы:

(47)zx→(EA−EB)=0;x→(HA−HB)=0;z⋅(DA−DB) =0; и z⋅(HA−HB)=0

Нижние индексы A и B теперь обозначают электрические и магнитные поля на границе раздела, лежащие в среде A и B соответственно. Например, E A представляет электрическое поле в точке z  = 0 + δ с δ > 0 в пределе δ = >0.

Решения для поверхностных волн теперь имеют вид

(48)EandH~exp[i(kyy−ωt)]exp[ikzz]

для волн в обеих средах, но с яα. Для определения амплитуд волн в двух средах подставим E и H в приведенные выше граничные условия. Для решения TM (поперечное электрическое решение придадут аналогичные результаты): H y y = H = H Z = 0 и H XA = C A EXP [I (K YA Y – Ω T )] EXP [I K ZA Z ]:

(49) HXB = CBEXP [I (KYBY -Ωt)] exp [ikzbz]

Уравнение Z x ( h h6 h b b ) = 0 означает, что K YA = K k yb (которые мы теперь обозначим как K ) и C A = C B . Соответствующее решение для E можно получить из уравнения: rot H  = −(1/ c )∂ D /∂ t . Подставляя решение E Y = F EXP [I (K | |Y – Ω T )] EXP [I K Z Z ] и E Z = G EXP [I (K | |Y – Ω T) ] EXP [I K Z Z ] для обеих сред A и B в граничные условия получаем следующие соотношения: E Y в Z = 0 подразумевает, что F A F B или K k ZA / ε A k zB / ε B , а непрерывность o f E z на интерфейсе тривиально выполняется. Когда этот результат замещен обратно в два выражения K 2 + K ZA 2 = (ω / C ) 2 ε A и k 2 + K ZB 2 = (Ω / C ) 2 ε B для устранения K ZA и K zB , получим выражение, содержащее только k : из этого уравнения получаем дисперсию поверхностной волны:

(51b)k‖=(ωc)εAεB(εA+εB)

Поскольку мы приняли ε B  < 0 и ε A > 0, ε A  ε B <0.Для того чтобы k было реальным, мы находим, что должно выполняться еще одно условие: ε A  + ε B  < 0.

Таким образом, необходимым условием существования поверхностной волны является отрицательное значение диэлектрической проницаемости одной из двух сред, образующих границу раздела. Для полупроводников это условие может быть выполнено двумя способами. В первом случае полупроводник легирован свободными носителями, которые могут давать вклад в ε в виде: эффективная масса носителей и ω p плазмонная частота.

(53)ωsp=4πNe22m=ωp2

Другой случай, когда ω лежит между TO- и LO-фононными частотами частично ионного полупроводника (см. уравнение (42)). Поверхностная ЭМ волна в этом случае известна как поверхностный фонон-поляритон. Наиболее красноречивым признаком поверхностного фонона является то, что его частота лежит в пределах полосы покоящегося излучения, которая обычно не содержит никакой фононной моды.

Прямое наблюдение поверхностных или межфазных фононных поляритонов по ИК-поглощению затруднено из-за требования сохранения волнового вектора.Хотя трансляционная симметрия перпендикулярна поверхности отсутствует, трансляционная симметрия существует вдоль плоскости поверхности. Следовательно, компонента волнового вектора света вдоль поверхности должна сохраняться при оптическом возбуждении поверхностных фононных поляритонов. Один из способов соблюсти этот закон сохранения — использовать призму для соединения падающей электромагнитной волны с образцом таким же образом, как показано на рис. 7(b) . Другой подход заключается в создании решетки на поверхности образца. Более удобным методом является использование неупругого (комбинационного) рассеяния света для возбуждения поверхностного фононного поляритона.Изменяя конфигурацию рассеяния, можно изменять плоскостной волновой вектор поверхностного фонон-поляритона, возбуждаемого падающим светом, и, следовательно, отображать дисперсию поверхностного фонон-поляритона. На рис. 8 показана дисперсия фононных поляритонов, возникающих на поверхности гетероперехода GaAs/AlAs (Nakayama et al. , 1988). Есть два поляритона, так как есть два интерфейса: интерфейс воздух/GaAs и интерфейс GaAs/AlAs. Когда слой GaAs, лежащий между воздухом и AlAs, достаточно тонкий, чтобы позволить двум поверхностным поляритонам перекрываться, результирующая дисперсия двух поверхностных поляритонов больше не будет описываться уравнением (51). Вместо этого нужно применять граничные условия к линейным комбинациям обоих поляритонов. Сплошные кривые, проходящие через точки данных Рис. 8 , представляют собой теоретические дисперсионные кривые, полученные таким образом.

