Permeabilidad eléctrica

La permeabilidad es una cantidad que caracteriza la capacitancia de un dieléctrico colocado entre las placas de un capacitor. Como saben, la capacitancia de un capacitor plano depende del tamaño del área de las placas (que área más grande placas, mayor es la capacitancia), la distancia entre las placas o el espesor del dieléctrico (cuanto más grueso es el dieléctrico, menor es la capacitancia), así como del material del dieléctrico, cuya característica es la permeabilidad eléctrica.

Numéricamente, la permeabilidad eléctrica es igual a la relación de la capacitancia de un capacitor con algún dieléctrico del mismo condensador de aire... Para crear condensadores compactos, es necesario utilizar dieléctricos con alta permeabilidad eléctrica. La permeabilidad eléctrica de la mayoría de los dieléctricos es de varias unidades.

En tecnología se han obtenido dieléctricos con alta y ultra alta permeabilidad eléctrica. La mayoría de ellos son rutilo (dióxido de titanio).

Figura 1. Permeabilidad eléctrica del medio

Ángulo de pérdida dieléctrica

En el artículo "Dieléctricos" examinamos ejemplos de la inclusión de un dieléctrico en un circuito de CC y CA. Resultó que cuando un dieléctrico real trabaja en un campo eléctrico formado por un voltaje alterno, se libera energía térmica. La potencia absorbida en este caso se denomina pérdida dieléctrica. El artículo "Circuito de CA que contiene capacitancia" demostrará que en un dieléctrico ideal, la corriente capacitiva se adelanta al voltaje en un ángulo inferior a 90 °. En un dieléctrico real, la corriente capacitiva se adelanta a la tensión en un ángulo inferior a 90°. La disminución del ángulo está influenciada por la corriente de fuga, también llamada corriente de conducción.

La diferencia entre 90° y el ángulo de corte entre el voltaje y la corriente que fluye en un circuito con un dieléctrico real se denomina ángulo de pérdida dieléctrica o ángulo de pérdida y se denota δ (delta). Más a menudo, no se determina el ángulo en sí, sino la tangente de este ángulo:tg δ.

Se encontró que las pérdidas dieléctricas son proporcionales al cuadrado del voltaje, la frecuencia de la corriente alterna, la capacitancia del capacitor y la tangente del ángulo de pérdidas dieléctricas.

En consecuencia, cuanto mayor sea la tangente de pérdida dieléctrica, tan δ, mayor será la pérdida de energía en el dieléctrico, peor será el material dieléctrico. Los materiales con una tan δ relativamente alta (del orden de 0,08 - 0,1 y más) son malos aislantes. Los materiales con tan δ relativamente bajo (del orden de 0,0001) son buenos aislantes.

La capacidad de un capacitor, como muestra la experiencia, depende no solo del tamaño, forma y posición relativa de sus conductores constituyentes, sino también de las propiedades del dieléctrico que llena el espacio entre estos conductores. La influencia del dieléctrico se puede establecer mediante el siguiente experimento. Carguemos el capacitor plano y observemos las lecturas del electrómetro, que mide el voltaje a través del capacitor. Empujemos entonces una placa de ebonita sin carga en el capacitor (Fig. 63). Veremos que la diferencia de potencial entre las placas disminuirá notablemente. Si se elimina la ebonita, las lecturas del electrómetro siguen siendo las mismas. Esto demuestra que al reemplazar el aire con ebonita, la capacitancia del condensador aumenta. Tomando algún otro dieléctrico en lugar de ebonita, obtenemos un resultado similar, pero solo el cambio en la capacitancia del capacitor será diferente. Si es la capacitancia de un capacitor, entre cuyas placas hay vacío, y es la capacitancia del mismo capacitor, cuando todo el espacio entre las placas está lleno, sin espacios de aire, con algún tipo de dieléctrico, entonces la capacitancia será varias veces mayor que la capacitancia, donde depende únicamente de la naturaleza del dieléctrico. Entonces uno puede escribir

Arroz. 63. La capacitancia del capacitor aumenta cuando la placa de ebonita se empuja entre sus placas. Las hojas del electrómetro se caen, aunque la carga sigue siendo la misma.

La cantidad se denomina constante dieléctrica relativa o simplemente la constante dieléctrica del medio que llena el espacio entre las placas del condensador. Mesa 1 muestra los valores de la constante dieléctrica de algunas sustancias.

Tabla 1. Constante dieléctrica de algunas sustancias

Sustancia
agua (limpia)
Cerámica (ingeniería de radio)

Lo anterior es cierto no solo para un capacitor plano, sino también para un capacitor de cualquier forma: reemplazando el aire con algún tipo de dieléctrico, aumentamos la capacitancia del capacitor por veces.

Estrictamente hablando, la capacitancia de un capacitor aumenta varias veces solo si todas las líneas de campo que van de una placa a otra pasan a través del dieléctrico dado. Esto será, por ejemplo, para un capacitor que está completamente sumergido en algún tipo de líquido dieléctrico vertido en un recipiente grande. Sin embargo, si la distancia entre las placas es pequeña en comparación con sus dimensiones, entonces podemos suponer que es suficiente para llenar solo el espacio entre las placas, ya que es aquí donde prácticamente se concentra el campo eléctrico del capacitor. Entonces, para un capacitor plano, es suficiente llenar solo el espacio entre las placas con un dieléctrico.

Al colocar una sustancia con una constante dieléctrica alta entre las placas, la capacitancia del capacitor puede aumentar considerablemente. Esto se usa en la práctica y, por lo general, no se elige aire como dieléctrico para un capacitor, sino vidrio, parafina, mica y otras sustancias. En la Fig. 64 muestra un condensador técnico en el que el dieléctrico es una cinta de papel impregnada de parafina. Sus tapas son de chapa, prensadas por ambos lados a papel encerado. La capacidad de tales condensadores a menudo alcanza varios microfaradios. Así, por ejemplo, un condensador de radioaficionado del tamaño de cajita de cerillas tiene una capacitancia de 2 μF.

Arroz. 64. Condensador plano técnico: a) ensamblado; b) parcialmente desmontado: 1 y 1 "- cintas de estaniole, entre las cuales se colocan cintas de papel fino encerado 2. Todas las cintas se doblan juntas" como un acordeón "y se colocan en una caja de metal. Los contactos 3 y 3" se sueldan al extremos de las cintas 1 y 1" para incluir un capacitor en el circuito

Está claro que solo los dieléctricos con muy buenas propiedades aislantes son adecuados para la fabricación de un condensador. De lo contrario, las cargas fluirán a través del dieléctrico. Por lo tanto, el agua, a pesar de su alta constante dieléctrica, no es adecuada para la fabricación de condensadores, porque solo el agua extremadamente purificada es un dieléctrico suficientemente bueno.

