Как найти диэлектрик формула

При определённых условиях в них все же может возникнуть проводимость. Эти условия являются механическими, тепловыми, или энергетическими. Кроме диэлектриков, вещества также классифицируются на проводники и полупроводники. Чем отличается диэлектрик от полупроводника? Теоретическая разница между этими тремя видами материала следующая, смотрите рисунок ниже:

Формула диэлектрической проницаемости:

В большинстве диодов при очень слабых полях проницаемость диэлектрической проницаемости не зависит ни от поля Е, ни от сильных электрополей, ни от внутриатомных полей, а в некоторых диодах в обычном поле зависимость Д от Е нелинейна.

Также проницаемость диэлектрических зарядов показывает, в какой раз сила F между зарядами электрических зарядов в этой среде ниже их мощности Fo вакуума:

Изолятором диэлектрика является вещество, которое почти не дает электрического тока. В диэлектрике плотность свободного носителя не превышает 108 пк/см3. Основное свойство диэлектриков — его возможность поляризоваться во внешнем электрическом поле. Физический параметр, характеризующий диэлектрическую проницаемость, — диэлектрическая стойкость. Диэлектрические проницаемости могут быть рассеяны. В диэлектрики входят воздух и иные газы, стекла, различных смолов и пластиков. Химическая чистая вода является также диэлектриком.

Для количественной характеристики поляризации диэлектрика служит величина, получившая название вектора поляризации или поляризованности. Вектором поляризации называется дипольный момент единицы объема диэлектрика. Он равен векторной сумме дипольных моментов всех молекул, заключенных в единице объема

Зная вектор поляризации, можно определить плотность поляризационных зарядов и наоборот. Рассмотрим диэлектрик в виде призмы с площадью основания S и длиной l вдоль вектора P.

Свойства изолирующих веществ: физические свойства

К ним относят электроны, плазменные, пироэлектрические, сегментные электролиты, сегментированные электролиты, сегментированные изоляции, релаксаторы и магниты сегментированные. Диэлектрические материалы, одни из самых широко распространенных классов электротехнического оборудования. Необходимость применения свойств данных материалов стало абсолютно необходимым.

Пассивные свойства диэлектриков используют как электроизоляционные материалы для обычного конденсатора. Материалы электроизоляции являются диэлектрическими, не позволяющими выводить из строя электрические цепи или проводящие части устройства, аппараты и приборы от проводящих и непроводящих части от корпуса и земли.

В таких случаях проницаемость диэлектрического материала играет особую роль, или должно быть максимально меньше для того, чтобы в цепи не было паразитных емкостей. Если материал применяется в качестве диэлектрического носителя для конденсаторов с определенным объемом и меньшим размером, то материал должен обладать более высокой диэлектрической постоянной при других равных условиях. Активные управляемые диэлектрики — сегнетоэлектрики, плазмоэлектрики, пироэлектрики, электрические материалы для лазерного излучения и затвора. Материалы, имеющие удельное электрическое сопротивление 10-5 Ом, условно называются проводниками, а диэлектрические материалы — это материалы 108 Ом.

При этом следует учитывать, что постоянное сопротивление лучшего проводника может быть только 10-8 Ом, а лучшие диоды имеют постоянное сопротивление более 1016 Ом. Удельное сжатие полупроводника может быть колебаться в колебаниях от 10 до 108 Ом в соответствии со структурой и составом материала и условиями эксплуатации, а также с точки зрения конструкции и структуры материалов.

Кроме электротехнического материала спрос на диодные материалы растет ежедневно. В связи с этим увеличивается потенциал государственных предприятий промышленности, частных компаний, развивается государственная и негосударственная организация и учреждения. Высокая потребность в диэлектрических материалах также связана с ростом разнообразия электросвязных устройств 1-3.

Технологии используют различные виды диэлектриков, полученные при переработке природных материалов и химикатов. Материалы для электроэнергетики, применяемые в промышленности, могут быть условно классифицированы на:

Оказывается, диэлектрическое действие материалов зависит от расположения атома и молекулы кристаллической решетки. Химические компоненты материала, структура, симметрия и упорядоченность кристаллических решеток определяют и диэлектрическое свойство материала, и зависимость его от внешнего воздействия, в том числе температуры.

Классификация материалов для диэлектрического питания

В соответствии с этими факторами любая отдельная диэлектрическая жидкость может обладать различными изоляционными свойствами, которые определяют область применения ее. Отметим, что на сегодняшний день не существует одного подхода по оценке материалов с диэлектрическими материалами. В этой статье собрана информация о действующем диэлектрическом материале, проанализированы его плюсы и минусы.

Разработаны структурные схемы для того, чтобы представить классификацию диэлектрического материала. На основе схемы было построено разделение всех видов диэлектрического материала в зависимости от особенностей их изготовления и методов производства.