Рис. 8. Дисперсия интерфейсных фононных мод, формирующихся на гетеропереходе воздух/GaAs/AlAs. Точки данных получены из комбинационного рассеяния, где угол падения (θ) падающей возбуждающей электромагнитной волны варьируется для изменения плоскостного волнового вектора (k ).Сплошные линии — теоретические кривые. Адаптировано из Накаяма М., Исида М. и Сано Н. (1988) Рамановское рассеяние на фонон-поляритонах на границе раздела в гетероструктуре GaAs/AlAs. Physical Review B 38: 6348.

Группа молекулярной инженерии, Кавендишская лаборатория, Кембриджский университет

Функциональность диэлектриков и проводников чаще всего заключается в той или иной форме молекулярного или ионного беспорядка. Соответственно, если мы хотим адаптировать материалы для конкретного диэлектрического или (сверх)проводящего применения, нам необходимо понять этот беспорядок на атомном и молекулярном уровне.

Наиболее показательным подходом к характеристике материалов для количественного определения ионного или молекулярного беспорядка является рентгеновская или нейтронная дифракция. В частности, большое количество структурной информации может быть извлечено из особенностей диффузного рассеяния, окружающих положения Брэгга в кристаллической структуре, в случаях, когда преобладает беспорядок. Собрав эту информацию, мы можем приступить к рассмотрению принципов молекулярного дизайна, которые позволят создать молекулярную инженерию более совершенных диэлектрических и проводящих материалов.

На нескольких примерах ранее мы пытались разгадать природу беспорядка в производных хлорбензола, ответственного за их аномальные диэлектрические свойства. В настоящее время мы исследуем сигнатуры диффузного рассеяния в новом классе сверхпроводников (арсениды железа).

Избранные публикации

  • Дж. М. Коул, Х. Б. Бюрги, Г. Дж. Макинтайр

    Различие беспорядка, классического и квантового колебательного вкладов в атомные среднеквадратичные амплитуды в диэлектрическом пентахлорнитробензоле

    Физический обзор B 2011 83 224202 (1-11)

  • С. Л. Алиреза, Ю. Т. К. Ко, Дж. Джиллетт, К. М. Петроне, Дж. М. Коул, Г. Г. Лонзарич, С. Э. Себастьян

    Сверхпроводимость до 29 К в SrFe 2 As 2 и BaFe 2 As 2 при высоких давлениях

    Журнал физики: конденсированное вещество 2009 г. 21 012208

  • Л. Х. Томас, Дж. М. Коул, К. К. Уилсон

    Ориентационный беспорядок в 4-хлорнитробензоле

    Acta Crystallographica C 2008 г. 64 0296-0302

  • л.Х. Томас, Р. Т. Велберри, Д. Дж. Гуссенс, А. П. Хердеген, М. Дж. Гутманн, С. Дж. Тит, П. Л. Ли, К. К. Уилсон, Дж. М. Коул

    Беспорядок в пентахлорнитробензоле, C 6 Cl 5 NO 2 : исследование диффузного рассеяния

    Acta Crystallographica B: структурная наука 2007 г. 63 663-673

Определение характеристик диэлектриков и проводников для керамических микросистем на микроволновой частоте – Отпечаток пальца – Penn State

Характеристика диэлектриков и проводников для керамических микросистем на микроволновой частоте — Fingerprint — Пенн Стэйт
  • Сортировать по
  • Масса
  • По алфавиту

