|
|
Классификация диэлектриков.По функциям, выполняемым в аппаратуре диэлектрики разделены на пассивные и активные. К пассивным диэлектрикам относятся изоляционные материалы, недопускающие утечки тока и конденсаторные, выполняющие роль накопителей энергии. К активным диэлектрикам относятся материалы, которые используются для создания различных преобразователей, усиления сигналов по мощности, элементов памяти, датчиков, активных элементов лазеров и т.д. Резкой границы между активными и пассивными диэлектриками не существует. От условий эксплуатации зависят выполняемые диэлектриком функции. Пассивные диэлектрики– каучуки; композиционные, порошковые пластмассы; пропиточные компаунды и лаки; волокнистые непропитанные; лакоткани и слоистые пластики; монокристаллические; стёкла; керамика. Активные диэлектрики –управляемые эл. током ( сегнетоэлектрики); механическим усилием ( пьезоэлектрики); светом и излучающие; электреты.
По химическому составу
По строению
По свойствам
По химическому составу диэлектрики разделяют на органические и неорганические. К органическим относятся полимеры, резина, шелк; к неорганическим - слюда, керамика, стекло, ситаллы. По электрическим свойствам диэлектрики подразделяют на низкочастотные (электротехнические) и высокочастотные (радиотехнические).
Стабильность структуры и свойств диэлектриков определяет сроки их эксплуатации. Наибольшую стабильность имеют керамика и ситаллы, в стеклах под влиянием поля мигрируют ионы щелочных металлов и образуются электропроводящие мостики. Добавки РЬО и ВаО увеличивают стойкость стекла против электрохимического пробоя, связанного с миграцией ионов щелочных металлов. Органические диэлектрики разрушаются при комбинированном действии нагрева, окисления на воздухе и ионизации, поэтому их срок службы меньше, чем у керамики или стекла. Большинство пластмасс под действием разрядов обугливается и теряет изолирующую способность. Этого недостатка лишены полистирол, органическое стекло, фторопласты и кремнийорганические пластики. Среди диэлектриков самыми важными являются керамические материалы и особенно сегнетокермика. Керамика имеет наиболее разнообразные электрические свойства, почти не подвержена старению и устойчива к нагреву. Установочная керамика применяется для изготовления изоляторов, колодок, плат, каркасов, катушек и т.п. она должна иметь низкие потери, хорошие изоляционные свойства и прочность. Для работы при низких частотах используют электрофорфор, который дешев и имеет неплохие электрические свойства. Его недостатки - большие потери, резко возрастающие при нагреве выше 200°С, и низкая механическая прочность. Недостатки электрофарфора объясняются свойствами стекла, которого в нем содержится довольно много. Основным материалом, используемом для изготовления деталей, предназначенных для работы при высоких частотах, является стеатит, который получают из талька. Стеатиты не содержат вредных примесей, их свойства стабильны до 100°С. они легко прессуются, при отжиге дают усадку всего 1-2% и используются для деталей с плотной и пористой структурой и точными размерами. В отличие от других видов керамики стеатит удовлетворительно режется (после предварительного обжига). Недостатки стеатита - растрескивание при быстрых сменах температуры и трудность обжига. Конденсаторная керамика должна иметь большую ε, обеспечивающую повышенную удельную емкость, низкие потери и малый ТКε. Применение такой керамики увеличивает надежность работы и теплостойкость конденсаторов, уменьшает их размеры. Конденсаторная керамика, применяемая при высоких частотах, не должна иметь очень большие значения ε во избежание потерь. Для высокочастотных конденсаторов применяют ультрафарфор, стеатит, станнатную керамику, но лучшие свойства имеет керамика на основе ТiO2. эту керамику подразделяют на две группы: тиконды и термоконды. В тикондах основным видом кристаллов является рутил - наиболее плотная модификация TiO2. чем больше содержание ТiO2 в керамике, тем выше значения ε и TK ε. Основная область применения тикондов – термокомпенсирующие конденсаторы. Термоконды наряду с ТiO2 содержат ZrO2 и другие добавки. Они имеют низкие значения TKε и используются для конденсаторов высокой стабильности. Лучшая конденсаторная керамика, применяемая при низких частотах, - сегнетокерамика, так как велики значения ε. Недостатками сегнетокерамики являются сравнительно большие потери и невысокая электрическая прочность. Сегнетокерамику подразделяют на материалы с небольшой и большой нелинейностью. У материалов первой группы ε во всем интервале рабочих температур изменяется не более чем на 30%. Различные марки керамики этой группы отличаются друг от друга значением ε = 1000-7500 и положением температурного максимума ε. У материалов второй группы зависимость ε от напряженное и поля характеризуется коэффициентом нелинейности К. Он равен отношению εmax к εнач определенному в слабом поле (2-5 В/м). Материалы с большой нелинейностью используют в варикондах -конденсаторах