Permeabilitatea electrică

Permitivitatea electrică este o valoare care caracterizează capacitatea unui dielectric plasat între plăcile unui condensator. După cum știți, capacitatea unui condensator plat depinde de aria plăcilor (decât mai multă zonă plăci, cu cât capacitatea este mai mare), distanța dintre plăci sau grosimea dielectricului (cu cât dielectricul este mai gros, cu atât capacitatea este mai mică), precum și din materialul dielectricului, a cărui caracteristică este permeabilitatea electrică.

Numeric, permitivitatea electrică este egală cu raportul dintre capacitatea unui condensator cu orice dielectric al aceluiași condensator de aer. Pentru a crea condensatoare compacte, este necesar să folosiți dielectrici cu permeabilitate electrică ridicată. Permitivitatea electrică a majorității dielectricilor este de câteva unități.

În tehnologie s-au obținut dielectrici cu permeabilitate electrică mare și ultraînaltă. Partea lor principală este rutil (dioxid de titan).

Figura 1. Permeabilitatea electrică a mediului

Unghiul de pierdere dielectrică

În articolul „Dielectrice” am analizat exemple de includere a unui dielectric în circuitele de curent continuu și alternativ. S-a dovedit că atunci când un dielectric real lucrează într-un câmp electric format dintr-o tensiune alternativă, se eliberează energie termică. Puterea absorbită în acest caz se numește pierderi dielectrice.În articolul „Un circuit AC care conține o capacitate”, se va dovedi că într-un dielectric ideal, curentul capacitiv conduce tensiunea cu un unghi mai mic de 90 °. Într-un dielectric real, curentul capacitiv conduce tensiunea cu un unghi mai mic de 90°. Scăderea unghiului este influențată de curentul de scurgere, denumit altfel curent de conducție.

Diferența dintre 90° și unghiul de deplasare dintre tensiune și curent care curge într-un circuit cu un dielectric real se numește unghi de pierdere dielectric sau unghi de pierdere și se notează δ (delta). Mai des, nu unghiul în sine este determinat, ci tangenta acestui unghi -tg δ.

S-a stabilit că pierderile dielectrice sunt proporționale cu pătratul tensiunii, frecvenței AC, capacității condensatorului și tangentei pierderilor dielectrice.

Prin urmare, cu cât tangenta de pierdere a dielectricului este mai mare, tan δ, cu atât este mai mare pierderea de energie în dielectric, cu atât materialul dielectric este mai rău. Materialele cu un tg δ relativ mare (de ordinul a 0,08 - 0,1 sau mai mult) sunt izolatori slabi. Materialele cu tg δ relativ mic (de ordinul a 0,0001) sunt buni izolatori.

Capacitatea unui condensator depinde, după cum arată experiența, nu numai de dimensiunea, forma și poziția relativă a conductorilor săi constitutivi, ci și de proprietățile dielectricului care umple spațiul dintre acești conductori. Influența dielectricului poate fi stabilită folosind următorul experiment. Încărcăm un condensator plat și notăm citirile unui electrometru care măsoară tensiunea pe condensator. Să mutăm apoi o placă de ebonită neîncărcată în condensator (Fig. 63). Vom vedea că diferența de potențial dintre plăci va scădea vizibil. Dacă îndepărtați ebonita, atunci citirile electrometrului devin aceleași. Acest lucru arată că atunci când aerul este înlocuit cu ebonită, capacitatea condensatorului crește. Luând un alt dielectric în loc de ebonită, vom obține un rezultat similar, dar numai modificarea capacității condensatorului va fi diferită. Dacă - capacitatea condensatorului, între plăcile cărora există un vid, și - capacitatea aceluiași condensator, atunci când întreg spațiul dintre plăci este umplut, fără goluri de aer, cu un fel de dielectric, atunci capacitatea va fi de ori mai mare decât capacitatea, unde depinde doar de natura dielectricului. Astfel, se poate scrie

Orez. 63. Capacitatea unui condensator crește atunci când o placă de ebonită este împinsă între plăcile sale. Foile electrometrului cad, deși sarcina rămâne aceeași

Valoarea se numește constantă dielectrică relativă sau pur și simplu constanta dielectrică a mediului care umple spațiul dintre plăcile condensatorului. În tabel. 1 arată valorile permitivității unor substanțe.

Tabelul 1. Constanta dielectrica a unor substante

Substanţă
Apă (curată)
Ceramica (ingineria radio)

Cele de mai sus sunt valabile nu numai pentru un condensator plat, ci și pentru un condensator de orice formă: prin înlocuirea aerului cu un fel de dielectric, creștem capacitatea condensatorului cu un factor de .

Strict vorbind, capacitatea unui condensator crește cu un factor numai dacă toate liniile de câmp care trec de la o placă la alta trec prin dielectricul dat. Acesta va fi, de exemplu, un condensator care este complet scufundat într-un fel de dielectric lichid, turnat într-un vas mare. Cu toate acestea, dacă distanța dintre plăci este mică în comparație cu dimensiunile lor, atunci se poate considera că este suficient să umpleți doar spațiul dintre plăci, deoarece aici este practic concentrat câmpul electric al condensatorului. Deci, pentru un condensator plat, este suficient să umpleți doar spațiul dintre plăci cu un dielectric.

Prin plasarea unei substanțe cu o constantă dielectrică mare între plăci, capacitatea condensatorului poate fi crescută foarte mult. Acest lucru este folosit în practică și, de obicei, nu aerul este ales ca dielectric pentru un condensator, ci sticlă, parafină, mica și alte substanțe. Pe fig. 64 prezintă un condensator tehnic, în care o bandă de hârtie impregnată cu parafină servește ca dielectric. Fețele sale sunt foi de oțel presate pe ambele părți pe hârtie cerată. Capacitatea unor astfel de condensatoare ajunge adesea la câțiva microfaradi. Deci, de exemplu, un condensator radio amator de dimensiunea cutie de chibrituri are o capacitate de 2 microfarad.

Orez. 64. Condensator tehnic plat: a) asamblat; b) în formă parțial dezasamblată: 1 și 1 "- benzi de cadru, între care sunt așezate benzi de hârtie subțire cerată 2. Toate benzile sunt pliate împreună cu un "acordeon" și introduse într-o cutie metalică. Contactele 3 și 3" sunt lipite la capetele benzilor 1 și 1" pentru a include un condensator în circuit

Este clar că numai dielectricii cu proprietăți izolante foarte bune sunt potrivite pentru fabricarea unui condensator. În caz contrar, sarcinile vor curge prin dielectric. Prin urmare, apa, în ciuda constantei sale dielectrice ridicate, nu este deloc potrivită pentru fabricarea condensatoarelor, deoarece numai apa purificată extrem de atent este un dielectric suficient de bun.