Инженерия и материаловедение

  • Микроволновые частоты 100%
  • Микросистемы 93%
  • Разрешающая способность 77%
  • Резонаторы 72%
  • никель 72%
  • Характеристика (материаловедение) 68%
  • Ленты 52%
  • Измерение диэлектрической проницаемости 43%
  • Поверхностное сопротивление 38%
  • СВЧ антенны 38%
  • Керамические конденсаторы 37%
  • Магнитная проницаемость 37%
  • Микроволновые фильтры 36%
  • Магнитные материалы 32%
  • Метод конечных разностей во временной области 31%
  • Электромагнитные поля 26%
  • Многослойные 25%
  • Кожа 22%
  • Температура 20%
  • Электроды 19%
  • Расходы 9%

Химические соединения

  • Дирижер 78%
  • Диэлектрический материал 68%
  • микроволновка 62%
  • Керамический 59%
  • Разрешающая способность 57%
  • Диэлектрическая постоянная 47%
  • Магнитная проницаемость 42%
  • Керамический конденсатор 41%
  • Поверхностное сопротивление 36%
  • Электромагнитное поле 33%
  • Магнитный материал 31%
  • многослойный 23%
  • Поведение в качестве электрода 12%
  • Выход реакции 10%
  • Время 9%

Почему нельзя использовать проводник в конденсаторе вместо диэлектрической среды

Почему нельзя использовать проводник в конденсаторе вместо диэлектрической среды?

Конденсатору нужна емкость для накопления энергии, а это значит, что диэлектрический материал, обладающий свойством поляризуемости, проводящий материал превратит его в резистор.

Существует только два типа идеальных электротехнических материалов.

изоляторы и проводники.

изоляторы: все изоляторы являются диэлектриками, которые также являются конденсаторами. они хранят грузы.

проводники: все проводники имеют незначительную емкость, потому что подвижность электронов в проводниках (обычно металлах) очень высока, так что электроны свободно перемещаются и отскакивают в зависимости от температуры. превышают абсолютный нуль и создают волны электронно-лучевых бригадных эффектов, движущихся в проводнике.электроны на самом деле не движутся со скоростью света в идеальном импульсе тока в проводнике, только гирлянда цепи или взмах рук в аудитории движутся со скоростью света в этом диэлектрике. диэлектрик также регулирует скорость света, поэтому в коаксиальном кабеле с высокой диэлектрической проницаемостью (тип 2/3 c) он движется медленнее

если запачкать изолятор токопроводящим аэрозолем, падает не только сопротивление, но и емкость, потому что вместо одной большой капитализации у вас ряд крохотных капиталок, последовательно увеличивающих свое значение на единицу ширины по пространству и выгружаются быстрее.

помните, что в большинстве приложений лучшие конденсаторы имеют не только самую низкую проводимость, самую низкую параллельную утечку или самое высокое сопротивление для номинального напряжения, но также лучшую проводящую поверхность с напыленной поверхностью для увеличения площади контакта и уменьшения последовательного сопротивления.

Означает ли это своего рода универсальную константу rc для материалов с разными поверхностями в одном и том же объеме, что означает различное количество параллельных или последовательных слоев, дающих разные значения, если c?

Возьмите любое семейство диэлектриков и получите расчет c, esr, rleak и ts, tp для последовательных и параллельных утечек и посмотрите, почему вы исследуете esr*c и посмотрите, какие из них являются лучшими или они почти все идентичны? для данного напряжения и типа диэлектрика.Низкий электрод по сравнению с электролитом с высокой плотностью по сравнению с керамикой с высокой плотностью k и стандартной плотностью по сравнению с низким ESR, пластиковые колпачки с низкой утечкой, но очень низкой плотностью k.