переменной емкости. При одновременном действии постоянного и переменного полей ε становится изменчивой (её называют реверсивной и обозначают ε рев), и её значение определяется соотношением напряженностей полей. Чем больше напряженность постоянного поля, тем лучше ориентированы домены и слабее действие переменного поля на пoляpизaцию. Заданное значение ε получают соответствующим выбором постоянного и переменного напряжений, приложенных к конденсатору. Изменяя постоянное или переменное напряжение, можно изменить емкость конденсатора в несколько раз (в пределах, определяемых коэффициентом нелинейности). Вариконды используют в усилителях, делителях, умножителях частоты и других устройствах. Пьезоэлектрики - вещества, у которых под действием механических напряжений возникает поляризация (прямой пьезоэффект) и под действием электрического поля изменяются размеры (обратный пьезоэффект). К пьезоэлектрикам относятся поляризованные сегнетоэлектрики с остаточной поляризацией, а также кристаллы, не имеющие центра симметрии. В основе пьезоэффекта лежит смещение ионов в кристаллической решетке при упругой деформации. Пьезоэффект анизотропен и характеризуется пьезомодулем - зарядом, который появляется на поверхности пластин пьезоэлектрика под действием единичной силы. Обычно измеряют так называемый продольный пьезомодуль по заряду на поверхности, перпендикулярной направлению поляризации, когда нагрузка приложена перпендикулярно этой же поверхности. От пьезоэлектриков требуются высокие значения пьезомодуля и малые потери. Сегнетокерамика имеет пьезомодули около 6-10-10 Кл/Н, что на один-два порядка больше, чем у кварца. Структура пьезокерамики - твердые растворы на основе титаната бария, ниобата бария, ниобата и титаната свинца. Для диэлектрических, как и для полупроводниковых материалов, свойственно явление значительного увеличения проводимости при облучении их светом с энергией квантов Ф1 и Ф2 , способных перевести электрон с примесного уровня П или из валентной зоны В в свободную зону С (см. рис 4.2). Как правило, для диэлектрических материалов такой свет соответствует ультрафиолетовому диапазону спектра. Активные диэлектрики Активными называют диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздействия для создания функциональных элементов электроники. Активные диэлектрики позволяют осуществлять генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, запоминание или преобразование информации. К числу активных диэлектриков относят сегнето-, пьезо- и пироэлектрики; электреты; материалы квантовой электроники - для лазеров на твердых диэлектриках (рубин, иттрий-алюминевый гранат и др.); жидкие кристаллы; электро- , магнито- и акустооптические материалы; диэлектрические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами и др. Свойствами активных диэлектриков могут обладать не только твердые, но также и жидкие и даже газообразные вещества (например, активная среда газовых лазеров) По химическому составу
По строению
По свойствам
Резкой границы между активными и пассивными диэлектриками не существует. От условий эксплуатации зависят выполняемые диэлектриком функции. Наиболее универсальными свойствами характеризуются сегнетоэлектрики, которые сочетают в себе свойства пьезо- и пироэлектриков, электрооптических и нелинейно-оптических материалов. Сегнетоэлектрики обладают и рядом специфических, только им присущих свойств, важнейшим их них является нелинейное изменение поляризации при воздействии электрического поля. Сегнетоэлектрики Сегнетоэлектриками называются вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью электрического тока. В отсутствие внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру. Домены представляют собой микроскопические области, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, которая возникает под влиянием внутренних процессов в диэлектрике (рис. 17.12). Направление электрических моментов у разных доменов различно. Поэтому суммарная полярность образца в целом может быть равна нулю. В принципе, если кристалл имеет малые размеры, то он может состоять всего лишь из одного домена. Однако крупные образцы всегда разбиваются на множество доменов, поскольку однодоменное состояние энергетически невыгодно. Разбиение на домены уменьшает электростатическую энергию сегнетоэлектрика. Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков значительно выше, чем у других веществ (в титаните бария BaTiO3 e составляет несколько тысяч), и зависит от напряженности внешнего электрического поля, вызывающего переориентацию диполей доменов. Поэтому у сегнетоэлектриков интенсивность поляризации
где dj - складывающиеся геометрически электрические моменты отдельных атомов или молекул; V - объем;
(в слабых полях P= e0(e-1)E = e0cE, c - диэлектрическая восприимчивость) не пропорциональна напряженности поля E. Зависимость Р(Е) носит характер петли гистерезиса(рис.17.11) (рис. 137), из-за этой зависимости в англоязычных странах сегнетоэлектрики называют ферроэлектриками.