Dacă spațiul dintre plăcile unui condensator plat este umplut cu un mediu cu constantă dielectrică, atunci formula (34.1) pentru un condensator plat ia forma

Faptul că capacitatea unui condensator depinde de mediu indică faptul că câmpul electric din interiorul dielectricilor se modifică. Am văzut că atunci când un condensator este umplut cu un dielectric cu o permitivitate, capacitatea crește cu un factor de . Aceasta înseamnă că, cu aceleași sarcini pe plăci, diferența de potențial dintre ele scade cu un factor. Dar diferența de potențial și intensitatea câmpului sunt interconectate prin relația (30.1). Prin urmare, o scădere a diferenței de potențial înseamnă că intensitatea câmpului în condensator atunci când este umplut cu un dielectric devine mai mică cu un factor. Acesta este motivul creșterii capacității condensatorului. ori mai puțin decât în ​​vid. Prin urmare, concluzionăm că legea lui Coulomb (10.1) pentru sarcinile punctuale plasate într-un dielectric are forma

LUCRARE DE LABORATOR VIRTUAL #3 PE

FIZICA STĂRII SOLIDE

Instrucțiuni metodice de implementare munca de laborator№3 la secțiunea de fizică „Solid State” pentru studenții specialităților tehnice de toate formele de învățământ

Krasnoyarsk 2012

Referent

Candidat la Științe Fizice și Matematice, Conf. univ. O.N. Bandurina

(Universitatea Aerospațială de Stat din Siberia

numit după academicianul M.F. Reshetnev)

Publicat prin hotărâre a comisiei metodologice a TIC

Determinarea constantei dielectrice a semiconductorilor. Lucrarea de laborator virtual nr. 3 în fizica stării solide: Orientări pentru implementarea lucrărilor de laborator nr. 3 la secțiunea de fizică „Solid State” pentru studenții de tehnologie. specialist. toate formele de educație / comp.: A.M. Harkov; Sib. stat aerospațială un-t. - Krasnoyarsk, 2012. - 21 p.

Aerospațial de stat siberian

Universitatea poartă numele academicianului M.F. Reșetneva, 2012

Introducere………………………………………………………………………………………...4

Admiterea la lucrările de laborator……………………………………………………….4

Înregistrarea lucrărilor de laborator pentru protecție…………………………………...4

Determinarea constantei dielectrice a semiconductorilor………….........5

Teoria metodei…………………………………………………………………………………..5

Metoda de măsurare a constantei dielectrice………..……..11

Prelucrarea rezultatelor măsurătorilor……………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………….

Întrebări de control………..…………………………………………………………….17

Test……………………………………………………………………………………….17

Referințe…………………………………………………………………20

Cererea……………………………………………………………………………………21

INTRODUCERE

Date instrucțiuni conțin descrieri pentru lucrările de laborator care utilizează modele virtuale de la cursul de fizică a stării solide.

Acces la munca de laborator:

Realizat de profesor în grupuri cu un sondaj personal al fiecărui elev. Pentru admitere:

1) Fiecare student își întocmește în prealabil rezumatul personal al acestei lucrări de laborator;

2) Profesorul verifică individual proiectarea rezumatului și pune întrebări despre teorie, metode de măsurare, instalarea și prelucrarea rezultatelor;

3) Elevul răspunde întrebări puse;

4) Profesorul permite elevului să lucreze și își pune semnătura în rezumatul elevului.

Înregistrarea lucrărilor de laborator pentru protecție:

O lucrare complet finalizată și pregătită pentru apărare trebuie să îndeplinească următoarele cerințe:

Finalizarea tuturor punctelor: toate calculele valorilor cerute, toate tabelele completate cu cerneală, toate graficele construite etc.

Graficele trebuie să îndeplinească toate cerințele profesorului.

Pentru toate cantitățile din tabele, trebuie înregistrată unitatea de măsură corespunzătoare.

Concluzii înregistrate pentru fiecare grafic.

Răspunsul este scris în forma prescrisă.

Concluzii înregistrate cu privire la răspuns.

DETERMINAREA REZISTENTEI DIELECTRICE A SEMICONDUCTOARELOR

Teoria metodei

Polarizare este capacitatea unui dielectric de a polariza sub acțiunea unui câmp electric, adică modifică în spațiu locația particulelor încărcate legate ale dielectricului.

Cea mai importantă proprietate dielectricii este capacitatea lor de polarizare electrică, adică sub influența unui câmp electric, are loc o deplasare direcționată a particulelor sau moleculelor încărcate pe o distanță limitată. Sub acțiunea unui câmp electric, sarcinile sunt deplasate, atât în ​​molecule polare, cât și în molecule nepolare.

Sunt peste o duzină diferite feluri polarizare. Să luăm în considerare câteva dintre ele:

1. Polarizare electronică este deplasarea orbitelor electronilor în raport cu nucleul încărcat pozitiv. Apare în toți atomii oricărei substanțe, adică. în toate dielectricii. Polarizarea electronică se stabilește în 10 -15 -10 -14 s.

2. Polarizare ionică- deplasarea unul față de celălalt a ionilor cu încărcare opusă în substanțe cu legături ionice. Timpul de stabilire a acestuia este de 10 -13 -10 -12 s. Polarizarea electronică și ionică se numără printre tipurile de polarizare instantanee sau de deformare.

3. Polarizare dipol sau orientativă datorită orientării dipolilor în direcţia câmpului electric. Polarizarea dipolului este deținută de dielectricii polari. Timpul său de stabilire este de 10 -10 -10 -6 s. Polarizarea dipol este unul dintre tipurile de polarizare lentă sau de relaxare.

4. Polarizare migratorie observat la dielectricii neomogene, în care sarcinile electrice se acumulează la limita secțiunii de neomogeneități. Procesele de stabilire a polarizării migratorii sunt foarte lente și pot dura minute sau chiar ore.

5. Polarizarea relaxării ionilor datorita transferului in exces al ionilor slab legati sub actiunea unui camp electric pe distante ce depasesc constanta retelei. Polarizarea de relaxare ionică se manifestă în unele substanțe cristaline în prezența impurităților sub formă de ioni sau împachetare liberă a rețelei cristaline. Timpul său de stabilire este de 10 -8 -10 -4 s.

6. Polarizare electronică de relaxare apare din cauza excesului de electroni „defecte” sau „găuri” excitate de energia termică. Acest tip de polarizare, de regulă, determină o valoare ridicată a permisivității.

7. Polarizare spontană- polarizarea spontană care apare în unele substanțe (de exemplu, sarea Rochelle) într-un anumit interval de temperatură.

8. Polarizare elastic-dipol asociat cu rotația elastică a dipolilor prin unghiuri mici.

9. Polarizare reziduală- polarizarea, care rămâne în unele substanțe (electreți) mult timp după îndepărtarea câmpului electric.

10. polarizare rezonantă. Dacă frecvența câmpului electric este apropiată de frecvența naturală a oscilațiilor dipolului, atunci oscilațiile moleculelor pot crește, ceea ce va duce la apariția polarizării rezonante în dielectricul dipolului. Polarizarea rezonantă este observată la frecvențele situate în regiunea luminii infraroșii. Un dielectric real poate avea simultan mai multe tipuri de polarizare. Apariția unuia sau altuia tip de polarizare este determinată de proprietati fizice si chimice substanțele și gama de frecvențe utilizate.

Parametri principali:

ε este permisivitatea este o măsură a capacității unui material de a polariza; aceasta este o valoare care arată de câte ori forța de interacțiune a sarcinilor electrice într-un anumit material este mai mică decât în ​​vid. În interiorul dielectricului există un câmp îndreptat opus celui exterior.