[PDF] 7.5(A-C) – Скачать PDF бесплатно

Скачать 7.5(А-С)…

Характеристики частотной дисперсии диэлектриков, проводников и плазмы

{

Джексон Раздел 7.5 AC Эмили Дворак – SDSM&T

Введение 

Модель Drode (1900)

раздел Обзор

Ранее не было оценено дисперсию 

Это может быть только правдой при рассмотрении ограниченных частот или в вакууме Предыдущие разделы верны при рассмотрении одной частоты Интерпретация ε и μ для отдельной частоты

Теперь нам нужно сделать простую модель дисперсии для суперпозиции волн разных частот

Введение

Простая модель для ε(ω)

   

 

Расширение раздела 4.6 Действительно для низких значений плотности – уравнение 4.69 выявляет дефицит Электрон связан гармонической силой, на которую действует электрическое поле Уравнение 4.71

Уравнение. 7.49 γ измеряет феноменологические демпфирующие силы Эффектами магнитных демпфирующих сил пренебрегают 

Относительная проницаемость равна единице (μ->μo)

Гармонические колебательные поля

Амплитуда колебаний достаточно мала для оценки амплитуды колебаний: поле со средним положением электронов. Если поле E изменяется гармонически во времени, мы можем написать дипольный момент включение в ур.7.49 показывает

-eE = m[-w -iwg + w ]Ee 2

2 o

iwt

Наконец, найдите экспоненту и подставьте в уравнение для x, которое при использовании в уравнении 4.72

4 e 2 2 -1 p = -ex = (wo – w – iwg ) E m 2

Дипольный момент

Для определения диэлектрической проницаемости среды объединить уравнения 4.28 и 4.36 P 1 Суммирование по среде с c = = N ejj N молекул и Z электронов на e E eo E jo молекулу, все с дипольным моментом pmol 1 fj электронов на молекулу в каждой NZpmol e = с частотой связи ωj и oE постоянная затухания γj 2 NZ e Сила колебаний подчиняется правилу сумм 2 2 -1 = ( i ) o  Ур.7.52 SJ FJ = Z OM Квантовые механические определения ωj γj Fj дают точное описание диэлектрической постоянной

Å

C

E

E

W

W

WG

E (W) NE2 = 1 + S jfj (w 2j – w 2 – iwg j )-1 eo eo m

Диэлектрическая проницаемость

Аномальная дисперсия и резонансное поглощение

ε составляет прибл. действительный для большинства частот 

γj очень мало по сравнению с обязательными или резонансными частотами (ωj)

Коэффициент (j-все отрицательный или положительный) Условия в сумме способствуют положительному ε больше, чем единство в окрестностях ωj Существует насильственное поведение. Демоминатор становится чисто мнимой

резонансные частоты

Нормальная дисперсия  

аномальная дисперсия  

Увеличение Re[ε(ω)] с ω Происходит везде, кроме околорезонансной частоты Уменьшение Re[ε(ω)] с ω частью Im очень заметно

Резонансное поглощение  

Большой мнимый вклад Положительный Im[ε(ω) ] часть представляет собой рассеяние энергии ЭМ в среду

Типы дисперсии и поглощение

Волновое число k, Im и Re часть описывает затухание

α – затухание co nstant или коэффициент поглощения Связь между α и β следует из уравнения 7. 5

wk 

 

 

C Me E = COO = CON ME E

B2 –

α можно приблизить, когда 

=

α Количество бесплатных электронов на единицу объема среды γ0/f0 -> константа затухания, найденная эмпирически экспериментально. Пример – Медь 2  N=8×1028 атомов/м3 o При нормальной температуре получаем x107 (Ом·м)-1 γo//fo = 4×1013 с-1

f Ne s= m(go – iw )

Принимая f0~1, мы видим частоты выше микроволнового диапазона ω

Модель Друде (1900)

Электропроводность является квантово-механической с сильным влиянием принципа Паули Диэлектрики имеют свободные электроны или чаще валентные электроны Затухание происходит из-за столкновения валентных электронов и передачи импульса решетчатая структура, дефекты и примеси

В основном диэлектрики и проводники ничем не отличаются друг от друга при частотах много больше нуля

Quantum Connection

{ Вопросы?

