По каким свойствам твердые тела делятся на диэлектрики

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 29 октября 2020; проверки требуют 3 правки.

Схема конденсатора с параллельными пластинами с диэлектриком. Две пластины с площадью находятся на расстоянии . Когда заряд находится на пластинах, в промежутке между пластинами возникает электрическое поле . Диэлектрик поляризуется из-за смещения зарядов в его молекулах и атомах, уменьшая общее внутреннее поле и увеличивая электрическую ёмкость конденсатора.

Иное название этого понятия — «изолятор»; см. также другие значения.

Диэле́ктрик (изолятор) (от др.-греч. διά «через; раздельно», и др.-греч. ἤλεκτρον — «янтарь») — вещество (материал), относительно плохо проводящее электрический ток. Электрические свойства диэлектриков определяются их способностью к поляризации во внешнем электрическом поле. Термин введён в науку английским физиком М. Фарадеем[1].

Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 см−3. В электродинамике диэлектрик — среда с малым на рассматриваемой частоте значением тангенса угла диэлектрических потерь ()[2], в такой среде сила тока проводимости[3] много меньше силы тока смещения.

Под «идеальным диэлектриком» понимают среду со значением , прочие диэлектрики называют «реальными» или диэлектриками (средами) «с потерями». С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.

Исследование диэлектрических свойств касается хранения и рассеивания электрической и магнитной энергии в материалах[4][5]. Понятие диэлектрики важны для объяснения различных явлений в электронике, оптике, физике твердого тела и клеточной биофизике.

Терминология[править | править код]

Хотя термин «изолятор» подразумевает низкую электрическую проводимость, диэлектрик обычно означает материалы с высокой поляризуемостью. Последнее выражается числом, называемым относительной диэлектрической проницаемостью. Термин «изолятор» обычно используется для обозначения электрической непроводимости, тогда как термин «диэлектрик» используется для подчёркивания способности материала к накоплению энергии посредством поляризации.

Термин «диэлектрик» был придуман Уильямом Уэвеллом в ответ на просьбу Майкла Фарадея[6][7]. Идеальным диэлектриком является материал с нулевой электрической проводимостью[8].

Физические свойства[править | править код]

Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10−5 Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых ρ > 108 Ом·м. Удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10−8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 1016 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий внешней среды может изменяться в пределах 10−5—108 Ом·м.

Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь 25 являются неметаллами, причём 12 элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ известны тысячи химических соединений, сплавов или композитов со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Чёткую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков — возбуждённым.

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

Параметры[править | править код]

Параметры диэлектриков определяют их механические (упругость, прочность, твердость, вязкость), тепловые (тепловое расширение, теплоемкость, теплопроводность), электрические (электропроводность, поляризация, поглощение энергии, электрическая прочность), магнитные, оптические свойства, а также определяют их электрический, механический, тепловой отклики на воздействие электрического поля, механического напряжения, температуры[9].

Примеры[править | править код]

К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, жидкости, например, масла, стёкла, различные смолы, пластмассы.

Удельное сопротивление деионизированной воды (см. также: бидистиллят) — 18 МОм·см.

К диэлектрикам относят также параэлектрики — нелинейные диэлектрики, не обладающие спонтанной поляризацией, относительная диэлектрическая проницаемость которых уменьшается с ростом температуры (титанаты стронция, калия, кадмия; сегнетоэлектрики выше температуры Кюри).

Ряд диэлектриков проявляют интересные физические свойства. К ним относятся электреты, пьезоэлектрики, пироэлектрики, сегнетоэластики, сегнетоэлектрики, релаксоры и сегнетомагнетики.

Использование[править | править код]

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

Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы.