Puterea câmpului extern slăbește în comparație cu câmpul acelorași sarcini în vid cu un factor de ε, unde ε este permisivitatea relativă.

Dacă vidul dintre plăcile condensatorului este înlocuit cu un dielectric, atunci, ca urmare a polarizării, capacitatea crește. Aceasta este baza pentru o definiție simplă a permisivității:

unde C 0 este capacitatea condensatorului, între plăcile cărora există un vid.

C d este capacitatea aceluiași condensator cu un dielectric.

Constanta dielectricăε al unui mediu izotrop este determinat de relația:

(2)

unde χ este susceptibilitatea dielectrică.

D = tg δ este tangenta de pierderi dielectrice

Pierderi dielectrice - pierderi energie electrica datorită fluxului de curent în dielectrici. Se face distincția între curentul de conducție I sk.pr, cauzat de prezența unui număr mic de ioni ușor mobili în dielectrici, și curenții de polarizare. Cu polarizarea electronică și ionică, curentul de polarizare se numește curent de deplasare I cm, este de foarte scurtă durată și nu este înregistrat de instrumente. Curenții asociați cu tipurile de polarizare lentă (de relaxare) se numesc curenți de absorbție I abs. ÎN caz general curentul total din dielectric este definit ca: I=I abs + I rms. După stabilirea polarizării, curentul total va fi egal cu: I=I rms. Dacă într-un câmp constant apar curenți de polarizare în momentul pornirii și opririi tensiunii, iar curentul total este determinat în conformitate cu ecuația: I \u003d I sk.pr, atunci în câmp alternativ apar curenți de polarizare în acest moment de modificarea polarității tensiunii. Ca urmare, pierderile în dielectric într-un câmp alternativ pot fi semnificative, mai ales dacă semiciclul tensiunii aplicate se apropie de timpul de stabilire a polarizării.

Pe fig. 1(a) prezintă un circuit echivalent cu un condensator dielectric într-un circuit de tensiune alternativă. În acest circuit, un condensator cu un dielectric real, care are pierderi, este înlocuit cu un condensator ideal C cu o rezistență activă R conectată în paralel. 1(b) prezintă o diagramă vectorială a curenților și tensiunilor pentru circuitul luat în considerare, unde U sunt tensiunile din circuit; I ak - curent activ; I p - curent reactiv, care este cu 90 ° înaintea componentului activ în fază; I ∑ - curent total. În acest caz: I a =I R =U/R și I p =I C =ωCU, unde ω este frecvența circulară a câmpului alternant.

Orez. 1. (a) schemă; (b) - diagramă vectorială a curenților și tensiunilor

Unghiul de pierdere dielectrică este unghiul δ, care completează până la 90 ° unghiul de defazare φ dintre curentul I ∑ și tensiunea U din circuitul capacitiv. Pierderile în dielectrici într-un câmp alternativ sunt caracterizate de tangenta de pierderi dielectrice: tg δ=I a / I p.

Valorile limită ale tangentei de pierdere dielectrică pentru dielectricii de înaltă frecvență nu trebuie să depășească (0,0001 - 0,0004), iar pentru joasă frecvență - (0,01 - 0,02).

Dependența lui ε și tan δ de temperatura T și frecvența ω

Parametrii dielectrici ai materialelor în grade diferite depinde de temperatură și frecvență. Un numar mare de materialele dielectrice nu ne permite să acoperim caracteristicile tuturor dependențelor de acești factori.

Prin urmare, în fig. 2 (a, b) sunt prezentate tendinte generale, caracteristic unor grupuri principale i.e. Sunt prezentate dependențele tipice ale permitivității ε de temperatura T (a) și de frecvența ω (b).

Orez. 2. Dependența de frecvență a părților reale (ε') și imaginară (ε') ale permitivității în prezența mecanismului de relaxare orientațională

Permitivitate complexă.În prezența proceselor de relaxare, este convenabil să scrieți permisivitatea într-o formă complexă. Dacă formula Debye este valabilă pentru polarizabilitate:

(3)

unde, τ este timpul de relaxare, α 0 este polarizabilitatea orientativă statistică. Apoi, presupunând că câmpul local este egal cu cel extern, obținem (în CGS):

Graficele dependenței lui εʹ și εʺ de produsul ωτ sunt prezentate în fig. 2. Rețineți că scăderea în εʹ (partea reală a lui ε) are loc în apropierea maximului lui εʺ (partea imaginară a lui ε).

Un astfel de curs de schimbare în εʹ și εʺ cu frecvența servește exemplu frecvent un rezultat mai general, conform căruia εʹ(ω) în funcție de frecvență implică și dependența lui εʺ(ω) de frecvență. În sistemul SI, 4π ar trebui înlocuit cu 1/ε 0 .

Sub acțiunea unui câmp aplicat, moleculele dintr-un dielectric nepolar sunt polarizate, devenind dipoli cu un moment dipol indus μ Și, proporțional cu intensitatea câmpului:

(5)

Într-un dielectric polar, momentul dipol al unei molecule polare μ este, în general, egal cu suma vectorială a propriei μ 0 și μ indus. Și momente:

(6)

Intensitățile câmpului produse de acești dipoli sunt proporționale cu momentul dipolului și invers proporționale cu cubul distanței.

Pentru materialele nepolare de obicei ε = 2 – 2,5 și nu depinde de frecvența până la ω ≈10 12 Hz. Dependența lui ε de temperatură se datorează faptului că atunci când se modifică, dimensiunile liniare ale solidului și volumele dielectricilor lichidi și gazoși se modifică, ceea ce modifică numărul de molecule n pe unitate de volum.

și distanța dintre ele. Folosind relaţiile cunoscute din teoria dielectricilor F=n\μ ȘiȘi F=ε 0 (ε - 1)E, Unde F este polarizarea materialului, pentru dielectricii nepolari avem:

(7)

Pentru E=const de asemenea μ Și= const iar modificarea temperaturii în ε se datorează numai modificării în n, care este funcție liniară temperatura Θ, dependența ε = ε(Θ) este și ea liniară. Nu există dependențe analitice pentru dielectricii polari, iar cele empirice sunt de obicei folosite.

1) Odată cu creșterea temperaturii, volumul dielectricului crește și constanta dielectrică scade ușor. Scăderea ε este vizibilă mai ales în perioada de înmuiere și topire a dielectricilor nepolari, când volumul acestora crește semnificativ. Datorită frecvenței înalte a electronilor pe orbite (de ordinul 1015–1016 Hz), timpul pentru stabilirea stării de echilibru a polarizării electronilor este foarte scurt, iar permeabilitatea ε a dielectricilor nepolari nu depinde de frecvența câmpului în general. intervalul de frecvență utilizat (până la 1012 Hz).

2) Pe măsură ce temperatura crește, legăturile dintre ionii individuali se slăbesc, ceea ce facilitează interacțiunea lor sub acțiunea unui câmp extern, iar acest lucru duce la o creștere a polarizării ionice și a permisivității ε. Având în vedere micimea timpului de stabilire a stării de polarizare ionică (de ordinul a 10 13 Hz, care corespunde frecvenței naturale a oscilațiilor ionilor în rețea cristalină) modificarea frecvenței câmpului extern în domeniile obișnuite de funcționare nu are practic niciun efect asupra valorii lui ε în materialele ionice.