КОНДЕНСАТОРЫ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ

КОНДЕНСАТОРЫ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ

Конденсатор — это набор проводников, который используется для хранения электрического заряжать. Очень простой конденсатор представляет собой изолированный металлический шар. потенциал сферы радиусом R и зарядом Q равен

(27.1)

Уравнение (27.1) показывает, что потенциал шара пропорционален заряд Q на проводнике. В общем случае это справедливо для любой конфигурации проводники. Это отношение можно записать как

. (27.2)

где C называется емкостью системы проводников.Единицей емкости является фарад (F). Емкость металлическая сфера равна

(27.3)

Другим примером конденсатора является система, состоящая из двух параллельных металлических тарелки. В главе 26 было показано, что разность потенциалов между двумя пластин площадью A, расстоянием d и с зарядами +Q и -Q дается по

(27.4)

Используя определение емкости (уравнение (27.2)), емкость этого система может быть рассчитана:

(27.5)

Уравнение (27. 2) показывает, что заряд конденсатора пропорционален емкости C и к потенциалу V. Чтобы увеличить количество накопленного заряда на конденсаторе при фиксированном потенциале (напряжении) емкость конденсатор надо увеличить. Так как емкость параллельного пластинчатый конденсатор пропорционален площади пластины A и обратно пропорционален к расстоянию d между пластинами, этого можно добиться увеличением площадь поверхности A и/или уменьшение разделительного расстояния d.Эти большие конденсаторы обычно изготавливаются из двух параллельных листов алюминизированной фольги, несколько дюймов в ширину и несколько метров в длину. Листы расположены очень близко вместе, но защищены от соприкосновения тонким листом пластика, зажатым между их. Весь бутерброд накрывается другим листом пластика и скручивается. как рулон туалетной бумаги.

Пример: Задача 27.7

Трубка счетчика Гейгера состоит из тонкой прямой проволоки. окружен коаксиальной проводящей оболочкой.Диаметр проволоки 0,0025 см, а у скорлупы 2,5 см. Длина трубки 10 см. Что емкость счетчика Гейгера ?

Рисунок 27.1. Схема счетчика Гейгера.

Задача будет решаться в предположении, что электрическое поле генерируется бесконечно длинная линия заряда. Схематический вид сбоку трубы показано на рис. 27.1. Радиус провода r w , радиус цилиндра r c , длина счетчика L, а заряд на проводе равен +Q.Электрическое поле в области между проволоки и цилиндра можно рассчитать по закону Гаусса. Электрическое поле в этой области будет иметь радиальное направление и его величина будет зависеть только на радиальном расстоянии r. Рассмотрим цилиндр длиной L и радиусом r показано на рис. 27.1. Электрический поток [Phi] через поверхность этого цилиндр равен

(27.6)

Согласно закону Гаусса, поток [Phi] равен заключенному заряду, деленному на по [эпсилон] 0 .Поэтому

(27.7)

Электрическое поле E(r) можно получить, используя уравнение (27.7):

(27. 8)

Разность потенциалов между проводом и цилиндром может быть получена из интегрирование электрического поля E(r):

(27.9)

Используя уравнение (27.2), можно рассчитать емкость трубки Гейгера:

(27.10)

Подставляя значения для r w , r c и L в уравнение.(27.10) получаем

(27.11)

Символ конденсатора показан на рис. 27.2. Конденсаторы могут быть соединены вместе; они могут быть соединены последовательно или параллельно. Фигура 27.3 показаны два конденсатора емкостью С 1 и С 2 , подключены параллельно. Разность потенциалов на обоих конденсаторах должна быть равно и поэтому

(27.12)

Рисунок 27.2. Символ конденсатора. Рисунок 27.3. Два конденсатора соединены параллельно.

Используя уравнение (27.12), можно рассчитать общий заряд обоих конденсаторов

(27.13)

Уравнение (27. 13) показывает, что общий заряд системы конденсаторов, показанный на рис. Рисунок 27.3 пропорционален разности потенциалов в системе. То два конденсатора на рис. 27.3 можно рассматривать как один конденсатор с емкость C, где C относится к C 1 и C 2 в следующим образом

(27.14)

На рис. 27.4 показаны два конденсатора емкостью С 1 и C 2 , соединены последовательно. Предположим, что разность потенциалов на C 1 равно [Delta]V 1 , а разность потенциалов на C 2 — это [Дельта]V 2 . Заряд Q на верхней пластине индуцирует заряд -Q на нижней плите C 1 . Так как электрический заряд при сохранении заряд на верхней пластине C 2 должен быть равен Q.Таким образом, заряд на нижней пластине C 2 равен -Q. То разность напряжений между C 1 определяется как