Если остановиться на наборе материалов для диодов, которые следуют из рисунков, то мы увидим следующее. В промышленности широко используются диэлектрические материалы с органическими или неорганическими элементами. Неорганический химический материал известен как соединение углерода и других элементов. В связи с тем, что углерод имеет повышенную способность образовать химические соединения, его задача состоит в образовании соединений цепных или разветвленных молекул, которые можно образовать только из углеродных атомов или из углеродных атомов с углеродными атомами между ними, а также из углеродных атомов с углеродными атомами.

При развитии электротехнической отрасли параллельно развивалось производство минерального диэлектрического материала. Технология производства минеральных диодов и различных их видов улучшилось так, что эти диоды, благодаря дешевизне и высоким диэлектрическим параметрам, стали превращаться в природные, химические диоды.

В состав минеральных диэлектрических материалов входят:

• Стекло конденсационного стекла, санитарного стекла, лампового стекла, щелочного стекла, не щелочного стекла и других является аморфным веществом, являясь сложной комбинацией различных окислов. Благодаря содержанию в стекле оксидов, таких как SiO2-, CaO-, Al2-O3- и др. диэлектрические качества стекла существенно улучшаются.
• Стекло эмалевое – это материал тонкого слоя, который наносят на металлическую поверхность и другие предметы, чтобы защитить их от ржавчины.
• Материалы для уплотнения – кристаллы с силикатами; — Материалы для уплотнения фарфора, мыльного камня.
• Миканиты.
• Асбестоцементный асбест — название этой группы минералов волокнистого происхождения, являющихся волокнистыми разновидностями минерального хризолита, 3МгО 2СИО2 2Х2О.

Из вышеприведенного краткого обзора диэлектрических изделий становится понятно разнообразие материалов для диэлектрических изделий. Несмотря на такой большой ассортимент доступных материалов, не всегда они могут замениться друг с другом. В большинстве случаев область применения диодов зависит в основном от их невысокой стоимости, простоты применения, физических и иных вторичных свойства.

Кроме электроизоляционных свойств, важную роль играют и механические, и тепловые, и прочие физиологические свойства, в том числе способность материала подвергаться определённой обработке, чтобы получить необходимые продукты, а еще цена, и недостаток материала. Поэтому выбирают различные материалы для различных применений.

Диэлектрические масла на нефтяной основе

В электротехнике наиболее широко применяется жидкое изоляционное масло для трансформаторов силового тока. Оно выполняет две функции: в первую очередь, заполняя поры в волоконно-изоляционных волокнах и замыкания между проводами изоляции, а также между проводами и трансформаторным баком, он существенно повышает электропроводность изоляции, во вторую очередь, повышает рассеяние тепла, которое генерируется потерями обмоток и трансформаторного сердечника.

Только часть силовых и приборных трансформаторов изготавливается без масляного залива и называется «трансформатор сухого типа». Еще одним важным применением трансформатора является масляный выключатель высокой мощности. Эти устройства прерывают электрическую дугу между расходящимся контактом выключателя между расходящимся контактом выключателя на масле или газе под давлением из-за высокого давления дуги, что позволяет канал дуги быстро охлаждаться и гасить дугу, что позволяет канал дуги быстро охлаждаться.

Также трансформаторное масло используют для заполнения масляных шлангов, некоторых типов насосов, реле и других электроинструментов. Трансформаторное и другое нефтяное «минеральное» изоляционное масло получают из сырого нефтяного сырья поэтапно, отделяя определенную фракцию по температуре кипения на каждом этапе, а потом тщательно очищая ее от нестабильных химических примесей с помощью серной кислоты, а потом щелочи, промывая воду и сушку.

Масло трансформатора — это почти бесцветное или темно-желтое жидкое вещество, химическое строение которого состоит из смеси различных углеводов. Масло трансформатора является легкой жидкостью. Электрическая мощность масла является величиной, очень чувствительной к смачиваемости масла. Небольшие количества воды в маслах резко уменьшают его электропроводимость. Это объясняется тем, что около 80 градусов вода гораздо выше чистого масла — около 2 градусов.

В процессе воздействия электрополя и капли жидкости эмульгированной в масле, имеют свойство подтягиваться к местам, где особо высока напряженность электрополя и начинается разложение. Диэлектрическая мощность масла еще сильнее снижается, если кроме воды присутствуют примеси волокна. Волокна из бумаги и хлопка легко проникают влагу масла, а их р значительно возрастает.

Волокна из бумаги и хлопка легко проникают в влагу масла, а их р значительно возрастает. Под воздействием силы поля, смоченные волокон, не только тянутся в область, где сильнее поле, но выравниваются в направлении линии поля, что существенно облегчает прохождение масла.