3) Permitivitatea dielectricilor polari depinde în mare măsură de temperatura și frecvența câmpului extern. Pe măsură ce temperatura crește, mobilitatea particulelor crește și energia de interacțiune dintre ele scade, adică. orientarea lor este facilitată sub acţiunea unui câmp extern - polarizarea dipolului şi permittivitatea cresc. Cu toate acestea, acest proces continuă doar până la o anumită temperatură. Odată cu o creștere suplimentară a temperaturii, permeabilitatea ε scade. Deoarece orientarea dipolilor în direcția câmpului se realizează în acest proces mișcarea termică iar prin mișcarea termică, stabilirea polarizării necesită un timp considerabil. Acest timp este atât de lung încât câmpuri variabile dipolii de înaltă frecvență nu au timp să se orienteze de-a lungul câmpului, iar permeabilitatea ε scade.

Metodă de măsurare a permisivității

Capacitatea condensatorului. Condensator- acesta este un sistem de doi conductori (plăci), despărțiți de un dielectric, a cărui grosime este mică în comparație cu dimensiunile liniare ale conductorilor. Deci, de exemplu, două plăci metalice plate, situate în paralel și separate printr-un strat dielectric, formează un condensator (Fig. 3).

Dacă plăcilor unui condensator plat li se dau sarcini egale de semn opus, atunci intensitatea câmpului electric dintre plăci va fi de două ori mai mare decât intensitatea câmpului unei plăci:

(8)

unde ε este permisivitatea dielectricului care umple spațiul dintre plăci.

Mărimea fizică determinată de raportul de încărcare q se numește una dintre plăcile condensatorului la diferența de potențial Δφ dintre plăcile condensatorului capacitate:

(9)

Unitatea SI de capacitate electrica - Farad(F). Un astfel de condensator are o capacitate de 1 F, a cărui diferență de potențial dintre plăci este de 1 V atunci când plăcilor li se dau sarcini opuse de 1 C fiecare: 1 F = 1 C / 1 V.

Capacitatea unui condensator plat. Formula de calcul a capacității electrice a unui condensator plat poate fi obținută folosind expresia (8). Într-adevăr, puterea câmpului: E= φ/εε 0 = q/εε 0 S, Unde S este aria plăcii. Deoarece câmpul este uniform, diferența de potențial dintre plăcile condensatorului este: φ 1 - φ 2 = Ed = qd/εε 0 S, Unde d- distanta dintre placi. Înlocuind în formula (9), obținem o expresie pentru capacitatea electrică a unui condensator plat:

(10)

Unde ε 0 este constanta dielectrică a aerului; S este aria plăcii condensatorului, S=hl, Unde h- latimea placii, l- lungimea acestuia; d este distanța dintre plăcile condensatorului.

Expresia (10) arată că capacitatea unui condensator poate fi mărită prin creșterea ariei S plăcile sale, reducând distanța dîntre ele şi utilizarea dielectricilor cu valori mari permisivitatea ε .

Orez. 3. Condensator cu un dielectric plasat în el

Dacă o placă dielectrică este plasată între plăcile unui condensator, capacitatea condensatorului se va modifica. Trebuie luată în considerare locația plăcii dielectrice între plăcile condensatorului.

Denota: d c - grosimea spațiului de aer, d m este grosimea plăcii dielectrice, l B este lungimea părții de aer a condensatorului, l m este lungimea părții condensatorului umplută cu un dielectric, ε m este constanta dielectrică a materialului. Având în vedere că l = lîn + l m, a d = dîn + d m, atunci aceste opțiuni pot fi luate în considerare pentru cazuri:

Când l la = 0, d la = 0 avem un condensator cu un dielectric solid:

(11)

Din ecuațiile electrodinamicii macroscopice clasice, bazate pe ecuațiile lui Maxwell, rezultă că atunci când un dielectric este plasat într-un câmp alternativ slab care se modifică conform unei legi armonice cu o frecvență ω, tensorul de permitivitate complex ia forma:

(12)

unde σ este conductivitatea optică a substanței, εʹ este permisivitatea substanței legată de polarizarea dielectricului. Expresia (12) poate fi redusă la următorul tip:

(13)

unde termenul imaginar este responsabil pentru pierderile dielectrice .

În practică, se măsoară C - capacitatea unei probe sub forma unui condensator plat. Acest condensator este caracterizat de tangenta de pierderi dielectrice:

tgδ=ωCR c (14)

sau bunătate:

Q c =1/tanδ (15)

unde R c este rezistența, care depinde în principal de pierderile dielectrice. Pentru a măsura aceste caracteristici, există o serie de metode: diverse metode de punte, măsurători cu conversia parametrului măsurat într-un interval de timp etc. .

La măsurarea capacității C și a tangentei de pierdere dielectrică D = tgδ în această lucrare, am folosit tehnica dezvoltată de campania GOOD WILL INSTRUMENT CO Ltd. Măsurătorile au fost efectuate pe un contor de imitație de precizie - LCR-819-RLC. Dispozitivul vă permite să măsurați capacitatea între 20 pF–2,083 mF, tangenta de pierdere între 0,0001-9999 și să aplicați un câmp de polarizare. Offset intern până la 2 V, polarizare externă până la 30 V. Precizia măsurării este de 0,05%. Frecvența semnalului de testare 12 Hz -100 kHz.

În această lucrare, măsurătorile au fost efectuate la o frecvență de 1 kHz în domeniul de temperatură 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 .

Pentru a obține dependențe de temperatură, celula cu proba este plasată într-un flux de lichid de răcire (azot) trecut printr-un schimbător de căldură, a cărui temperatură este setată de încălzitor. Temperatura încălzitorului este controlată de un termostat. Părere de la contorul de temperatură la controlerul de temperatură vă permite să setați viteza de măsurare a temperaturii sau să efectuați stabilizarea acesteia. Un termocuplu este utilizat pentru a controla temperatura. În această lucrare, temperatura a fost schimbată cu o rată de 1 grad/min. Această metodă vă permite să măsurați temperatura cu o eroare de 0,1 grade.

Celula de măsurare cu proba fixată pe ea este plasată într-un criostat de flux. Conexiunea celulei cu contorul LCR se realizează prin fire ecranate printr-un conector din capacul criostatului. Criostatul este plasat între polii electromagnetului FL-1. Alimentarea magnetului permite obtinerea de campuri magnetice de pana la 15 kOe. Pentru a măsura mărimea tensiunii camp magnetic H folosește un senzor Hall stabilizat la temperatură cu o unitate electronică. Pentru a stabiliza câmpul magnetic, există un feedback între sursa de alimentare și contorul de câmp magnetic.

Valorile măsurate ale capacității C și tangentei de pierdere D = tg δ sunt legate de valorile mărimilor fizice căutate εʹ și εʺ prin următoarele relații:

(16)

(17)

№	C(pF)	Re(ε')	T (°K)	tg δ	Qc	sunt(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

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

Constanta dielectrică

Fenomenul de polarizare este judecat după valoarea permisivității ε. Parametrul ε, care caracterizează capacitatea unui material de a forma o capacitate, se numește permitivitate relativă.