(27.15)

а разность напряжений на C 2 равна

(27. 16)

Рисунок 27.4. Два конденсатора соединены последовательно. Задана общая разность напряжений на двух конденсаторах. по

(27.17)

Уравнение (27.17) снова показывает, что напряжение на двух конденсаторах, соединенных последовательно, пропорциональна заряду Q. Система действует как один конденсатор C, емкость которого может быть получена из следующего формула

(27.18)

Пример: Задача 27.10

Многопластинчатый конденсатор, используемый, например, в радиоприемниках, состоит из четырех параллельные пластины, расположенные одна над другой, как показано на рис. 27.5. Площадь каждой пластины равно A, а расстояние между соседними пластинами равно d.Что это емкость этой схемы?

Рисунок 27.5. Многопластинчатый конденсатор.

Многократный конденсатор, показанный на рис. 27.5, эквивалентен трем одинаковым конденсаторы, соединенные параллельно (см. рис. 27.6). Емкость каждого из три конденсатора равны и равны

(27. 19)

Полную емкость многопластинчатого конденсатора можно рассчитать по формуле уравнение (27.14):

(27.20)

Рисунок 27.6. Схема многопластинчатого конденсатора показана на рисунке. 27.5.

Три конденсатора емкостью C 1 = 2,0 мкФ, C 2 = 5,0 мкФ, а С 3 = 7,0 мкФ, первоначально заряжаются до 36 В от подключив каждый на несколько мгновений к 36-вольтовой батарее. Батарея тогда сняты, а заряженные конденсаторы соединены в замкнутую последовательную цепь, с положительным и отрицательным выводами, соединенными, как показано на рисунке 27.7. Что будет окончательный заряд на каждом конденсаторе? Какое будет напряжение на точки PP’ ?

Рисунок 27.7. Задача 27.13.

Начальные заряды на каждом из трех конденсаторов, q 1 , q 2 и q 3 равны

(27.21)

После подключения трех конденсаторов заряд перераспределится. Заряды трех конденсаторов после стабилизации системы равны Q 1 , Q 2 и Q 3 . Так как заряд сохраняется количество, существует соотношение между q 1 , q 2 и q 3 и Q 1 , Q 2 и Q 3 :

(27.22)

Напряжение между P и P’ может быть выражено через C 3 и Q 3 или в терминах C 1 , C 2 , Q 1 и Q 2 :

(27.23)

и

(27.24)

Используя уравнение (27.22), следующие выражения для Q 1 и Q 2 можно получить:

(27.25)

(27.26)

Подставляя уравнение (27.25) и уравнение (27.26) в уравнение (27.24), мы получаем

(27.27)

Комбинируя уравнение (27.27) и уравнение (27.23), Q 3 можно выразить через известные переменные:

(27.28)

Подставив известные значения емкости и начальных зарядов, получим получить

(27. 29)

Напряжение на P и P’ можно найти, объединив уравнение (27.29) и уравнение (27.23):

(27.30)

Заряды конденсатора 1 и конденсатора 2 равны

. (27.31)

(27.32)

Если пространство между пластинами конденсатора заполнить изолятором, емкость конденсатора будет случайной по сравнению с ситуацией, в которой между пластинами вакуум.Изменение емкости вызвано изменение электрического поля между пластинами. Электрическое поле между пластины конденсатора будут индуцировать дипольные моменты в материале между тарелки. Эти индуцированные дипольные моменты будут уменьшать электрическое поле в области между пластинами. Материал, в котором индуцированный дипольный момент равен линейно пропорциональна приложенному электрическому полю, называется линейным диэлектрик . В материалах этого типа полное электрическое поле между пластины конденсатора E связаны с электрическим полем E , свободным , что существовал бы, если бы не было диэлектрика:

(27. 33)

где [каппа] называется диэлектрической проницаемостью. С момента окончательного электрического поле E никогда не может превышать свободное электрическое поле E free , диэлектрическая постоянная [каппа] должна быть больше 1.