Рис. 17.12. С ростом напряженности поля достигается насыщение P=PS. При уменьшении E до нуля величина P не обращается в нуль (PR - остаточная поляризованность). Только при изменении направления поля и достижении им определенного значения ±Ес, называемого коэрцитивной силой поляризованность исчезает. Дальнейший ход зависимости Р(Е) очевиден из рисунка. Величины Ес и PR определяются природой материала. В отсутствии электрического поля интенсивность поляризации значительно меньше суммы (арифметической) электрических моментов диполей всех атомов единицы объема. Причина заключается в доменной структуре сегнетоэлектриков и в том, что направление векторов поляризации соседних доменов не совпадают (энергетически наиболее выгодна противоположная направленность векторов поляризации соседних доменов) ( рис. 17.12). При этом, обеспечивается электрическая нейтральность доменных границ, т.е. проекция вектора поляризации на границу со стороны одного домена должна быть равна длине и проекции вектора поляризации со стороны соседнего домена. По этой причине электрические моменты доменов ориентируются по принципу "голова" к "хвосту". (Установлено, что линейные размеры доменов составляют от 10-4 до 10-1 см). Толщина стенок между сегнетоэлектрическими доменами порядка одного-двух межатомных расстояний. Сумма векторов поляризации доменов, а, следовательно, и поляризованность всего кристалла равны нулю. С приложением внешнего электрического поля происходит смещение границ доменов и увеличение объема тех из них, у которых вектор поляризации направлен вдоль вектора (согласно с ним) за счет объема доменов с противоположной направленностью вектора поляризации. В целом это приводит к увеличению поляризации образца вдоль направления электрического поля. При полях напряженности примерно 104 В/м все электрические моменты ориентируются вдоль вектора Доменную структуру сегнетоэлектриков можно исследовать оптическим методом в поляризованном свете. Каждый домен имеет свой показатель преломления и отличается по прозрачности и коэффициенту отражения. Возможны и другие методы наблюдения, например, осаждение на поверхность диэлектрика электрически заряженных порошков, концентрирующихся вдоль границ доменов. Если в поляризованном до насыщения образце уменьшить напряженность поля до нуля, то поляризованность в нуль не обратится, а примет некоторое значение PR и будет иметь место диэлектрический гистерезис, обусловленный необратимым смещением доменных границ под воздействием поля ( рис. 17.11). Это свидетельствует о дополнительном механизме диэлектрических потерь (т.е. потребляется электрическая мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле), связанных с затратами энергии на ориентацию доменов. Площадь гистерезисной петли пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период. Вследствие потерь на гистерезис сегнетоэлектрики характеризуются весьма большим тангенсом угла диэлектрических потерь, который в типичных случаях tgd = 0.1 (углом диэлектрических потерь d называют угол, дополняющий до 90o угол сдвига фаз j между током и напряжением в емкостной цепи; в случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на угол 90o; при этом d равен нулю. Чем больше в диэлектрике рассеивается мощность, тем меньше угол сдвига фаз j и тем больше угол d и его функция tgd.