Пассивные свойства[править | править код]

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

Активные свойства диэлектриков[править | править код]

Активными диэлектриками, диэлектрические свойства которых зависят от приложенного напряжения, влияния внешней среды являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

Примечания[править | править код]

↑ Леванюк А. П. Диэлектрики // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 694—698. — 704 с. — 100 000 экз.
↑ Никольский В. В., Никольская Т. И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1989.
↑ Ток проводимости — направленное движение электрических зарядов
↑ Thoms, E.; Sippel, P.; et., al. Dielectric study on mixtures of ionic liquids (англ.) // Sci. Rep. (англ.)русск. : journal. — 2017. — Vol. 7, no. 1. — P. 7463. — doi:10.1038/s41598-017-07982-3. — Bibcode: 2017NatSR…7.7463T. — arXiv:1703.05625. — PMID 28785071.
↑ Belkin, A.; Bezryadin, A.; Hendren, L.; Hubler, A. Recovery of Alumina Nanocapacitors after High Voltage Breakdown (англ.) // Sci. Rep. (англ.)русск. : journal. — 2017. — Vol. 7, no. 1. — P. 932. — doi:10.1038/s41598-017-01007-9. — Bibcode: 2017NatSR…7..932B. — PMID 28428625.
↑ Daintith, J. Biographical Encyclopedia of Scientists. — CRC Press, 1994. — С. 943. — ISBN 978-0-7503-0287-6.
↑ James, Frank A. J. L., editor. The Correspondence of Michael Faraday, Volume 3, 1841—1848, Letter 1798, William Whewell to Faraday, p. 442. (недоступная ссылка). Дата обращения: 4 апреля 2020. Архивировано 23 декабря 2016 года. The Institution of Electrical Engineers, London, United Kingdom, 1996. ISBN 0-86341-250-5
↑ [[1] в «Книгах Google» Microwave Engineering – R. S. Rao (Prof.)] (англ.).
↑ Рез, 1989, с. 18.

Ссылки[править | править код]

Диэлектрик // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
Характеристики электроизоляционных материалов
Производство диэлектриков

Литература[править | править код]

Рез И. С., Поплавко Ю. М. Диэлектрики. Основные свойства и применения в электронике. — М.: Радио и связь, 1989. — 288 с. — ISBN 5-256-00235-X.
Богородицкий Н. П., Волокобинский Ю. М., Воробьев А. А., Тареев Б. М. Теория диэлектриков. — М.Л.: Энергия, 1965. — 344 с. — 10 000 экз.
Орешкин П. Т. Физика полупроводников и диэлектриков. — М.: Высшая школа, 1977. — 448 с. — 22 000 экз.
Горелик С. С., Дашевский В. Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. — М., Металлургия, 1988. — 574 с.
Киселев В. Ф. Поверхностные явления в полупроводниках и диэлектриках. — М., Наука, 1970. — Тираж 7800 экз. — 399 с.
Флоренский П. А. Диэлектрики и их техническое применение. Ч. 1 : Общие свойства диэлектриков. — М.: Р. И. О. ГЛАВЭЛЕКТРО ВСНХ. 1924.

Источник

(картон Твердые диэлектрики – это чрезвычайно широкий класс веществ, содержащий вещества с радикально различающимися электрическими, теплофизическими, механическими свойствами. Например, диэлектрическая проницаемость меняется от значения, незначительно превышающего 1, до более чем 50000, в зависимости от типа диэлектриков: неполярный, полярный, сегнетоэлектрик. В главе 1 приводились определения различных типов диэлектриков. Вкратце коснемся этих определений применительно к твердым диэлектрикам.

Неполярный диэлектрик – вещество, содержащее молекулы с преимущественно ковалентной связью.

Полярный диэлектрик – вещество, содержащее дипольные молекулы или группы, или имеющее ионы в составе структуры.

Сегнетоэлектрик – вещество, имеющее в составе области со спонтанной поляризацией.

Механизмы поляризации у них резко различаются:

– чисто электронная поляризация у неполярных диэлектриков типа полиэтилена, полистирола, при этом e-мала, не более 3, диэлектрические потери тоже малы;

– ионная поляризация у ионных кристаллов типа NaCl или дипольная у полярных диэлектриков типа льда, при этом e может находиться в пределах от 3-4 до 100, диэлектрические потери могут быть весьма значительны, в особенности на частотах вращения диполей и других резонансных частотах;

– доменная поляризация у сегнетоэлектриков – при этом e максимальна и может достигать 10000-50000, диэлектрические потери могут быть весьма значительны, в особенности на резонансных частотах и в области повышенных частот.