Si el espacio entre las placas de un capacitor plano se llena con un medio con una constante dieléctrica, entonces la fórmula (34.1) para un capacitor plano toma la forma

El hecho de que la capacitancia de un capacitor dependa del entorno indica que el campo eléctrico dentro de los dieléctricos cambia. Hemos visto que cuando un capacitor se llena con un dieléctrico con una constante dieléctrica, la capacitancia aumenta por un factor. Esto significa que con las mismas cargas en las placas, la diferencia de potencial entre ellas disminuye por un factor. Pero la diferencia de potencial y la intensidad de campo están relacionadas entre sí por la relación (30.1). Por lo tanto, una disminución en la diferencia de potencial significa que la intensidad de campo en el capacitor cuando se llena con un dieléctrico se reduce por un factor. Esta es la razón del aumento en la capacitancia del capacitor. veces menos que en el vacío. Por tanto, concluimos que la ley de Coulomb (10.1) para cargas puntuales colocadas en un dieléctrico tiene la forma

LABORATORIO VIRTUAL TRABAJO N° 3 SOFTWARE

FÍSICA DEL CUERPO SÓLIDO

Instrucciones metódicas para la implementación. trabajo de laboratorio No. 3 sobre la sección de física "Estado sólido" para estudiantes de especialidades técnicas de todas las formas de educación.

Krasnoiarsk 2012

Crítico

Candidato de Ciencias Físicas y Matemáticas, Profesor Asociado O.N. Banduriña

(Universidad Aeroespacial Estatal de Siberia

lleva el nombre del académico M.F. Reshetnev)

Publicado por decisión de la Comisión Metodológica TIC

Determinación de la constante dieléctrica de semiconductores. Trabajo de laboratorio virtual nº 3 sobre física del estado sólido: Instrucciones metódicas para la implementación del trabajo de laboratorio No. 3 en la sección de física "Estado sólido" para estudiantes de tecnología. especialista. todas las formas de educación / comp .: A.M. Jarkov; Hermano. Expresar aeroespacial un-t. - Krasnoyarsk, 2012 .-- 21 p.

Aeroespacial estatal de Siberia

Universidad que lleva el nombre del académico M.F. Reshetnev, 2012

Introducción …………………………………………………………………………………... 4

Admisión al trabajo de laboratorio …………………………………………………... 4

Registro de trabajos de laboratorio para protección ……………………………………... 4

Determinación de la constante dieléctrica de semiconductores ………… ........ 5

Teoría del método …………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………… 5

Técnica de medición de la constante dieléctrica ………………… .. …… ..11

Procesamiento de resultados de medición ……………………… .. ……………………… 16

Preguntas de prueba ………… .. ……………………………………………… .17

Prueba ………………………………………………………………………………… .17

Referencias ………………………………………………………………… 20

Apéndice …………………………………………………………………………… 21

INTRODUCCIÓN

Datos pautas contienen descripciones de trabajos de laboratorio que utilizan modelos virtuales del curso "Física del Estado Sólido".

Permiso de trabajo de laboratorio:

Realizado por el profesor en grupos con encuesta personal a cada alumno. Para la admisión:

1) Cada estudiante prepara con anticipación su resumen personal de este trabajo de laboratorio;

2) El profesor revisa individualmente el diseño del resumen y hace preguntas sobre la teoría, técnica de medición, instalación y procesamiento de resultados;

3) El estudiante responde preguntas hechas;

4) El profesor permite que el estudiante trabaje y pone su firma en la sinopsis del estudiante.

Registro de trabajos de laboratorio para protección:

Un trabajo totalmente terminado y preparado para la defensa debe cumplir con los siguientes requisitos:

Cumplimiento de todos los puntos: todos los cálculos de los valores requeridos, todas las tablas se llenan de tinta, todos los gráficos se construyen, etc.

Los horarios deben cumplir con todos los requisitos del maestro.

Para todos los valores de las tablas se debe registrar la unidad de medida correspondiente.

Se registran las conclusiones de cada gráfico.

Se ha escrito una respuesta en la forma prescrita.

Se registran las conclusiones de la respuesta.

DETERMINACIÓN DE LA PERMEABILIDAD DIELÉCTRICA DE SEMICONDUCTORES

teoría del método

Polarización Es la capacidad de un dieléctrico para polarizarse bajo la influencia de un campo eléctrico, es decir cambiar en el espacio la disposición de las partículas dieléctricas cargadas unidas.

La propiedad más importante dieléctricos es su capacidad para polarizarse eléctricamente, es decir, bajo la influencia de un campo eléctrico, se produce un desplazamiento dirigido de partículas o moléculas cargadas en una distancia limitada. Bajo la acción de un campo eléctrico se desplazan cargas, tanto en moléculas polares como no polares.

Hay más de una docena diferentes tipos polarización. Consideremos algunos de ellos:

1. polarización electrónica Es el desplazamiento de las órbitas de los electrones con respecto al núcleo cargado positivamente. Ocurre en todos los átomos de cualquier sustancia, es decir en todos los dieléctricos. La polarización electrónica se establece en un tiempo de 10 -15 -10 -14 s.

2. polarización iónica- desplazamiento relativo entre sí de iones con carga opuesta en sustancias con enlaces iónicos. El tiempo de su establecimiento es 10 -13 -10 -12 s. La polarización electrónica e iónica se encuentran entre los tipos de polarización instantánea o de deformación.

3. Dipolo o polarización de orientación debido a la orientación de los dipolos en la dirección del campo eléctrico. Los dieléctricos polares tienen polarización dipolar. El tiempo de su establecimiento es 10 -10 -10 -6 s. La polarización dipolar es un tipo de polarización lenta o de relajación.

4. Polarización migratoria observado en dieléctricos no homogéneos, en los que las cargas eléctricas se acumulan en el límite de la sección de heterogeneidades. Los procesos de establecimiento de la polarización migratoria son muy lentos y pueden durar minutos o incluso horas.

5. Polarización de relajación de iones es causado por una transferencia excesiva de iones débilmente enlazados bajo la acción de un campo eléctrico a distancias que exceden la constante de red. La polarización de relajación de iones se manifiesta en algunas sustancias cristalinas en presencia de impurezas en forma de iones o empaquetamiento suelto de la red cristalina. El tiempo de su establecimiento es 10 -8 -10 -4 s.

6. Polarización de relajación electrónica surge debido al exceso de electrones "defectuosos" o "agujeros" excitados por la energía térmica. Este tipo de polarización generalmente da como resultado una constante dieléctrica alta.

7. polarización espontánea- polarización espontánea que ocurre en algunas sustancias (por ejemplo, la sal de Rochelle) en un cierto rango de temperatura.

8. polarización elasto-dipolo asociado con la rotación elástica de los dipolos a través de pequeños ángulos.

9. Polarización residual- polarización, que permanece en algunas sustancias (electrets) durante mucho tiempo después de la eliminación del campo eléctrico.

10. polarización resonante... Si la frecuencia del campo eléctrico está cerca de la frecuencia natural de las vibraciones de los dipolos, entonces las vibraciones de las moléculas pueden aumentar, lo que conducirá a la aparición de polarización resonante en el dipolo dieléctrico. La polarización resonante se observa en frecuencias en la región infrarroja. Un dieléctrico real puede poseer simultáneamente varios tipos de polarización. La aparición de un tipo particular de polarización está determinada por propiedades fisicoquímicas sustancias y el rango de frecuencias utilizadas.

Ajustes principales:

ε - constante dieléctrica- una medida de la capacidad del material para polarizarse; es un valor que muestra cuántas veces la fuerza de interacción de las cargas eléctricas en un material dado es menor que en el vacío. En el interior del dieléctrico aparece un campo dirigido en sentido contrario al exterior.

La fuerza del campo externo se debilita en comparación con el campo de las mismas cargas en el vacío por un factor de ε, donde ε es la permitividad relativa.