Кабельные масла используются для производства электрокабельных кабелей, пропитывая изоляцию бумажных кабелей, эти кабели увеличивают их электрический сопротивление и помогают рассеять потери теплой энергии. Кабельные масла бывают различных видов.

 Для пропитывания изоляции кабелей на рабочем напряжении до 35кВ в свинцово-алюминиевых кабелях с пропиткой можно использовать масло KM-25 кинематическую вязкость не более 23 мм2 при 1000 С, температуру затвердения не более минус 100 С и температуру охлаждения не более 2200 С. Для увеличения вязкости масла добавляют канифоль и синтетический загуститель.

Синтетические жидкие диэлектрики

Нефть склонна к электрическому старению, то есть может ухудшать свойства под воздействием высоковольтного электрического поля. Для пропитывания конденсаторов, чтобы получить повышенную ёмкость в этих габаритах конденсатора, желательно обладать полярным жидким диэлектриком с более высокой, чем неполярным нефтяным маслом, значением r, синтетическим жидким диэлектриком, по каким-либо свойствам, превосходящим нефтяное электроизоляционное масло. Рассмотрим важнейшие из них.

Хлорированный углеводород получается из различных атомов путем замены в молекуле некоторых и даже всего атома водорода хлорированными атомами. Наиболее распространенным применением являются полярные дифениловые продукты с общим составом S12N10-ncln n, степень их хлорирования — 3-6.

Хлорированный дифенил имеет повышенную степень повышенности в сравнении с неполярным нефтяным маслом. Таким образом, замена масла на хлорированные дифенолы при пропитке конденсатора уменьшает объем конденсатора при той же электроёмкости практически в два раза. Преимущество хлорированного дифенила — его мягкость. Впрочем, у хлорированных дифенилов есть и недостаток. Они очень токсичны и поэтому применение ими для пропитывания конденсаторов в ряде стран запрещено законодательством.

На их электрические свойства очень сильно влияют примеси, их присутствие сказывается на утрате сквозной электрической проводимости при повышенных температурах. Недостаток также заметно снижает их р, следовательно, их емкость, пропитанная хлорированными дифенилами конденсаторами при пониженной температуре.

Хлорсодержащие дифенилы имеют сравнительно высокую вязкость, что в ряде случаев вызывает потребность в разбавлении их более вязким хлорсодержащим углеводородом. Органическая жидкость кремния имеет малую ТГ, низкую гигроскопическую способность и высокую нагревостойкость. Они имеют слабовыраженную зависимость от температуры вязкости. Это жидкость очень дорогая. У фторорганических жидкостей малый тг, незначительно малая гигроскопическая способность и высокий нагревостойкий уровень. Некоторые из фторорганических жидкостей могут длительное время работать в условиях температуры 2000С. Пары каких-то фторорганических веществ обладают высокой электрической прочностью для газовых диэлектриков.

Сравнительно дорогой отечественный полимер октол — смесь изобутильных полимеров и их изомеров с общим составом S4N8 и полученных из газовых нефтепродуктов.

Природные смолы

Канифоль представляет собой хрупкую смолу, полученную из живой природной сосны смолы после того, как ее жидкие составные части отгоняют скипидар. Канифоль — это в основном органические кислоты. Канифоль хорошо растворяется в нефтяном масле, особенно при нагревании и иных углеводородах, растительном масле, спирте, скипидаре и т.д. Температура охлаждения канифоли — 50-700С. На воздухе окисляется канифоль, при этом температура его размягчения уменьшается, растворимость уменьшается.

Растительные масла

Масла растительного происхождения являются вязкими жидкостями, полученными из семян разного растения. Из таких масел особо важны высушенные масла, которые способны под действием температуры, света, контакта с воздухом и прочих факторов перейти в твердое состояние. Тонкий масляный слой, наложенный на поверхность любого материала, высушивается и создает твёрдый, блестящий, прочный к поверхности электроизоляционный слой.

Высыхание масел — это сложный химический процесс, связанный с поглощением маслом какого-то кислорода в воздухе. Скорость высушивания масел возрастает при повышении температуры, освещения и при наличии катализатора химической реакции высушивания – сиккатива. В качестве сополимеров используются свинцовые, кальциевые, кобальтовые и другие соединения.

Отвержденные пленки высыхающего масла в тяжелом углеводороде, таком как трансформаторное масло, даже при нагревании не растворяются, поэтому практически стойки к маслам, а для ароматических углеводородов, таких как бензол, менее устойчивы. При нагревании отверженная пленка не смягчает. Наиболее часто высыхают льняные и тунговые масла.