Особенности механизмов проводимости в твердых диэлектриках – концентрация носителей очень мала, подвижность ионов в гомогенных материалах очень мала, подвижность электронов в чистых материалах велика, в технически чистых – мала. Механизмы электропроводности различны в разных веществах. Ионная проводимость реализуется у полидисперсных диэлектриков, бумага, гетинакс, дерево) и ионных кристаллов. В первом случае ионы передвигаются по границам раздела, образованным слипшимися дисперсными частицами. Появление носителей заряда сильно связано с влажностью этих материалов и определяется, как рассматривалось в лекциях 2 и 9 диссоциацией примесей и полярных групп основного вещества на поверхности раздела. В случае ионных кристаллов, в проводимости участвуют ионы основного вещества, примесей, дефекты структуры. Электронная проводимость реализуется у титанатов бария, стронция и т.д., электронная, дырочная и ионная проводимость у полимеров.

Термопласты – размягчаются при нагревании, что позволяет использовать простую технологию термопрессования. При этом гранулы исходного полимера помещают в камеру термопласт – автомата, нагревают до температуры размягчения, прессуют и охлаждают. Так делают мелкие диэлектрические детали. Для крупногабаритных изделий, типа кабелей, полутвердый расплав выдавливают через фильеру вместе с внутренним электродом кабеля

Наиболее распространенным диэлектриком этого класса является полиэтилен H-(CH2)nH. Полиэтилен производят путем полимеризации газа этилена при повышенных давлениях и температурах. В основном используются две технологии. Исторически первой была технология получения полиэтилена при высоком давлении до 250 МПа и температуре до 300 °С с помощью инициирующих агентов-окислителей. При этом получается т.н. полиэтилен высокого давления ПЭВД, для которого используется и другое название – полиэтилен низкой плотности (ПЭНП). В настоящее время более распространена технология получения полиэтилена с помощью катализаторов при невысоком давлении до 1 МПа, невысокой температуре до 80 °С. При этом получается т.н. полиэтилен низкого давления ПЭНД, для которого используется и другое название – полиэтилен высокого плотности (ПЭВП). Главное отличие полученных продуктов с физико-химической точки зрения – повышенная водостойкость ПЭНД по сравнению с ПЭВД. .

Рядом уникальных свойств обладает фторопласт (политетрафторэтилен). Он химически инертен, не растворяется в растворителях, вплоть до температуры 260 °С, абсолютно не смачивается водой, не гигроскопичен. Недостатки – не стоек под действием радиации, обладает хладотекучестью.

Реактопласты – при нагревании не размягчаются, после достижения некоторой температуры начинаются разрушаться. Изделия из них обычно делают различными способами. Одна из распространенных дешевых технологий заключается в следующем. Сначала готовят пресс-порошки полимера. Затем пресс порошок засыпают в пресс-форму и прессуют при определенном давлении и температуре. При этом возникает сцепление между деформированными частицами, и после охлаждения материал готов к использованию. Возможно проведение полимеризации из исходных компонентов в заранее подготовленных формах.

Эпоксидные полимерыобладают хорошей механической прочностью, удовлетворительными электрофизическими характеристиками. Они являются полярными диэлектриками, некоторые марки эпоксидных материалов имеют диэлектрическую проницаемость до 16. Высокая полярность приводит к слабой водостойкости. Главное преимущество эпоксидных компаундов – простота технологии приготовления. Компаунды холодного отвержения получают смешиванием эпоксидной смолы, отвердителя и пластификатора. В период времени до начала твердения (от минут до часов) жидкую композицию можно заливать в требуемую форму. Часто компаунд используют для ремонта диэлектрических деталей в качестве клея.

Из других полимеров-реактопластов отметим диэлектрический материал с высокой механической прочностью – капролон, с большим диапазоном рабочих температур (-100°С до +250°С) – полиимиды и композиты на их основе.

Билет 17

Источник

§ 6. Деление твердых тел на проводники, полупроводники и диэлектрики

Физические свойства твердых тел, и в первую очередь их электрические свойства, определяются не тем, как образовались зоны, а тем, как они заполнены. С этой точки зрения все кристаллические тела можно разделить на две принципиально различные группы.

Проводники. В первую группу входят тела, в энергетическом спектре которых над целиком заполненными зонами располагается зона, заполненная частично (рис. 10, а). Как мы видели, частичное заполнение зон наблюдается у щелочных металлов, у которых верхняя зона образуется из незаполненных атомных уровней, а также у кристаллов щелочноземельных элементов, верхняя зона которых благодаря перекрытию заполненных и пустых зон является гибридной. Все тела, входящие в первую группу, являются проводниками.