Si el vacío entre las placas del capacitor se reemplaza por un dieléctrico, entonces, como resultado de la polarización, la capacitancia aumenta. Una definición simple de constante dieléctrica se basa en esto:

donde C 0 es la capacitancia del capacitor, entre cuyas placas hay vacío.

C d es la capacitancia del mismo capacitor con un dieléctrico.

la constante dielectricaε de un medio isotrópico está determinado por la relación:

(2)

donde χ es la susceptibilidad dieléctrica.

D = tan δ - tangente de pérdida dieléctrica

Pérdida dieléctrica - pérdidas energía eléctrica causado por el flujo de corrientes en los dieléctricos. Distinga entre la corriente por conducción I sk.pr, causada por la presencia en los dieléctricos de una pequeña cantidad de iones fácilmente móviles, y las corrientes de polarización. Con polarización electrónica e iónica, la corriente de polarización se denomina corriente de desplazamiento I cm, es de muy corta duración y no se registra con instrumentos. Las corrientes asociadas con los tipos de polarización retardada (relajación) se denominan corrientes de absorción Iabs. V caso general la corriente total en el dieléctrico se define como: I = I abs + I sk.pr. Después de establecer la polarización, la corriente total será igual a: I = I sk.pr. Si en un campo constante surgen corrientes de polarización en el momento de encender y apagar el voltaje, y la corriente total se determina de acuerdo con la ecuación: I = I sk.pr, entonces en un campo alterno surgen corrientes de polarización en el momento de inversión de polaridad de tensión. Como consecuencia, las pérdidas en el dieléctrico en un campo alterno pueden ser significativas, especialmente si el semiperíodo de la tensión aplicada se acerca al tiempo de establecimiento de la polarización.

En la Fig. 1 (a) muestra un circuito equivalente a un capacitor con un dieléctrico en un circuito de voltaje alterno. En este circuito, un capacitor con dieléctrico real, que tiene pérdidas, se reemplaza por un capacitor ideal C con una resistencia activa R conectada en paralelo. 1 (b) muestra un diagrama vectorial de corrientes y voltajes para el circuito considerado, donde U es el voltaje en el circuito; Yo ak - corriente activa; I p - corriente reactiva, que está por delante del componente activo en fase en 90 °; Yo ∑ - corriente total. En este caso: I a = I R = U / R y I p = I C = ωCU, donde ω es la frecuencia circular del campo alterno.

Arroz. 1. (a) - diagrama; (b) - diagrama vectorial de corrientes y voltajes

El ángulo de pérdida dieléctrica se denomina ángulo δ, que complementa el ángulo de desfase φ entre la corriente I ∑ y la tensión U en el circuito capacitivo a 90°. Las pérdidas en dieléctricos en un campo alterno se caracterizan por la tangente del ángulo de pérdida dieléctrica: tan δ = I a / I p.

Los valores límite de la tangente del ángulo de pérdida dieléctrica para dieléctricos de alta frecuencia no deben exceder (0.0001 - 0.0004), y para baja frecuencia - (0.01 - 0.02).

Dependencias de ε y tan δ de la temperatura T y la frecuencia ω

Parámetros dieléctricos de materiales en grados variables depende de la temperatura y la frecuencia. Un gran número de Los materiales dieléctricos no permiten cubrir las características de todas las dependencias de estos factores.

Por lo tanto, en la Fig. 2 (a, b) mostrar tendencias generales, típico de algunos grupos principales, es decir, se muestran las dependencias típicas de la constante dieléctrica ε de la temperatura T (a) y de la frecuencia ω (b).

Arroz. 2. Dependencia de frecuencia de las partes real (εʹ) e imaginaria (εʺ) de la constante dieléctrica en presencia de un mecanismo de relajación de orientación

Constante dieléctrica compleja. En presencia de procesos de relajación, es conveniente escribir la constante dieléctrica en forma compleja. Si la fórmula de Debye es válida para la polarizabilidad:

(3)

donde, τ es el tiempo de relajación, α 0 es la polarizabilidad orientacional estadística. Entonces, suponiendo que el campo local es igual al externo, obtenemos (en el CGS):

Los gráficos de dependencia de εʹ y εʺ con el producto ωτ se muestran en la Fig. 2. Note que una disminución en εʹ (parte real de ε) ocurre cerca del máximo de εʺ (parte imaginaria de ε).

Tal curso de variación de εʹ y εʺ con frecuencia sirve como ejemplo frecuente un resultado más general, según el cual εʹ (ω) en la frecuencia implica también la dependencia de εʺ (ω) en la frecuencia. En el sistema SI, 4π debe reemplazarse por 1 / ε 0.

Bajo la acción de un campo aplicado, las moléculas en un dieléctrico no polar se polarizan, convirtiéndose en dipolos con un momento dipolar inducido μ y proporcional a la intensidad del campo:

(5)

En un dieléctrico polar, el momento dipolar de una molécula polar μ en el caso general es igual a la suma vectorial de la intrínseca μ 0 y la inducida μ y momentos:

(6)

Las fuerzas del campo creado por estos dipolos son proporcionales al momento dipolar e inversamente proporcionales al cubo de la distancia.

Para materiales no polares, normalmente ε = 2 - 2,5 y no depende de la frecuencia hasta ω ≈10 12 Hz. La dependencia de ε con la temperatura se debe al hecho de que cuando cambia, cambian las dimensiones lineales de los sólidos y los volúmenes de los dieléctricos líquidos y gaseosos, lo que cambia el número de moléculas n por unidad de volumen.

y la distancia entre ellos. Usando las relaciones conocidas de la teoría de los dieléctricos F = norte \μ y y F =ε 0 (ε - 1) mi, donde F- polarización del material, para dieléctricos no polares tenemos:

(7)

Para E = const también μ y= constante y el cambio de temperatura en ε se debe solo al cambio en n, que es función lineal temperatura Θ, la dependencia ε = ε (Θ) también es lineal. No existen dependencias analíticas para los dieléctricos polares y, por lo general, se utilizan las empíricas.

1) Al aumentar la temperatura, el volumen del dieléctrico aumenta y la constante dieléctrica disminuye ligeramente. La disminución de ε es especialmente notable durante el período de ablandamiento y fusión de los dieléctricos no polares, cuando su volumen aumenta significativamente. Debido a la alta frecuencia de revolución de los electrones en las órbitas (del orden de 10 15 –10 16 Hz), el tiempo requerido para establecer un estado de equilibrio de polarización electrónica es muy corto y la permitividad ε de los dieléctricos no polares no depende de la frecuencia de campo en el rango de frecuencia comúnmente utilizado (hasta 10 12 Hz).

2) Con un aumento de la temperatura, los enlaces entre los iones individuales se debilitan, lo que facilita su interacción bajo la acción de un campo externo y esto conduce a un aumento de la polarización iónica y la constante dieléctrica ε. Debido a la brevedad del tiempo requerido para el establecimiento del estado de polarización iónica (del orden de 10 13 Hz, que corresponde a la frecuencia natural de vibración iónica en red cristalina) un cambio en la frecuencia del campo externo en los rangos de operación usuales prácticamente no tiene efecto sobre el valor de ε en materiales iónicos.