Cuvântul „rudă” este de obicei omis. Trebuie avut în vedere faptul că capacitatea electrică a secțiunii de izolație cu electrozi, i.e. condensator, depinde de dimensiunile geometrice, de configurația electrozilor și de structura materialului care formează dielectricul acestui condensator.

În vid, ε = 1, iar orice dielectric este întotdeauna mai mare decât 1. Dacă C0 - eat-

un os, între plăcile cărora există un vid, de formă și dimensiune arbitrară, iar C este capacitatea unui condensator de aceeași dimensiune și formă, dar umplut cu un dielectric cu o permitivitate ε, atunci

Notând cu C0 constanta electrică (F/m) egală cu

C0 = 8,854,10-12,

găsiți permisivitatea absolută

ε’ = ε0 .ε.

Să determinăm valorile capacității pentru unele forme de dielectrici.

Pentru condensator plat

С = ε0 ε S/h = 8,854 1О-12 ε S/h.

unde S este aria secțiunii transversale a electrodului, m2;

h este distanța dintre electrozi, m.

Valoare practică constanta dielectrică este foarte mare. Ea determină nu numai capacitatea materialului de a forma un recipient, ci este inclusă și într-o serie de ecuații de bază care caracterizează procese fizice curgând într-un dielectric.

Constanta dielectrica a gazelor, datorita densitatii lor scazute (datorita distantelor mari dintre molecule) este nesemnificativa si apropiata de unitate. De obicei, polarizarea unui gaz este electronică sau dipol dacă moleculele sunt polare. ε al gazului este mai mare, cu cât raza moleculei este mai mare. O modificare a numărului de molecule de gaz pe unitate de volum de gaz (n) cu o schimbare a temperaturii și presiunii determină o modificare a constantei dielectrice a gazului. Numărul de molecule N este proporțional cu presiunea și invers proporțional cu temperatura absolută.

Când umiditatea se modifică, constanta dielectrică a aerului se modifică ușor proporțional cu modificarea umidității (la temperatura camerei). La temperaturi ridicate, influența umidității este mult sporită. Dependența de temperatură a permitivității este caracterizată de expresie

T K ε = 1 / ε (dε / dT).

Folosind această expresie, se poate calcula modificarea relativă a constantei dielectrice cu o modificare a temperaturii cu 1 0 K - așa-numitul coeficient de temperatură TK al constantei dielectrice.

Valoarea TC a unui gaz nepolar se găsește prin formula

T K ε \u003d (ε -1) / dT.

unde T este temperatura. LA.

Constanta dielectrică a lichidelor este foarte dependentă de structura lor. Valorile lui ε ale lichidelor nepolare sunt mici și apropiate de pătratul indicelui de refracție al luminii n 2. Constanta dielectrică a lichidelor polare, care sunt utilizate ca dielectrice tehnice, variază de la 3,5 la 5, ceea ce este vizibil. mai mare decât cea a lichidelor nepolare.

Astfel, polarizarea lichidelor care conțin molecule dipol este determinată simultan de polarizările electronice și de relaxare dipol.

Lichidele foarte polare se caracterizează printr-o valoare ridicată a lui ε datorită conductivității lor ridicate. Dependența de temperatură a lui ε în lichidele dipol este mai complexă decât în ​​lichidele neutre.

Prin urmare, ε la o frecvență de 50 Hz pentru bifenil clorurat (savol) crește rapid din cauza unei scăderi accentuate a vâscozității lichidului și a dipolului

moleculele au timp să se orienteze în urma unei schimbări de temperatură.

Scăderea lui ε se produce datorită creșterii mișcării termice a moleculelor, ceea ce împiedică orientarea lor în direcția câmpului electric.

Dielectricii sunt împărțiți în patru grupe în funcție de tipul de polarizare:

Prima grupă este o singură compoziție, omogenă, pură, fără aditivi, dielectrici, care au în principal polarizare electronică sau împachetare densă de ioni. Acestea includ dielectrici solizi nepolari și slab polari în stare cristalină sau amorfă, precum și lichide și gaze nepolare și slab polare.

A doua grupă este dielectricele tehnice cu polarizări electronice, ionice și simultan cu polarizări de relaxare dipol. Acestea includ semi-lichide organice polare (dipol) și solide, cum ar fi compuși ulei-colofoniu, celuloză, rășini epoxidice și materiale compozite alcătuite din aceste substanțe.

A treia grupă este dielectricele tehnice cu ionice și polarizări electronice; dielectricii cu polarizări electronice de relaxare ionică este împărțit în două subgrupe. Primul subgrup include în principal substanțe cristaline cu împachetare strânsă de ioni ε< 3,0.

Al doilea subgrup include sticla anorganică și materiale care conțin o fază vitroasă, precum și substanțe cristaline cu împachetare ionică liberă.

A patra grupă este formată din feroelectrici cu polarizări spontane, electronice, ionice, de relaxare electron-ion, precum și migratoare sau de înaltă tensiune pentru materiale compozite, complexe și stratificate.

4. Pierderi dielectrice ale materialelor electroizolante. Tipuri de pierderi dielectrice.

Pierderile dielectrice sunt puterea disipată într-un dielectric atunci când este expus la un câmp electric și provoacă încălzirea dielectricului.

Pierderile în dielectrice se observă atât la tensiune alternativă, cât și la tensiune constantă, deoarece în material este detectat un curent de trecere din cauza conductibilității. La o tensiune constantă, când nu există polarizare periodică, calitatea materialului este caracterizată, după cum sa menționat mai sus, de valorile volumului specific și ale rezistențelor de suprafață. Cu o tensiune alternativă, este necesar să se folosească o altă caracteristică a calității materialului, deoarece în acest caz, pe lângă curentul de trecere, există cauze suplimentare care provoacă pierderi în dielectric.

Pierderile dielectrice dintr-un material electric izolant pot fi caracterizate prin disiparea puterii pe unitate de volum sau pierderi specifice; mai des, pentru a evalua capacitatea unui dielectric de a disipa puterea într-un câmp electric, se utilizează unghiul de pierdere a dielectricului, precum și tangenta acestui unghi.

Orez. 3-1. Sarcina față de tensiune pentru un dielectric liniar fără pierderi (a), cu pierderi (b)

Unghiul de pierdere dielectrică este unghiul care completează până la 90 ° unghiul defazării dintre curent și tensiune într-un circuit capacitiv. Pentru un dielectric ideal, vectorul curent dintr-un astfel de circuit va conduce vectorul de tensiune cu 90°, în timp ce unghiul de pierdere dielectrică va fi zero. Cu cât puterea disipată în dielectric, care se transformă în căldură este mai mare, cu atât unghiul de defazare este mai mic și unghiul și funcția sa tg sunt mai mari.

Din teoria curenților alternativi, se știe că puterea activă

Ra = UI cos (3-1)

Să exprimăm puterile pentru circuitele în serie și paralele în termeni de capacități Cs și Сp și unghiul , care este complementul unghiului de până la 90°.