Рис. 10

Полупроводники и диэлектрики. Во вторую группу объединяются тела, у которых над целиком заполненными зонами располагаются совершенно пустые зоны (рис. 10, б, в). В эту группу входят и кристаллы, имеющие структуру алмаза, такие, как кремний, германий, серое олово, собственно алмаз и др. К этой группе относятся и многие химические соединения – окислы металлов, карбиды, нитриды металлов, корунд (Аl2O3) и др. Вторая группа твердых тел объединяет полупроводники и диэлектрики. Самая верхняя заполненная зона в группе этих кристаллов называется валентной зоной, а находящаяся над ней первая пустая зона – зоной проводимости. Самый верхний уровень валентной зоны называется потолком валентной зоны и обозначается (индекс υ происходит от английского слова valency – валентность). Самый нижний уровень зоны проводимости называется дном зоны проводимости и обозначается Wc (индекс с происходит от английского слова conductivity – проводимость).

Принципиальной разницы между полупроводниками и диэлектриками нет. Деление их в пределах второй группы довольно условно и определяется шириной зоны запрещенных энергий Wg, отделяющей целиком заполненную зону от пустой. Тела, имеющие ширину запрещенной зоны эВ, относят в подгруппу полупроводников. Типичными представителями их являются германий кремний арсенид галлия антимонид индия InSb (Wg ≈ 0,2 эВ).

Тела, у которых Wg > 3 эВ, относят к диэлектрикам. Широко известными диэлектриками являются корунд (Wg ≈ 7 эВ), алмаз (Wg > 5 эВ), нитрид бора и др.

Условность деления твердых тел в пределах второй группы на диэлектрики и полупроводники подчеркивается тем, что многие общепризнанные диэлектрики в настоящее время начинают использоваться в технике как полупроводники. Так, уже сегодня в полупроводниковых устройствах применяется карбид кремния с шириной запрещенной зоны около 3 эВ. И даже такой классический представитель группы диэлектриков, как алмаз, в последнее время изучается в плане возможного использования его в полупроводниковой технике.

Степень заполнения зон электронами и проводимость кристаллов. Рассмотрим свойства кристалла с частично заполненной верхней зоной при абсолютном нуле температуры (Т = 0). В этих условиях в отсутствие внешнего электрического поля все электроны займут самые нижние уровни в зоне, располагаясь на них попарно в соответствии с принципом Паули.

Создадим теперь в кристалле внешнее электрическое поле с напряженностью Е. Поле это будет действовать на каждый электрон с силой F = -eE. Приобретение ускорения электроном означает увеличение его энергии, что должно сопровождаться переходом электрона на более высокие уровни. Поскольку в частично заполненной зоне имеется много свободных энергетических уровней, то такие переходы оказываются вполне возможными. А так как энергетическое расстояние между уровнями очень мало, то даже ничтожные электрические поля вызывают переход электронов на более высоко расположенные уровни. Таким образом, в твердых телах с частично заполненной зоной внешнее электрическое поле увеличивает скорость движения электронов в направлении действия силы со стороны этого поля, что и означает появление электрического тока. Именно такие тела мы называем проводниками.

В отличие от проводников тела, характеризующиеся наличием только заполненных или пустых зон, не способны проводить электрический ток. Внешнее поле в таких твердых телах не может создать направленное движение электронов, так как приобретение электроном дополнительной энергии за счет действия поля означало бы переход его на более высокий уровень; между тем уровни валентной зоны все заняты. В пустой же зоне проводимости, хотя и много свободных мест, нет электронов, а практически используемые электрические поля оказываются не способными сообщить электронам такую энергию, чтобы перевести их из валентной зоны в зону проводимости (здесь исключаются из рассмотрения электрические поля, способные вызвать пробой диэлектрика). В силу всех этих причин даже в полупроводниках внешнее поле не может вызвать появление электрического тока. Вот почему при температуре, соответствующей абсолютному нулю, полупроводник в отношении электропроводности ничем не отличается от диэлектрика.

Источник