3) La constante dieléctrica de los dieléctricos polares depende en gran medida de la temperatura y la frecuencia del campo externo. Al aumentar la temperatura, aumenta la movilidad de las partículas y disminuye la energía de interacción entre ellas, es decir su orientación se vuelve más fácil bajo la acción de un campo externo: aumenta la polarización del dipolo y la constante dieléctrica. Sin embargo, este proceso continúa solo hasta cierta temperatura. Con un mayor aumento de la temperatura, la permeabilidad ε disminuye. Dado que la orientación de los dipolos en la dirección del campo se realiza en el proceso moción termal y por movimiento térmico, el establecimiento de la polarización requiere mucho tiempo. Este tiempo es tan largo que en campos variables los dipolos de alta frecuencia no tienen tiempo de orientarse a lo largo del campo y la permitividad ε disminuye.

Técnica de medición de la constante dieléctrica

Capacidad del condensador. Condensador Es un sistema de dos conductores (placas) separados por un dieléctrico, cuyo espesor es pequeño en comparación con las dimensiones lineales de los conductores. Entonces, por ejemplo, dos placas metálicas planas, ubicadas en paralelo y separadas por una capa dieléctrica, forman un capacitor (Fig. 3).

Si a las placas de un condensador plano se les dan cargas de signo opuesto de igual magnitud, entonces la intensidad del campo eléctrico entre las placas será el doble de la intensidad de campo de una placa:

(8)

donde ε es la constante dieléctrica del dieléctrico que llena el espacio entre las placas.

Cantidad física determinada por la relación de carga q una de las placas del condensador a la diferencia de potencial Δφ entre las placas del condensador se llama capacidad electrica del capacitor:

(9)

Unidad de capacidad eléctrica SI - Faradio(F). Tal capacitor posee un capacitor de 1 F, cuya diferencia de potencial entre las placas es igual a 1 V cuando las placas se alimentan con cargas opuestas de 1 C: 1 F = 1 C / 1 V.

Capacidad de un condensador plano. La fórmula para calcular la capacidad eléctrica de un capacitor plano se puede obtener usando la expresión (8). De hecho, la intensidad de campo es: mi= φ / εε 0 = q / εε 0 S, donde S Es el área de la placa. Dado que el campo es uniforme, la diferencia de potencial entre las placas del capacitor es: φ 1 - φ 2 = Ed = qd/εε 0 S, donde D es la distancia entre las placas. Sustituyendo en la fórmula (9), obtenemos una expresión para la capacidad eléctrica de un capacitor plano:

(10)

donde ε 0 - constante dieléctrica del aire; S- el área de la placa del condensador, S = hl, donde h- ancho de placa, yo- su longitud; D- la distancia entre las placas del condensador.

La expresión (10) muestra que la capacidad eléctrica de un capacitor puede incrementarse aumentando el área S sus placas, disminuyendo la distancia D entre ellos y el uso de dieléctricos con valores grandes constante dieléctrica ε.

Arroz. 3. Condensador con un dieléctrico colocado en él

Si se coloca una placa dieléctrica entre las placas del capacitor, la capacitancia del capacitor cambiará. Se debe considerar la ubicación de la placa dieléctrica entre las placas del capacitor.

Denotemos: D c - el espesor del entrehierro, D m - el espesor de la placa dieléctrica, yo B es la longitud de la parte de aire del condensador, yo m es la longitud de la parte del capacitor llena con un dieléctrico, ε m es la constante dieléctrica del material. Teniendo en cuenta que yo = yo en + yo m y D = D en + D m, entonces estas opciones se pueden considerar para los casos:

Cuándo yo segundo = 0, D en = 0 tenemos un condensador con un dieléctrico sólido:

(11)

De las ecuaciones de la electrodinámica macroscópica clásica, basadas en las ecuaciones de Maxwell, se deduce que cuando se coloca un dieléctrico en un campo alterno débil, cambiando armónicamente con la frecuencia ω, el tensor de constante dieléctrica compleja toma la forma:

(12)

donde σ es la conductividad óptica de la sustancia, εʹ es la constante dieléctrica de la sustancia asociada con la polarización del dieléctrico. La expresión (12) se puede reducir a el siguiente tipo:

(13)

donde el término imaginario es responsable de la pérdida dieléctrica.

En la práctica, se mide C: la capacitancia de una muestra en forma de un condensador plano. Este condensador se caracteriza por la tangente de pérdidas dieléctricas:

tgδ = ωCR c (14)

o factor de calidad:

Q c = 1 / tgδ (15)

donde R c - resistencia, dependiendo principalmente de las pérdidas dieléctricas. Existen varios métodos para medir estas características: varios métodos de puente, mediciones con conversión del parámetro medido en un intervalo de tiempo, etc. ...

Al medir la capacitancia C y la tangente de pérdidas dieléctricas D = tgδ en este trabajo, utilizamos la técnica desarrollada por GOOD WILL INSTRUMENT Co. Ltd. Las mediciones se realizaron en un medidor de inmitancia de precisión - LCR-819-RLC. El dispositivo le permite medir la capacitancia en el rango de 20 pF - 2,083 mF, la tangente de pérdida en el rango de 0,0001-9999 y aplicar un campo de desplazamiento. Compensación interna hasta 2 V, offset externo hasta 30 V. La precisión de medición es del 0,05 %. Frecuencia de la señal de prueba 12 Hz -100 kHz.

En este trabajo se realizaron mediciones a una frecuencia de 1 kHz en un rango de temperatura de 77 K< T < 270 К в нулевом магнитном поле и в поле 5 kOe. Образцы для измерений имели форму параллелепипеда с размерами 2*3*4 мм (х=0.1), где d = 2 мм – толщина образца, площадь грани S = 3*4 мм 2 .

Para obtener las dependencias de temperatura, la celda con la muestra se coloca en una corriente de refrigerante (nitrógeno) que pasa a través de un intercambiador de calor, cuya temperatura es establecida por el calentador. La temperatura del calentador es controlada por un termostato. Reacción desde el medidor de temperatura hasta el termostato le permite establecer la tasa de medición de temperatura o estabilizarla. Se utiliza un termopar para controlar la temperatura. En este trabajo, la temperatura se cambió a razón de 1 grado/min. Este método le permite medir la temperatura con un error de 0,1 grados.

La celda de medición con la muestra fijada en ella se coloca en un criostato de flujo continuo. La celda está conectada al medidor LCR mediante cables blindados a través de un conector en la tapa del criostato. El criostato se coloca entre los polos del electroimán FL-1. El alimentador magnético permite obtener campos magnéticos de hasta 15 kOe. Para medir la magnitud de la tensión. campo magnético H utiliza un sensor Hall térmicamente estabilizado con una unidad electrónica. Para estabilizar el campo magnético, existe una retroalimentación entre la fuente de alimentación y el medidor de campo magnético.

Los valores medidos de la capacitancia C y la tangente del ángulo de pérdida D = tan δ están relacionados con los valores de las cantidades físicas buscadas εʹ y εʺ por las siguientes relaciones:

(16)

(17)

№	C (pF)	Re (ε')	T (°C)	tg δ	q c	Soy (ε ")	ω (Hz)	σ (ω)
	3,805	71,66		0,075	13,33	5,375	10 3
	3,838			0,093
	3,86			0,088
	3,849			0,094
	3,893			0,106
	3,917			0,092
	3,951			0,103
	3,824			0,088
	3,873			0,105
	3,907			0,108
	3,977			0,102
	4,031			0,105
	4,062			0,132
	4,144			0,109
	4,24			0,136
	4,435			0,175
	4,553			0,197
	4,698			0,233
	4,868			0,292
	4,973			0,361
	5,056			0,417
	5,164			0,491
	5,246			0,552
	5,362			0,624
	5,453			0,703
	5,556			0,783
	5,637			0,867
	5,738			0,955
	5,826			1,04
	5,902			1,136

Tabla 1. Gd x Mn 1-x S, (x = 0,1).

la constante dielectrica

El fenómeno de la polarización se juzga por el valor de la constante dieléctrica ε. El parámetro ε, que caracteriza la capacidad de un material para formar una capacitancia, se denomina permitividad relativa.