Pentru un circuit serial, folosind expresia (3-1) și diagrama vectorială corespunzătoare, avem

Pa = (3-2)

tg = C s r s (3-3)

Pentru circuit paralel

P a \u003d Ui a \u003d U 2 C p tg (3-4)

tg = (3-5)

Echivalând expresiile (3-2) și (3-4), precum și (3-3) și (3-5) între ele, găsim relația dintre Сp și Cs și între rp și rs

C p \u003d C s /1 + tg 2 (3-6)

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

Pentru dielectrici de înaltă calitate, puteți neglija valoarea lui tg2 în comparație cu unitatea din formula (3-8) și puteți calcula Cp Cs C. Expresiile pentru puterea disipată în dielectric, în acest caz, vor fi aceleași pentru ambele circuite :

P a U 2 Ctg (3-8)

unde Ra - puterea activă, W; U - tensiune, V; - frecventa unghiulara, s-1; C - capacitate, F.

rezistenta rr in circuit paralel, după cum rezultă din expresia (3-7), de multe ori mai mare decât rezistența rs. Expresia pentru pierderile dielectrice specifice, adică puterea disipată pe unitatea de volum a dielectricului, are forma:

(3-9)

unde р - pierderi specifice, W/m3; \u003d 2 - frecvența unghiulară, s-1, E - intensitatea câmpului electric, V / m.

Într-adevăr, capacitatea dintre fețele opuse ale unui cub cu latura de 1 m va fi

С1 = 0 r , componenta reactivă a conductivității

(3-10)

o componentă activă

După ce au determinat printr-o anumită metodă, la o anumită frecvență, parametrii circuitului echivalent al dielectricului studiat (Ср și rр sau Cs și rs), în cazul general, este imposibil să se considere valorile obținute ale capacității și rezistenței ca fiind inerente acestui condensator și utilizați aceste date pentru a calcula unghiul de pierdere la o frecvență diferită. Un astfel de calcul se poate face numai dacă circuit echivalent are o anumită justificare fizică. Deci, de exemplu, dacă se știe pentru un anumit dielectric că pierderile din acesta sunt determinate numai de pierderile prin conducție într-un domeniu larg de frecvență, atunci unghiul de pierdere al unui condensator cu un astfel de dielectric poate fi calculat pentru orice frecvență situată. în acest interval

tg=1/ Crp(3-12)

unde C și rp sunt capacități și rezistențe constante măsurate la o frecvență dată.

Pierderile într-un astfel de condensator, așa cum este ușor de văzut, nu depind de frecvență:

Pa=U2/rp (3-13)

dimpotrivă, dacă pierderile din condensator se datorează în principal rezistenței firelor de alimentare, precum și rezistenței electrozilor înșiși (de exemplu, un strat subțire de argint), atunci puterea disipată într-un astfel de condensator va creștere proporțională cu pătratul frecvenței:

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

Din ultima expresie se poate trage o concluzie practică foarte importantă: condensatoarele proiectate să funcționeze la frecvență înaltă trebuie să aibă cea mai mică rezistență posibilă atât a electrozilor, cât și a firelor de legătură și a contactelor de tranziție.

În funcție de caracteristicile și natura lor fizică, pierderile dielectrice pot fi împărțite în patru tipuri principale:

1) pierderi dielectrice datorate polarizării;

2) pierderi dielectrice datorate prin conducție;

pierderi dielectrice de ionizare;

pierderi dielectrice datorate neomogenității structurii.

Pierderile dielectrice datorate polarizării se observă în mod deosebit la substanțele cu polarizare de relaxare: în dielectricii unei structuri dipol și în dielectricii unei structuri ionice cu împachetare liberă de ioni.

Pierderile dielectrice de relaxare sunt cauzate de încălcarea mișcării termice a particulelor sub influența forțelor câmpului electric.

Pierderile dielectrice observate la feroelectrice sunt asociate cu fenomenul de polarizare spontană. Prin urmare, pierderile în feroelectrice sunt semnificative la temperaturi sub punctul Curie, când se observă polarizare spontană. La temperaturi peste punctul Curie, pierderile de feroelectrice scad. Îmbătrânirea electrică a unui feroelectric în timp este însoțită de o oarecare scădere a pierderilor.

Pierderile dielectrice datorate polarizării ar trebui să includă și așa-numitele pierderi de rezonanță, care se manifestă în dielectrici la frecvențe înalte. Acest tip de pierdere se observă cu o claritate deosebită la unele gaze la o frecvență strict definită și se exprimă în absorbția intensă a energiei câmpului electric.

Pierderile de rezonanță sunt posibile și la solide dacă frecvența oscilațiilor forțate cauzate de câmpul electric coincide cu frecvența oscilațiilor naturale ale particulelor solidului. Prezența unui maxim în dependența de frecvență a lui tg este, de asemenea, caracteristică mecanismului de pierdere de rezonanță, totuși, în acest caz temperatura nu afectează poziția maximului.

Pierderile dielectrice datorate conducției prin conducție se găsesc în dielectricii care au un volum vizibil sau o conductivitate de suprafață.

Tangenta de pierdere dielectrică în acest caz poate fi calculată prin formula

Pierderile dielectrice de acest fel nu depind de frecvența câmpului; tg scade cu frecventa conform legii hiperbolice.

Pierderile dielectrice datorate conductivității electrice cresc exponențial cu temperatura

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

unde A, b sunt constante materiale. Aproximativ formula (3-16) poate fi rescrisă după cum urmează:

PaT=Pa0exp(t) (3-17)

unde PaT - pierderi la temperatura t, °C; Pa0 - pierderi la temperatura de 0°C; este constanta materială.

Tangenta de pierdere dielectrică variază în funcție de temperatură, conform aceleiași legi care este folosită pentru a aproxima dependența de temperatură a lui Pa, deoarece modificarea temperaturii în capacități poate fi neglijată.

Pierderile dielectrice prin ionizare sunt inerente dielectricilor și stare gazoasă; Pierderile de ionizare apar în câmpuri electrice neomogene la puteri ce depășesc valoarea corespunzătoare începutului ionizării unui gaz dat. Pierderile de ionizare pot fi calculate prin formula

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

unde A1 este un coeficient constant; f este frecvența câmpului; U - tensiunea aplicată; Ui - tensiunea corespunzătoare începutului ionizării.

Formula (3-18) este valabilă pentru U > Ui și o dependență liniară a tg de E. Tensiunea de ionizare Ui depinde de presiunea la care se află gazul, deoarece dezvoltarea ionizării prin impact a moleculelor este asociată cu media liberă. calea purtătorilor de sarcină.

Pierderile dielectrice datorate neomogenității structurale se observă în dielectricii stratificati, din hârtie și țesătură impregnate, în materiale plastice umplute, în ceramica poroasă din micaniți, mycalex etc.

Datorită diversității structurii dielectricilor neomogene și a caracteristicilor componentelor conținute în acestea, nu există o formulă generală pentru calcularea pierderilor dielectrice de acest tip.

dielectrić permeabilitaté capacitate mediu - o mărime fizică care caracterizează proprietățile unui mediu izolator (dielectric) și arată dependența inducției electrice de puterea câmpului electric.

Este determinată de efectul de polarizare a dielectricilor sub acțiunea unui câmp electric (și de mărimea susceptibilității dielectrice a mediului care caracterizează acest efect).

Există permisivități relative și absolute.