Разность потенциалов на конденсаторе пропорциональна электрическому поле между пластинами. Поскольку наличие диэлектрика снижает силы электрического поля, это также уменьшит разность потенциалов между обкладками конденсатора (если общий заряд на обкладках сохраняется константа):

(27.34)

Емкость C системы с диэлектриком обратно пропорциональна разность потенциалов между пластинами и связана с емкостью C свободный конденсатор без диэлектрика следующим образом

(27.35)

Поскольку [каппа] больше 1, емкость конденсатора может быть значительно увеличивается за счет заполнения пространства между обкладками конденсатора диэлектрик с большой каппа.

Электрическое поле между двумя пластинами конденсатора представляет собой векторную сумму поля, создаваемые зарядами на конденсаторе, и поле, создаваемое поверхностные заряды на поверхности диэлектрика. Генерируемое электрическое поле зарядами на обкладках конденсатора (плотность заряда [сигма] бесплатно ) дается

(27.36)

Полагая плотность заряда на поверхности диэлектрика равной [сигма] связанный , поле, создаваемое этими связанными зарядами, равно до

(27.37)

Электрическое поле между пластинами равно E свободное /каппа и таким образом

(27.38)

Подстановка уравнения (27.36) и уравнения (27.37) в уравнение (27.38) дает

(27.39)

или

(27.40)

Пример: Задача 27.19

Конденсатор с параллельными пластинами с площадью пластин A и расстоянием d содержит пластину диэлектрика толщиной d/2 (см. рис. 27.8) и диэлектрик постоянная [каппа]. Разность потенциалов между пластинами равна [Delta]V.

а) Через заданные величины найти электрическое поле в пустом область пространства между пластинами.

б) Найти электрическое поле внутри диэлектрика.

в) Найдите плотность связанных зарядов на поверхности диэлектрика.

Рисунок 27.8. Задача 27.19.

а) Предположим, что электрическое поле в конденсаторе без диэлектрика равно к Е 0 .Электрическое поле в диэлектрике E d равно относительно свободного электрического поля через диэлектрическую проницаемость [каппа]:

(27.41)

Разность потенциалов между пластинами можно получить, интегрируя электрическое поле между пластинами:

(27.42)

Таким образом, электрическое поле в пустой области равно

. (27.43)

б) Электрическое поле в диэлектрике можно найти, комбинируя уравнение(27.41) и (27.43):

(27.44)

в) Плотность свободного заряда [сигма] свободный равна

(27.45)

Плотность связанного заряда связана с плотностью свободного заряда через следующее отношение

(27. 46)

Объединяя уравнение (27.45) и уравнение (27.46), мы получаем

(27.47)

Электрическое поле в «пустом» конденсаторе можно получить с помощью закона Гаусса.Рассмотрим идеальный конденсатор (без краевых полей) и интегрирование объем, показанный на рис. 27.9. Площадь каждой пластины конденсатора равна A, а заряды на пластинах +/-Q. Заряд, заключенный в объем интегрирования показанный на рис. 27.9, равен +Q. Закон Гаусса гласит, что электрический поток [Phi] через поверхность интегрированного объема относится к заключенному плата:

(27.48)

Если между пластинами вставить диэлектрик, электрическое поле между пластинами пластины изменятся (хотя заряд на пластинах остается постоянным).Очевидно, что закон Гаусса, сформулированный в уравнении (27.48), в данном случае не выполняется. Электрическое поле E между пластинами конденсатора связано с поле без диэлектрика E свободное :

(27. 49)

где [каппа] — диэлектрическая проницаемость материала между пластинами. Теперь закон Гаусса можно переписать как

. (27.50)

Закон Гаусса в вакууме является частным случаем уравнения (27.50) с [каппа] = 1.

Рисунок 27.9. Идеальный конденсатор.

Пример: Задача 27.25

Металлический шар радиусом R окружен концентрическим диэлектриком. оболочка с внутренним радиусом R и внешним радиусом 3R/2. Это окружено концентрическая тонкая металлическая оболочка радиусом 2R (см. рис. 27.10). То диэлектрическая проницаемость оболочки [каппа]. Какая емкость у этого приспособление?