La palabra "pariente" generalmente se omite. Debe tenerse en cuenta que la capacidad eléctrica de la sección de aislamiento con electrodos, es decir, condensador depende de las dimensiones geométricas, configuración de los electrodos y de la estructura del material que forma el dieléctrico de este condensador.

En el vacío ε = 1, y cualquier dieléctrico es siempre mayor que 1. Si C0 - em-

hueso, entre cuyas placas hay un vacío, de forma y tamaño arbitrarios, y C es la capacitancia de un capacitor del mismo tamaño y forma, pero lleno con un dieléctrico con una constante dieléctrica ε, entonces

Denotando por C0 la constante eléctrica (F/m) igual a

C0 = 8.854.10-12,

encontrar la constante dielectrica absoluta

ε’ = ε0 .ε.

Determinemos los valores de capacitancia para algunas formas de dieléctricos.

Para capacitor plano

С = ε0 ε S / h = 8.854 1О-12 ε S / h.

donde S es el área de la sección transversal del electrodo, m2;

h es la distancia entre los electrodos, m.

Valor práctico constante dieléctrica es muy alta. Determina no solo la capacidad del material para formar una capacidad, sino que también entra en una serie de ecuaciones básicas que caracterizan procesos físicos fluyendo en el dieléctrico.

La constante dieléctrica de los gases, debido a su baja densidad (debido a las grandes distancias entre las moléculas), es insignificante y cercana a la unidad. Por lo general, la polarización de los gases es electrónica o dipolar si las moléculas son polares. ε de un gas es mayor cuanto mayor es el radio de la molécula. Un cambio en el número de moléculas de gas por unidad de volumen de gas (n) con un cambio en la temperatura y la presión provoca un cambio en la constante dieléctrica del gas. El número de moléculas N es proporcional a la presión e inversamente proporcional a la temperatura absoluta.

Con un cambio en la humedad, la constante dieléctrica del aire cambia ligeramente en proporción directa al cambio en la humedad (en temperatura ambiente). A temperaturas elevadas, el efecto de la humedad aumenta significativamente. La dependencia de la temperatura de la constante dieléctrica se caracteriza por la expresión

T K ε = 1 / ε (dε / dT).

Usando esta expresión, puede calcular el cambio relativo en la constante dieléctrica cuando la temperatura cambia en 1 0 K, el llamado coeficiente de temperatura TK de la constante dieléctrica.

El valor TC de un gas no polar se encuentra mediante la fórmula

T K ε = (ε -1) / dT.

donde T es la temperatura. A.

La constante dieléctrica de los líquidos depende en gran medida de su estructura. Los valores de ε de los líquidos no polares son pequeños y cercanos al cuadrado del índice de refracción de la luz n 2. La constante dieléctrica de los líquidos polares, que se utilizan como dieléctricos técnicos, oscila entre 3,5 y 5, que es notablemente más alta que la de los líquidos no polares.

Por lo tanto, la polarización de los líquidos que contienen moléculas dipolares está determinada simultáneamente por las polarizaciones de relajación del electrón y del dipolo.

Los líquidos fuertemente polares se caracterizan por un alto valor de ε debido a su alta conductividad. La dependencia de la temperatura de ε en los líquidos dipolares es más compleja que en los líquidos neutros.

Por lo tanto, ε a una frecuencia de 50 Hz para bifenilo clorado (Savol) aumenta rápidamente debido a una fuerte caída en la viscosidad del líquido y el dipolo

las moléculas tienen tiempo de orientarse siguiendo el cambio de temperatura.

La disminución de ε se debe a la intensificación del movimiento térmico de las moléculas, lo que impide su orientación en la dirección del campo eléctrico.

Los dieléctricos se dividen en cuatro grupos según el tipo de polarización:

El primer grupo: composición simple, homogénea, pura sin aditivos, dieléctricos, en los que principalmente polarización electrónica o empaquetamiento cerrado de iones. Estos incluyen dieléctricos sólidos no polares y débilmente polares en estado cristalino o amorfo, así como líquidos y gases no polares y débilmente polares.

El segundo grupo: dieléctricos técnicos con polarizaciones electrónicas, iónicas y simultáneas con relajación dipolar. Estos incluyen semilíquidos y sólidos orgánicos polares (dipolo), como compuestos de colofonia de aceite, celulosa, resinas epoxi y compuestos compuestos de estas sustancias.

El tercer grupo - dieléctricos técnicos con iónico y polarizaciones electrónicas; los dieléctricos con polarizaciones electrónicas de relajación iónica se dividen en dos subgrupos. El primer subgrupo incluye principalmente sustancias cristalinas con empaquetamiento cerrado de iones ε< 3,0.

El segundo subgrupo incluye vidrios inorgánicos y materiales que contienen una fase vítrea, así como sustancias cristalinas con paquetes de iones sueltos.

El cuarto grupo está formado por ferroeléctricos con polarizaciones espontáneas, electrónicas, iónicas, de relajación electrón-iónica, así como polarizaciones de migración o de alto voltaje para materiales compuestos, complejos y en capas.

4. Pérdidas dieléctricas de materiales aislantes eléctricos. Tipos de pérdidas dieléctricas.

La pérdida dieléctrica es la potencia disipada en un dieléctrico cuando se le aplica un campo eléctrico y hace que el dieléctrico se caliente.

Se observan pérdidas en los dieléctricos tanto a tensión alterna como a tensión constante, ya que se encuentra en el material una corriente de paso debida a la conducción. A voltaje constante, cuando no hay polarización periódica, la calidad del material se caracteriza, como se indicó anteriormente, por los valores de volumen específico y resistencia superficial. Con tensión alterna, es necesario utilizar alguna otra característica de la calidad del material, ya que en este caso, además de la corriente de paso, surgen causas adicionales que provocan pérdidas en el dieléctrico.

Las pérdidas dieléctricas en un material aislante eléctrico se pueden caracterizar por la potencia disipada por unidad de volumen, o pérdidas específicas; más a menudo, para evaluar la capacidad de un dieléctrico para disipar potencia en un campo eléctrico, utilizan el ángulo de pérdida dieléctrica, así como la tangente de este ángulo.

Arroz. 3-1. Carga versus voltaje para un dieléctrico lineal sin pérdidas (a), con pérdidas (b)

El ángulo de pérdida dieléctrica es el ángulo que complementa el ángulo de desfase entre corriente y voltaje en un circuito capacitivo a 90°. Para un dieléctrico ideal, el vector de corriente en dicho circuito adelantará el vector de voltaje en 90 °, mientras que el ángulo de pérdida dieléctrica será cero. Cuanta más potencia se disipa en el dieléctrico, que se convierte en calor, menor es el ángulo de desfase y mayor el ángulo y su función tg.

Se sabe por la teoría de las corrientes alternas que la potencia activa

Pa = IU cos (3-1)

Expresemos las potencias para circuitos en serie y en paralelo en función de las capacidades Cs y Cp y el ángulo, que es el complemento del ángulo hasta 90°.