Permitivitatea relativă ε este adimensională și arată de câte ori forța de interacțiune a două sarcini electrice într-un mediu este mai mică decât în ​​vid. Această valoare pentru aer și majoritatea celorlalte gaze în condiții normale este apropiată de unitate (din cauza densității lor scăzute). Pentru majoritatea dielectricilor solizi sau lichidi, permisivitatea relativă variază de la 2 la 8 (pentru un câmp static). Constanta dielectrică a apei într-un câmp static este destul de mare - aproximativ 80. Valorile sale sunt mari pentru substanțele cu molecule care au un moment dipol electric mare. Permitivitatea relativă a feroelectricilor este de zeci și sute de mii.

Permitivitatea absolută în literatura străină este notă cu litera ε, în literatura internă se folosește în principal combinația, unde este constanta electrică. Permitivitatea absolută este utilizată numai în Sistemul Internațional de Unități (SI), în care inducția și intensitatea câmpului electric sunt măsurate în unități diferite. În sistemul CGS, nu este nevoie să se introducă permisivitatea absolută. Constanta dielectrică absolută (precum și constanta electrică) are dimensiunea L −3 M −1 T 4 I². În unități ale Sistemului Internațional de Unități (SI): =F/m.

Trebuie remarcat faptul că permisivitatea depinde în mare măsură de frecvență câmp electromagnetic. Acest lucru ar trebui să fie întotdeauna luat în considerare, deoarece tabelele manuale conțin de obicei date pentru un câmp static sau frecvențe joase de până la câteva unități de kHz fără a specifica Acest lucru. În același timp, există și metode optice de obținere a permitivității relative din indicele de refracție folosind elipsometre și refractometre. Valoarea obținută prin metoda optică (frecvență 10 14 Hz) va diferi semnificativ de datele din tabele.

Luați în considerare, de exemplu, cazul apei. În cazul unui câmp static (frecvența este zero), permisivitatea relativă în condiții normale este de aproximativ 80. Este cazul până la frecvențele infraroșii. Începând de la 2 GHz ε rîncepe să cadă. În domeniul optic ε r este de aproximativ 1,8. Acest lucru este în concordanță cu faptul că în domeniul optic indicele de refracție al apei este de 1,33. Într-o gamă de frecvență îngustă, numită optică, absorbția dielectrică scade la zero, ceea ce oferă de fapt unei persoane un mecanism de viziune. sursa nespecificata 1252 zile] în atmosfera terestră saturată cu vapori de apă. DIN creștere în continuare frecvența, proprietățile mediului se schimbă din nou. Comportamentul permitivității relative a apei în intervalul de frecvență de la 0 la 10 12 (infraroșu) poate fi citit la (ing.)

Permitivitatea dielectricilor este unul dintre principalii parametri în dezvoltarea condensatoarelor electrice. Utilizarea materialelor cu o constantă dielectrică ridicată poate reduce semnificativ dimensiunile fizice ale condensatoarelor.

Capacitatea condensatoarelor este determinată:

Unde ε r este permisivitatea substanței dintre plăci, ε despre- constanta electrica, S- aria plăcilor condensatorului, d- distanta dintre placi.

Parametrul constantă dielectrică este luat în considerare la proiectarea plăcilor de circuite imprimate. Valoarea constantei dielectrice a substanței dintre straturi în combinație cu grosimea acesteia afectează valoarea capacității statice naturale a straturilor de putere și, de asemenea, afectează în mod semnificativ impedanța de undă a conductorilor de pe placă.

REZISTENTA SPECIFICA este o marime electrica, fizica egala cu rezistenta electrica ( cm. REZISTENȚĂ ELECTRICĂ) R conductor cilindric cu lungimea unității (l \u003d 1m) și secțiunea transversală a unității (S \u003d 1 m 2 ).. r \u003d R S / l. În C, unitatea de rezistivitate este ohmul. m. Rezistivitatea poate fi exprimată și în ohmi. vezi Rezistivitatea este o caracteristică a materialului prin care curge curentul și depinde de materialul din care este realizat. Rezistivitate egală cu r = 1 ohm. m înseamnă că un conductor cilindric format din acest material, lungimea l \u003d 1m și cu o arie a secțiunii transversale S \u003d 1 m 2 are o rezistență R \u003d 1 Ohm. m. Valoarea rezistivității metalelor ( cm. METALELE), care sunt buni conductori (cm. DIRECTORII), poate avea valori de ordinul 10 - 8 - 10 - 6 ohmi. m (de exemplu, cupru, argint, fier etc.). Rezistivitatea unor dielectrici solizi ( cm. DIELECTRIC) poate atinge o valoare de 10 16 -10 18 Ohm.m (de exemplu, sticlă de cuarț, polietilenă, electroporțelan etc.). Valoarea rezistivității multor materiale (în special materiale semiconductoare ( cm. MATERIALE SEMICONDUCTORE)) depinde esential de gradul de purificare a acestora, de prezenta aditivilor de aliere, de tratamente termice si mecanice etc. Valoarea s, reciproca rezistivitatii, se numeste conductivitate specifica: s = 1/r Conductivitatea specifica se masoara. în Siemens ( cm. SIEMENS (unitate de conductivitate)) pe metru S/m. Rezistivitatea electrică (conductibilitatea) este o mărime scalară pentru o substanță izotropă; și tensor - pentru o substanță anizotropă. În monocristalele anizotrope, anizotropia conductivității electrice este o consecință a anizotropiei masei efective reciproce ( cm. GREUTATE EFECTIVĂ) electroni și găuri.

1-6. CONDUCTIVITATEA IZOLĂRII

Când izolația unui cablu sau a unui fir este pornită pentru o tensiune constantă U, trece un curent i, care se modifică în timp (Fig. 1-3). Acest curent are componente constante - curent de conducție (i ∞) și curent de absorbție, unde γ - conductivitate corespunzătoare curentului de absorbție; T este timpul în care curentul i abs scade la 1/e din valoarea sa inițială. Pentru o perioadă infinit de lungă i abs →0 și i = i ∞ . Conductivitatea electrică a dielectricilor se explică prin prezența în ele a unei anumite cantități de particule libere încărcate: ioni și electroni.

Cea mai caracteristică a majorității materialelor electroizolante este conductivitatea electrică ionică, care este posibilă datorită contaminanților prezenți inevitabil în izolație (impurități de umiditate, săruri, alcalii etc.). Pentru un dielectric cu caracter ionic de conductivitate electrică, se respectă cu strictețe legea lui Faraday - proporționalitatea dintre cantitatea de electricitate trecută prin izolație și cantitatea de substanță eliberată în timpul electrolizei.

Odată cu creșterea temperaturii, rezistivitatea materialelor electroizolante scade și se caracterizează prin formulă

unde_ρ o, A și B sunt constante pentru un material dat; T - temperatura, °K.

O mare dependență a rezistenței de izolație de umiditate are loc în materialele izolante higroscopice, în principal fibroase (hârtie, fire de bumbac etc.). Prin urmare, materialele fibroase sunt uscate și impregnate, precum și protejate de învelișuri rezistente la umiditate.