Предположим, что заряд внутренней сферы Q свободен .Электрический поле внутри диэлектрика можно определить, применив закон Гаусса для диэлектрика (уравнение (27.50)) и используя в качестве интегрированного объема сферу радиуса r (где R < r < 3R/2)

(27.51)

Таким образом, электрическое поле в этой области определяется выражением

. (27.52)

Рисунок 27.10. Задача 27.25. Электрическое поле в области между 3R/2 и 2R может быть получено аналогичным образом и равно

(27.53)

Используя электрическое поле из уравнения (27.52) и уравнения (27.53), мы можем определить разность потенциалов [Delta]V между внутренней и внешней сферой:

(27.54)

Емкость системы может быть получена из уравнения (27.54) с использованием определение емкости через заряд Q и потенциал разница [Дельта]V:

(27.55)

Электрическая потенциальная энергия конденсатора без диэлектрика и с заряд +/-Q на его пластинах дается

(27.56)

где V 1 и V 2 — потенциалы двух пластин. Электрическая потенциальная энергия также может быть выражена через емкость С конденсатора

(27.57)

Эта формула верна и для конденсатора с диэлектриком; свойства диэлектрика входит в эту формулу через емкость C.

Пример: Задача 27.40

Десять одинаковых конденсаторов емкостью 5 мкФ подключены параллельно к сети 240 В. батарея.Затем заряженные конденсаторы отсоединяют от батареи и соединены последовательно, положительный вывод каждого конденсатора соединен к минусовой клемме следующего. Какова разница потенциалов между отрицательный вывод первого конденсатора и положительный вывод второго последний конденсатор? Если эти терминалы подключены через внешнюю цепь, как много заряда будет течь по этой цепи, когда последовательно разряжается ? Сколько энергии выделяется при разряде? Сравните этот заряд и этот энергия с зарядом и энергией, хранящейся в исходном, параллельном расположении, и объясните все несоответствия.

Заряд каждого конденсатора после подключения к батарее 240 В равен равно

(27.58)

Разность потенциалов на каждом конденсаторе останется равной 240 В после конденсаторы соединены последовательно. Полная разность потенциалов на Таким образом, десять конденсаторов равны

. (27.59)

Если два концевых вывода конденсаторной сети соединены, заряд 1.2 мКл потечет от положительной клеммы к отрицательной (см. Рисунок 27.11).

Рисунок 27.11. Задача 27.40. Электрическая энергия, запасенная в конденсаторной сети до разряд равен

(27.60)

Энергия, запасенная в каждом конденсаторе после зарядки до 240 В, равна до

(27.61)

Ясно, что в процессе замены конденсатора энергия не теряется. Конфигурация с параллельного на последовательный.

Пример: Задача 27.39

Три конденсатора подключены, как показано на рис. 27.12. Их емкости C 1 = 2,0 мкФ, C 2 = 6,0 мкФ и С 3 = 8,0 мкФ. Если к двум свободным выводы, какой будет заряд на каждом конденсаторе? Что будет электрическая энергия каждого?

Рисунок 27.12. задача 27.39.

Предположим, что напряжение на конденсаторе C 1 равно V 1 , а напряжение на конденсаторе (C 2 + C 3 ) равно V 2 . Если заряд конденсатора C 1 равен Q 1 , то заряд параллельного конденсатора также равен Q 1 . потенциал разница по этой системе равна

(27.62)

Таким образом, заряд конденсатора 1 определяется разностью потенциалов [Дельта]В

(27.63)

Напряжение V 23 на конденсаторе (C 2 + C 3 ) относится к сбору Q 1

(27.64)

Заряд конденсатора С 2 равен

(27.65)

Заряд конденсатора С 3 равен

(27.66)

Электрическая потенциальная энергия, запасенная в каждом конденсаторе, равна

·

. (27.67)

Для трех конденсаторов в этой задаче электрическая потенциальная энергия равна до

(27.68)

(27.69)

(27.70)


Присылайте комментарии, вопросы и/или предложения по электронной почте [email protected]

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.