Para un circuito secuencial, usando la expresión (3-1) y el diagrama vectorial correspondiente, tenemos

PA = (3-2)

tg = C s r s (3-3)

Para circuito paralelo

P a = UI a = U 2 C p tg (3-4)

tg = (3-5)

Igualando las expresiones (3-2) y (3-4), así como (3-3) y (3-5), encontramos la relación entre Сp y Cs y entre rp y rs

C pags = C s / 1 + tg 2 (3-6)

r p = r s (1+ 1 / tg 2 ) (3-7)

Para dieléctricos de alta calidad, el valor de tan2 puede despreciarse en comparación con la unidad en la fórmula (3-8) y puede considerarse Cp Cs C. Las expresiones para la potencia disipada en el dieléctrico, en este caso, serán las mismas para ambos circuitos:

PA U 2 C tg (3-8)

donde Ra es la potencia activa, W; U - voltaje, V; - frecuencia angular, s-1; C - capacidad, F.

Resistencia rð en circuito paralelo, como se desprende de la expresión (3-7), es muchas veces mayor que la resistencia rs La expresión para las pérdidas dieléctricas específicas, es decir, la potencia disipada por unidad de volumen del dieléctrico, tiene la forma:

(3-9)

donde p - pérdidas específicas, W / m3; = 2 - frecuencia angular, s-1, E - intensidad del campo eléctrico, V / m.

En efecto, la capacidad entre los lados opuestos de un cubo de 1 m de lado será

C1 = 0 r, conductividad reactiva

(3-10)

un componente activo

Habiendo determinado por algún método a cierta frecuencia los parámetros del circuito equivalente del dieléctrico investigado (Cp y rp o Cs y rs), en el caso general, los valores obtenidos de capacitancia y resistencia no pueden considerarse inherentes a este capacitor. y use estos datos para calcular el ángulo de pérdida a una frecuencia diferente. Tal cálculo sólo se puede hacer si circuito equivalente tiene una cierta base física. Entonces, por ejemplo, si se sabe para un dieléctrico dado que las pérdidas en él están determinadas solo por pérdidas de conductividad eléctrica en un amplio rango de frecuencia, entonces el ángulo de pérdida de un capacitor con tal dieléctrico se puede calcular para cualquier frecuencia que se encuentre en este rango

tg = 1 / Crp (3-12)

donde C y rp son capacitancia y resistencia constantes medidas a la frecuencia dada.

Las pérdidas en un condensador de este tipo, como es fácil de ver, no dependen de la frecuencia:

Pa = U2 / rp (3-13)

por el contrario, si las pérdidas en el capacitor se deben principalmente a la resistencia de los cables conductores, así como a la resistencia de los electrodos mismos (por ejemplo, una capa delgada de plata), entonces la potencia disipada en dicho capacitor será aumenta en proporción al cuadrado de la frecuencia:

Pa = U2 C tg = U2 C Crs = U2 2C2rs (3-14)

Desde última expresión Se puede sacar una conclusión práctica muy importante: los condensadores destinados a funcionar a alta frecuencia deben tener la menor resistencia posible tanto de los electrodos como de los cables de conexión y los contactos de transición.

Las pérdidas dieléctricas, según sus características y naturaleza física, se pueden dividir en cuatro tipos principales:

1) pérdidas dieléctricas por polarización;

2) pérdidas dieléctricas debidas a la conductividad eléctrica;

pérdidas dieléctricas por ionización;

pérdidas dieléctricas debido a la falta de homogeneidad de la estructura.

Las pérdidas dieléctricas debidas a la polarización se observan especialmente claramente en sustancias con polarización de relajación: en dieléctricos de estructura dipolar y en dieléctricos de estructura iónica con un paquete de iones suelto.

Las pérdidas dieléctricas por relajación son causadas por la violación del movimiento térmico de las partículas bajo la influencia de las fuerzas del campo eléctrico.

Las pérdidas dieléctricas observadas en ferroeléctricos están asociadas al fenómeno de polarización espontánea. Por lo tanto, las pérdidas en ferroeléctricos son significativas a temperaturas por debajo del punto de Curie, cuando se observa polarización espontánea. A temperaturas superiores al punto de Curie, las pérdidas en ferroeléctricos disminuyen. El envejecimiento eléctrico de un ferroeléctrico con el tiempo va acompañado de una ligera disminución de pérdidas.

Las pérdidas dieléctricas debidas a la polarización también incluyen las llamadas pérdidas por resonancia, que se manifiestan en dieléctricos a altas frecuencias. Este tipo de pérdida se observa con particular claridad en algunos gases a una frecuencia estrictamente definida y se expresa en la intensa absorción de la energía del campo eléctrico.

Las pérdidas resonantes también son posibles en los sólidos si la frecuencia de las vibraciones forzadas provocadas por el campo eléctrico coincide con la frecuencia de las vibraciones naturales de las partículas del sólido. La presencia de un máximo en la dependencia de frecuencia de tan también es característica del mecanismo de pérdida resonante, sin embargo, en en este caso la temperatura no afecta la posición del máximo.

Las pérdidas dieléctricas debidas a la conductividad eléctrica pasante se encuentran en dieléctricos con una conductividad aparente o superficial.

La tangente del ángulo de pérdida dieléctrica en este caso se puede calcular mediante la fórmula

Las pérdidas dieléctricas de este tipo no dependen de la frecuencia de campo; tg disminuye con la frecuencia según la ley hiperbólica.

Las pérdidas dieléctricas debidas a la conductividad eléctrica aumentan exponencialmente con la temperatura

PaT = Aexp (-b/T) (3-16)

donde A, b son constantes materiales. La fórmula (3-16) se puede reescribir aproximadamente de la siguiente manera:

PaT = Pa0exp (t) (3-17)

donde PaT - pérdidas a temperatura t, ° С; Pa0 - pérdidas a una temperatura de 0 ° C; - materia constante.

La tangente de las pérdidas dieléctricas en función de los cambios de temperatura según la misma ley que se utilizó para aproximar la dependencia de Pa con la temperatura, ya que se puede despreciar el cambio de temperatura en la capacitancia.

Las pérdidas dieléctricas por ionización son inherentes a los dieléctricos y estado gaseoso; Las pérdidas por ionización se manifiestan en campos eléctricos no homogéneos a intensidades que exceden el valor correspondiente al inicio de la ionización de un gas dado. Las pérdidas por ionización se pueden calcular mediante la fórmula

Pa. U = A1f (U-Ui) 3 (3-18)

donde A1 es un coeficiente constante; f es la frecuencia de campo; U es el voltaje aplicado; Ui es el voltaje correspondiente al inicio de la ionización.

La fórmula (3-18) es válida para U > Ui y una dependencia lineal de tan de E. El voltaje de ionización Ui depende de la presión a la que se encuentra el gas, ya que el desarrollo de la ionización por impacto de las moléculas está asociado con la media libre trayectoria de los portadores de carga.

Las pérdidas dieléctricas por falta de homogeneidad estructural se observan en dieléctricos en capas, de papel y tela impregnados, en plásticos con relleno, en cerámicas porosas en micanitas, micalex, etc.

Debido a la diversidad de la estructura de los dieléctricos no homogéneos ya las características de los componentes que contienen, no existe una fórmula general para calcular las pérdidas dieléctricas de este tipo.