С повышением To возрастает хаотичное тепловое движение атомов решетки, упорядоченность атомов нарушается и при T>Tc, где Tc - точка Кюри, самопроизвольная поляризация спадает по закону Кюри-Вейсса
(c - const), происходит распад доменной структуры и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние. Примерами сегнетоэлектриков могут служить титанат бария BaTiO3 (Tc=393K) (рис.139), сегнетова соль NaKC4O6*4H2O (Tc=255¸297 K), необат калия KnbO3 (Tc=708 K), фосфат калия KH2PO4 (дигидрофосфат) (Tc=123 K). Как правило, сегнетоэлектрики используются в виде керамики, образованной из порошков или окислов прессованием и обжигом при T=1600-1800 К. Преимуществами керамики являются легкость изготовления, прочность, стабильность, возможность получения сложных конфигураций.
Рис.17.13.
Сегнетоэлектрики находят широкое применение при изготовлении малогабаритных конденсаторов в качестве нелинейных элементов радиотехнических устройств, в технике ультразвука. Во внешнем электрическом поле изменяются преломляющие свойства сегнетоэлектрических кристаллов (компоненты тензора показателя преломления): это явление используется для управления световыми пучками (оптические затворы, модуляторы и умножители частоты лазерного излучения и т.д.). У некоторых сегнетоэлектриков и пироэлектриков (если деформация решетки вызвана изменением температуры, то явление возникновения поляризации называется пиротехническим эффектом (турмалин, сегнетова соль - пироэлетрики); если при механической деформации кристаллической решетки возникает поляризация - пьезоэлектрических эффект: сегнетова соль, фосфат аммония, a-кварц - пьезоэлектрики для стабилизаторов, звукоснимателей, излучателей и приемников ультразвуковые колебания) можно наблюдать явление фоторефракции под действием интенсивных пучков света (лучей лазера). В тех точках, на которые падает луч, изменяется показатель преломления, и это изменение сохраняется длительное время после облучения. Очевидно, это связано с образованием под действием облучения свободных электронов, которые задерживаются вблизи дефектов кристалла и создают локальные электрические поля, а, следовательно, и локальные изменения показателя преломления. На этом явлении могут основываться оптические запоминающие устройства. Кристаллическая решетка ряда диэлектриков (например, цирконата свинца PbZrO3) может быть представлена в виде вдвинутых друг в друга подрешеток из разноименных ионов, причем дипольные моменты подрешеток противоположно ориентированны и взаимно компенсируются, так что самопроизвольной поляризации всего объема не наблюдается. Такие диэлектрики называют оптосегнетоэлектриками. Но при Е>Екр у них начинается переориентация дипольных моментов, и они переходят в сегнетоэлектрическое состояние с гистерезисной зависимостью Р(Е), показанной на рис. 17.13 (рис.140). Пьезоэлектрики В отсутствие внешнего электрического поля суммарный электрический момент кристалла равен нулю. Существуют, однако, вещества, называемые пьезоэлектриками, с особой симметрией расположения ионов в решетке, которая нарушается при механической деформации тела. Это приводит к появлению электрической поляризации по величине, которой можно судить о приложенной деформации. При не очень больших деформациях поляризованность пропорциональна приложенной силе и изменяет знак при изменении направления деформации. Указанное явление называется пьезоэлектрическим эффектом.
Рис.17.14. В симметричном кристалле центры (+) и (-) зарядов ( рис. 17.14,а) (рис.141а) совпадают D=0, поляризация = 0 на рис. 17.14,б (рис.141б) поляризация ¹ 0 У большинства диэлектриков наблюдается в той или иной степени явление электрострикции, заключающееся в изменении размеров тела в случае приложения внешнего электрического поля, которое взаимодействует с диполями молекул или ионов и создает деформирующие силы.
Относительное изменение размеров невелико и пропорционально квадрату напряженности электрического поля. Однако у пьезоэлектриков деформация ярко выражена (обратный пьезоэлектрический эффект), причем Из типичных пьезоэлектриков можно назвать сегнетову соль, фосфат аммония, a-кварц. Несмотря на сравнительно малые изменения размеров под действием электрического поля (у кварца Если деформация решетки вызвана изменением температуры, то явление возникновения поляризации называется пироэлектрическим эффектом. Наиболее известные пироэлектрики - турмалин и сегнетова соль.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|
(или вектор поляризованности)
Рис.17.11.
и на гистерезисной кривой наблюдается насыщение.
=Е - напряженность электрического поля, и при изменении направления поля растяжение кристалла переходит в сжатие, в чем и проявляется отличие обратного пьезоэлектрического эффекта от электрострикции.