Rezistența de izolație poate scădea odată cu creșterea tensiunii din cauza formării de sarcini spațiale în materialele izolatoare. Conductivitatea electronică suplimentară creată în acest caz duce la o creștere a conductibilității electrice. Există o dependență a conductivității de tensiune în câmpuri foarte puternice (legea lui Ya. I. Frenkel):

unde γ o - conductivitate în câmpuri slabe; a este constantă. Toate materialele electroizolante sunt caracterizate de anumite valori ale conductivității izolației G. În mod ideal, conductivitatea materialelor izolatoare este zero. Pentru materialele izolatoare reale, conductivitatea pe unitatea de lungime a cablului este determinată de formulă

În cablurile cu o rezistență de izolație mai mare de 3-10 11 ohm-m și cablurile de comunicație, unde pierderile datorate polarizării dielectrice sunt mult mai mari decât pierderile termice, conductivitatea este determinată de formula

Conductivitatea izolației în tehnologia comunicațiilor este un parametru de linie electrică care caracterizează pierderile de energie în izolarea miezurilor cablurilor. Dependenţa conductivităţii de frecvenţă este prezentată în Fig. 1-1. Reciproca conductivitate - rezistență de izolație, este raportul dintre tensiunea continuă aplicată izolației (în volți) și scurgerea (în amperi), adică.

unde R V este rezistența de volum a izolației, care determină numeric obstacolul creat de trecerea curentului în grosimea izolației; R S - rezistența de suprafață, care determină obstacol în calea trecerii curentului de-a lungul suprafeței izolației.

O evaluare practică a calității materialelor izolante utilizate este rezistența specifică de volum ρ V exprimată în omo-centimetri (ohm*cm). Numeric, ρ V este egal cu rezistența (în ohmi) a unui cub cu marginea de 1 cm a acestui material, dacă curentul trece prin două fețe opuse ale cubului. Rezistența de suprafață specifică ρ S este numeric egală cu rezistența de suprafață a unui pătrat (în ohmi) dacă este furnizat curent electrozilor care limitează cele două laturi opuse ale acestui pătrat.

Rezistența de izolație a unui cablu sau a unui fir cu un singur conductor este determinată de formulă

Proprietățile de umiditate ale dielectricilor

Rezistenta la umiditate - aceasta este fiabilitatea funcționării izolației atunci când este într-o atmosferă de vapori de apă aproape de saturație. Rezistența la umiditate este evaluată prin modificarea proprietăților electrice, mecanice și alte proprietăți fizice după ce materialul se află într-o atmosferă cu umiditate ridicată și ridicată; privind umiditatea și permeabilitatea apei; în ceea ce privește umiditatea și absorbția apei.

Permeabilitatea la umiditate - capacitatea unui material de a trece vaporii de umiditate în prezența unei diferențe de umiditate relativă a aerului pe ambele părți ale materialului.

Absorbția umidității - capacitatea unui material de a absorbi apă în timpul expunerii prelungite la o atmosferă umedă aproape de saturație.

Absorbtia apei - capacitatea unui material de a absorbi apă atunci când este scufundat în apă pentru o perioadă lungă de timp.

Rezistență tropicală și tropicalizare echipamente – protecția echipamentelor electrice de umezeală, mucegai, rozătoare.

Proprietățile termice ale dielectricilor

Următoarele mărimi sunt utilizate pentru a caracteriza proprietățile termice ale dielectricilor.

Rezistență la căldură- capacitatea materialelor și produselor izolatoare electrice, fără a le dăuna, de a rezista la expunerea la temperaturi ridicate și schimbări bruște de temperatură. Determinată de temperatura la care se observă o modificare semnificativă a proprietăților mecanice și electrice, de exemplu, în dielectricii organici, deformarea la tracțiune sau încovoiere începe sub sarcină.

Conductivitate termică este procesul de transfer de căldură în material. Se caracterizează printr-un coeficient de conductivitate termică determinat experimental λ t. λ t este cantitatea de căldură transferată într-o secundă printr-un strat de material de 1 m grosime și cu o suprafață de 1 m 2 cu o diferență de temperatură a stratului suprafete de 1 °K. Coeficientul de conductivitate termică al dielectricilor variază într-o gamă largă. Cel mai valori scăzuteλ t au gaze, dielectrici poroși și lichide (pentru aer λ t = 0,025 W / (m K), pentru apă λ t = 0,58 W / (m K)), dielectricii cristalini au valori ridicate (pentru cuarțul cristalin λ t = 12,5 W/(m K)). Coeficientul de conductivitate termică al dielectricilor depinde de structura lor (pentru cuarțul topit λ t = 1,25 W / (m K)) și de temperatură.

dilatare termică dielectricii sunt evaluați prin coeficientul de temperatură al expansiunii liniare: . Materialele cu dilatare termică scăzută tind să aibă rezistență la căldură mai mare și invers. dilatare termică dielectricii organici depășește semnificativ (de zeci și sute de ori) expansiunea dielectricilor anorganici. Prin urmare, stabilitatea dimensională a pieselor din dielectrici anorganici cu fluctuații de temperatură este mult mai mare în comparație cu cele organice.

1. Curenți de absorbție

Curenții de absorbție sunt numiți curenți de deplasare ai diferitelor tipuri de polarizare lentă. Curenții de absorbție la o tensiune constantă curg în dielectric până la stabilirea stării de echilibru, schimbându-și direcția atunci când tensiunea este pornită și oprită. La o tensiune alternativă, curenții de absorbție circulă pe toată perioada în care dielectricul se află în câmpul electric.

În general electricitate j într-un dielectric este suma curentului de trecere j sc și curentul de absorbție j ab

j = j sc + j ab.

Curentul de absorbție poate fi determinat din curentul de polarizare j cm este viteza de schimbare a vectorului de inducție electrică D

Curentul de trecere este determinat de transferul (mișcarea) în câmpul electric al diferiților purtători de sarcină.

2. Electronic conductivitatea electrică se caracterizează prin mișcarea electronilor sub influența unui câmp. În plus față de metale, este prezent în carbon, oxizi de metal, sulfuri și alte substanțe, precum și în mulți semiconductori.

3. ionic - datorită mișcării ionilor. Se observă în soluții și topituri de electroliți - săruri, acizi, alcalii, precum și în mulți dielectrici. Este subdivizată în conductivitatea intrinsecă și a impurităților. Conductivitatea intrinsecă se datorează mișcării ionilor obținuți în timpul disocierii molecule. Mișcarea ionilor într-un câmp electric este însoțită de electroliză - transferul unei substante intre electrozi si eliberarea acesteia pe electrozi. Lichidele polare sunt disociate într-o măsură mai mare și au o conductivitate electrică mai mare decât cele nepolare.

În dielectricii lichidi nepolari și slab polari (uleiuri minerale, lichide organosilicioase), conductivitatea electrică este determinată de impurități.

4. Conductivitate electrica molionica - cauzate de mișcarea particulelor încărcate numite moloane. Observați-l în sisteme coloidale, emulsii , suspensii . Mișcarea molionilor sub acțiunea unui câmp electric se numește electroforeză. În timpul electroforezei, spre deosebire de electroliză, nu se formează substanțe noi, concentrația relativă a fazei dispersate în diferite straturi ale lichidului se modifică. Conductivitatea electrică electroforetică se observă, de exemplu, în uleiurile care conțin apă emulsionată.