Dieléctricoś permeabilidad́ capacidad medio ambiente - una cantidad física que caracteriza las propiedades de un medio aislante (dieléctrico) y que muestra la dependencia de la inducción eléctrica en la fuerza del campo eléctrico.

Está determinado por el efecto de polarización de los dieléctricos bajo la acción de un campo eléctrico (y con el valor de la susceptibilidad dieléctrica del medio que caracteriza este efecto).

Distinguir entre permitividad relativa y absoluta.

La permitividad relativa ε es adimensional y muestra cuántas veces la fuerza de interacción de dos cargas eléctricas en un medio es menor que en el vacío. Este valor para el aire y la mayoría de los demás gases en condiciones normales es cercano a la unidad (debido a su baja densidad). Para la mayoría de los dieléctricos sólidos o líquidos, la permitividad relativa oscila entre 2 y 8 (para un campo estático). La constante dieléctrica del agua en un campo estático es bastante alta, alrededor de 80. Sus valores son excelentes para sustancias con moléculas que tienen un gran momento dipolar eléctrico. La constante dieléctrica relativa de los ferroeléctricos es de decenas y centenas de miles.

La constante dieléctrica absoluta en la literatura extranjera se denota con la letra ε, en la doméstica se usa predominantemente la combinación, donde es la constante eléctrica. La constante dieléctrica absoluta se usa solo en el Sistema Internacional de Unidades (SI), en el que la inducción y la fuerza del campo eléctrico se miden en diferentes unidades. En el sistema CGS, no hay necesidad de introducir una constante dieléctrica absoluta. La constante dieléctrica absoluta (como la constante eléctrica) tiene la dimensión L −3 M −1 T 4 I². En unidades del Sistema Internacional de Unidades (SI): = F/m.

Cabe señalar que la constante dieléctrica depende en gran medida de la frecuencia campo electromagnetico... Esto siempre debe tenerse en cuenta, ya que las tablas de los manuales suelen contener datos para un campo estático o bajas frecuencias hasta varias unidades de kHz sin especificar este hecho... A su vez, existen métodos ópticos para obtener la permitividad relativa a partir del índice de refracción utilizando elipsómetros y refractómetros. El valor obtenido por el método óptico (frecuencia 10 14 Hz) diferirá significativamente de los datos de las tablas.

Consideremos, por ejemplo, el caso del agua. En el caso de un campo estático (la frecuencia es cero), la permitividad relativa en condiciones normales es de aproximadamente 80. Este es el caso hasta las frecuencias infrarrojas. Desde unos 2 GHz ε r comienza a caer En el rango óptico ε r es aproximadamente 1.8. Esto es bastante consistente con el hecho de que en el rango óptico, el índice de refracción del agua es 1,33. En un rango de frecuencia estrecho, llamado óptico, la absorción dieléctrica cae a cero, lo que en realidad proporciona a una persona el mecanismo de la visión [ fuente no especificada 1252 días] en la atmósfera terrestre saturada de vapor de agua. CON mayor crecimiento las frecuencias de las propiedades del medio cambian de nuevo. El comportamiento de la permitividad relativa del agua en el rango de frecuencia de 0 a 10 12 (infrarrojo) se puede leer en (ing.)

La constante dieléctrica de los dieléctricos es uno de los principales parámetros en el diseño de condensadores eléctricos. El uso de materiales con una constante dieléctrica alta puede reducir significativamente las dimensiones físicas de los capacitores.

La capacitancia de los capacitores está determinada por:

donde ε r- constante dieléctrica de la sustancia entre las placas, ε O- constante eléctrica, S- área de placas de condensadores, D es la distancia entre las placas.

La constante dieléctrica se tiene en cuenta al diseñar placas de circuito impreso. El valor de la constante dieléctrica de la sustancia entre las capas, en combinación con su espesor, afecta el valor de la capacitancia estática natural de las capas de suministro de energía y también afecta significativamente la impedancia característica de los conductores en el tablero.

RESISTENCIA ESPECÍFICA eléctrica, cantidad física igual a la resistencia eléctrica ( cm. RESISTENCIA ELÉCTRICA) R de un conductor cilíndrico de unidad de longitud (l = 1m) y unidad de área de sección transversal (S = 1 m 2) .. r = R S / l. En Xi, la unidad de resistividad es Ohm. M. La resistividad también se puede expresar en ohmios. ver La resistividad es una característica del material a través del cual fluye la corriente y depende del material del que está hecha. Resistencia específica igual a r = 1 Ohm. m significa que un conductor cilíndrico hecho de de este material, longitud l = 1 m y con un área de sección transversal S = 1 m 2 tiene una resistencia R = 1 Ohm. M. El valor de la resistividad de los metales ( cm. RIELES), que son buenas guías (cm. CONDUCTORES), puede tener valores del orden de 10 - 8 - 10 - 6 Ohm. m (por ejemplo, cobre, plata, hierro, etc.). La resistividad de algunos dieléctricos sólidos ( cm. DIELÉCTRICOS) puede alcanzar un valor de 10 16 -10 18 Ohm.m (por ejemplo, vidrio de cuarzo, polietileno, electroporcelana, etc.). La resistividad de muchos materiales (especialmente materiales semiconductores ( cm. MATERIALES SEMICONDUCTORES)) depende significativamente del grado de su purificación, la presencia de aditivos de aleación, tratamientos térmicos y mecánicos, etc. cm. SIEMENS (unidad de conductividad)) por metro S/m. La resistividad eléctrica (conductividad) es una cantidad escalar para una sustancia isotrópica; y tensor - para materia anisotrópica. En monocristales anisotrópicos, la anisotropía de la conductividad eléctrica es consecuencia de la anisotropía de la masa efectiva inversa ( cm. MASA EFECTIVA) electrones y huecos.

1-6. CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA DEL AISLAMIENTO

Cuando el aislamiento de un cable o alambre se enciende a un voltaje constante U, una corriente i lo atraviesa, cambiando con el tiempo (Fig. 1-3). Esta corriente tiene componentes constantes: la corriente de conducción (i ∞) y la corriente de absorción, donde γ es la conductividad correspondiente a la corriente de absorción; T es el tiempo durante el cual la corriente iabs cae a 1/e de su valor inicial. Durante un tiempo infinitamente largo, i abs → 0 e i = i ∞. La conductividad eléctrica de los dieléctricos se explica por la presencia en ellos de una cierta cantidad de partículas cargadas libres: iones y electrones.

La conductividad eléctrica iónica es más típica para la mayoría de los materiales aislantes eléctricos, lo cual es posible debido a las impurezas inevitablemente presentes en el aislamiento (impurezas de humedad, sales, álcalis, etc.). En un dieléctrico con un carácter iónico de conductividad eléctrica, se observa estrictamente la ley de Faraday: la proporcionalidad entre la cantidad de electricidad que pasa a través del aislamiento y la cantidad de sustancia liberada durante la electrólisis.

A medida que aumenta la temperatura, la resistividad de los materiales aislantes eléctricos disminuye y se caracteriza por la fórmula

donde_ρ o, A y B son constantes para un material dado; T- temperatura, °K.

Una gran dependencia de la resistencia del aislamiento de la humedad se produce en materiales aislantes higroscópicos, principalmente fibrosos (papel, hilo de algodón, etc.). Por lo tanto, los materiales fibrosos se secan e impregnan, además de protegerse con envolturas resistentes a la humedad.

La resistencia de aislamiento puede disminuir al aumentar el voltaje debido a la formación de cargas espaciales en los materiales aislantes. La conductividad electrónica adicional creada en este caso conduce a un aumento de la conductividad eléctrica. Existe una dependencia de la conductividad del voltaje en campos muy fuertes (la ley de Ya.I. Frenkel):

donde γ sobre - conductividad en campos débiles; una constante. Todos los materiales aislantes eléctricos se caracterizan por ciertos valores de la conductividad del aislamiento G. Idealmente, la conductividad de los materiales aislantes es cero. En materiales aislantes reales, la conductividad por unidad de longitud del cable está determinada por la fórmula

En cables con resistencia de aislamiento superior a 3-10 11 ohm-m y cables de comunicación, donde las pérdidas por polarización dieléctrica son mucho mayores que las pérdidas por calor, la conductividad se determina mediante la fórmula

La conductividad del aislamiento en ingeniería de comunicaciones es un parámetro eléctrico de una línea que caracteriza las pérdidas de energía en el aislamiento de los núcleos de los cables. La dependencia de la frecuencia de la conductividad se muestra en la Fig. 1-1. La inversa de la conductividad, la resistencia de aislamiento, es la relación entre el voltaje de CC aplicado al aislamiento (en voltios) y la corriente de fuga (en amperios), es decir,

donde R V es la resistencia de aislamiento volumétrica, que determina numéricamente el obstáculo creado por el paso de corriente a través del espesor del aislamiento; R S - resistencia superficial, que determina el obstáculo para el paso de corriente a lo largo de la superficie del aislamiento.

Una evaluación práctica de la calidad de los materiales aislantes utilizados es la resistencia volumétrica específica ρ V expresada en ohm-centímetros (ohm * cm). Numéricamente, ρ V es igual a la resistencia (en ohmios) de un cubo de 1 cm de arista de un material dado, si la corriente pasa por dos caras opuestas del cubo. La resistencia superficial específica ρ S es numéricamente igual a la resistencia superficial del cuadrado (en ohmios) si la corriente se aplica a los electrodos que limitan dos lados opuestos de este cuadrado.

La resistencia de aislamiento de un cable o alambre de un solo núcleo está determinada por la fórmula

Propiedades de humedad de los dieléctricos.

Resistencia a la humedad - es la fiabilidad del funcionamiento del aislamiento cuando se encuentra en una atmósfera de vapor de agua próxima a la saturación. La resistencia a la humedad se evalúa por el cambio en las propiedades eléctricas, mecánicas y otras propiedades físicas después de encontrar el material en una atmósfera con alta y alta humedad; por la humedad y la permeabilidad al agua; por absorción de humedad y agua.

Permeabilidad a la humedad - la capacidad del material para pasar vapor de humedad en presencia de una diferencia en la humedad relativa del aire en ambos lados del material.

Absorción de humedad - la capacidad del material para absorber agua durante una estancia prolongada en una atmósfera húmeda cercana al estado de saturación.

Absorción de agua - la capacidad de un material para absorber agua durante una inmersión prolongada en agua.

Resistencia tropical y tropicalización equipo – protección de equipos eléctricos contra la humedad, moho, roedores.

Propiedades térmicas de los dieléctricos.

Las siguientes cantidades se utilizan para caracterizar las propiedades térmicas de los dieléctricos.

Resistencia al calor- la capacidad de los materiales y productos aislantes eléctricos para soportar altas temperaturas y cambios bruscos de temperatura sin dañarlos. Determinado por la temperatura a la que se observa un cambio significativo en las propiedades mecánicas y eléctricas, por ejemplo, la deformación por tracción o flexión bajo carga comienza en los dieléctricos orgánicos.

Conductividad térmica- el proceso de transferencia de calor en el material. Se caracteriza por un coeficiente de conductividad térmica determinado experimentalmente λ t Λ t es la cantidad de calor transferido en un segundo a través de una capa de material de 1 m de espesor y un área superficial de 1 m 2 a una diferencia de temperatura de la capa superficies de 1°K. El coeficiente de conductividad térmica de los dieléctricos varía dentro de amplios límites. lo mas valores bajosλ t tienen gases, dieléctricos porosos y líquidos (para aire λ t = 0.025 W / (m K), para agua λ t = 0.58 W / (m K)), los dieléctricos cristalinos tienen valores altos (para cuarzo cristalino λ t = 12,5 W/(m·K)). El coeficiente de conductividad térmica de los dieléctricos depende de su estructura (para cuarzo fundido λ t = 1,25 W / (m · K)) y de la temperatura.

Expansión térmica los dieléctricos se estiman por el coeficiente de temperatura de expansión lineal: ... Los materiales con baja expansión térmica, por regla general, tienen una mayor resistencia al calor y viceversa. Expansión térmica dieléctricos orgánicos significativamente (decenas y cientos de veces) supera la expansión de los dieléctricos inorgánicos. Por lo tanto, la estabilidad dimensional de las piezas hechas de dieléctricos inorgánicos con fluctuaciones de temperatura es mucho mayor en comparación con las orgánicas.

1. Corrientes de absorción

Las corrientes de desplazamiento de varios tipos de polarización retardada se denominan corrientes de absorción. Las corrientes de absorción a voltaje constante fluyen en el dieléctrico hasta que se establece un estado de equilibrio, cambiando su dirección cuando se enciende y se apaga el voltaje. Con un voltaje alterno, las corrientes de absorción fluyen durante todo el tiempo que el dieléctrico está en el campo eléctrico.

En general electricidad j en el dieléctrico es la suma de la corriente pasante j sc y corriente de absorción j abdominales

j = j c + j ab.

La corriente de absorción se puede determinar a través de la corriente de polarización. j cm - la tasa de cambio del vector de inducción eléctrica D

La corriente de paso está determinada por la transferencia (movimiento) en el campo eléctrico de varios portadores de carga.

2. Electrónico La conductividad eléctrica se caracteriza por el movimiento de electrones bajo la acción de un campo. Además de los metales, está presente en el carbono, óxidos metálicos, sulfuros y otras sustancias, así como en muchos semiconductores.

3. jónico - debido al movimiento de iones. Se observa en soluciones y fundidos de electrolitos: sales, ácidos, álcalis, así como en muchos dieléctricos. Se subdivide en conductividad intrínseca y de impurezas. La conductividad intrínseca se debe al movimiento de los iones obtenidos durante la disociación. moléculas. El movimiento de iones en un campo eléctrico va acompañado de electrólisis. - transferencia de una sustancia entre los electrodos y su liberación sobre los electrodos. Los líquidos polares están más disociados y tienen mayor conductividad eléctrica que los no polares.

En los dieléctricos líquidos no polares y débilmente polares (aceites minerales, líquidos de organosilicio), la conductividad eléctrica está determinada por las impurezas.

4. conductividad molecular - causado por el movimiento de partículas cargadas llamadas moliones... Obsérvelo en sistemas coloidales, emulsiones , suspensiones ... El movimiento de moliones bajo la acción de un campo eléctrico se denomina electroforesis... Durante la electroforesis, a diferencia de la electrólisis, no se forman nuevas sustancias, cambia la concentración relativa de la fase dispersa en diferentes capas del líquido. La conductividad electroforética se observa, por ejemplo, en aceites que contienen agua emulsionada.