Масло льна получается золотисто-желтое из семян. Ее плотность 0.9-0.94 Мг/м3, температура застывания примерно 200С. Тунговое деревянное масло получается из семян дерева Тунг, которые разводятся на востоке и на Кавказе, а также из семян дерева Тунг. Тунговые масла не являются пищевыми, даже не являются токсичными. Плотность масла тунги 94 мг/м3, температуры застывания от 0 до +50С.

В отличие от льняного масла, тунга быстрее высыхает. Она даже толстым слоем высыхает равномерно, дает водоотталкивающую пленку, нежели льняной. Масло, высыхая, применяется в электротехнической промышленности для производства электроизоляционных масел, лаков, пропиток дерева, а также для проведения других работ. В последние годы идет тенденция заменить высыхающие масла — синтетическим материалом. Невысокие масла могут быть использованы как жидкие пропитки.

Масло касторовое получают из семян клеща; иногда его используют для пропитывания бумажного конденсатора. Плотность Касторового масла 0.95-0.97 МГм3, застывание от 0.10 до 180С, r равна 4, 0.4.5 при 200С, tg 0.01-0.03, ЕПР 10-15 МВм. Касторовое масло не растворяет бензин, а растворяет этиловый спирт.

Диэлектрики

Этот класс веществ настолько разнообразен,
что его трудно классифицировать. Если
проводники и полупроводники в большинстве
своём являются кристаллическими
материалами, что определяет однородность
физических процессов в них, то диэлектрики
находят применение самых различных
видов: кристаллические вещества,
аморфные, органические, неорганические,
твёрдые, жидкие, газообразные.

Электропроводность диэлектриков

При подаче постоянного напряжения
электропроводность диэлектриков можно
представить графиком:

Рисунок 34

1 – 2 остаточный ток, имеет малое, но
конечное значение;

2 – 3 ток, обуславливаемый процессом
заряда ёмкости и поляризацией диэлектрика.

Для остаточного тока можно определить
остаточную электропроводность по
формуле:

,

где L– длина диэлектрика,

S– площадь поперечного
сечения диэлектрика,

U₀– напряжение на
диэлектрике.

Эта формула не точно описывает величину
проводимости диэлектрика, так как не
учитывает напряжение поляризации, а
для многих диэлектриков (например,
парафин, слюда) напряжение поляризации
≈ 0,99.
С учётом этого выражение для истинной
проводимости примет вид:

.

Из зонной теории известно, что ширина
запрещённой зоны диэлектриков достигает
10эВ, следовательно, ионизация (отрыв
электрона от атома) возможна только
при очень больших энергиях (температура
должна быть сравнима с температурой
на поверхности Солнца), что на практике
не возможно. Но, при температуре выше
абсолютного нуля есть статистическая
вероятностьтого, что электрон
всё-таки приобретёт необходимую для
отрыва энергию. Статистическое
распределение носителей заряда
описывается формулой:

.

При любой температуре мы получим
некоторое число электронов, способных
перемещаться по объёму вещества.
Выражение для электропроводности
примет вид:

.

Этой же формулой определяется
температурная зависимость электропроводности
диэлектриков. График этой зависимости
представлен на рисунке 35

Однако на практике собственная
электропроводность диэлектриков крайне
незначительна (в частности при комнатной
температуре). Чаще имеет место примесная
электропроводность.

Рисунок 35

а – идеальная характеристика;

б – реальная характеристика.

Кривая 1 иллюстрирует случай
молекулярно-структурных изменений в
диэлектрике при нагреве;

Кривая 2 отражает наличие различных
видов носителей зарядов с различными
энергиями ионизации.

Для электропроводности на переменном
напряжении большое значение приобретает
явление поляризации.

Поляризация– состояние диэлектрика,
характеризующееся наличием электрического
момента у любого элемента объёма этого
диэлектрика.

Способность различных материалов
поляризоваться характеризуется
относительной диэлектрической
проницаемостью:

,

где С– ёмкость конденсатора с
диэлектриком,

— ёмкость того же конденсатора в вакууме
(без диэлектрика).

Существует множество разновидностей
поляризации. Различают:

• Электронную.

• Ионную

• Дипольно-релаксационную

• Ионно-релаксационную

• Электронно- релаксационную

• Миграционную

• Резонансную

• Спонтанную

Рассмотрим некоторые виды поляризации
подробнее.

Электронная поляризация

Характерна для атомов, у которых
отсутствует какой-либо природный
электрический момент.

Рисунок 36

Данная поляризация присуща всем
веществам независимо от их природы,
однако часто маскируется другими
видами поляризации.

Ионная поляризация

Характерна для веществ, имеющих структуру
ионного кристалла, при этом электроны
одного компонента присваиваются другим.

При подаче электрического поля, ионы
кристаллической решётки смещаются,
происходит упругое искажение решётки.
До тех пор, пока оно упругое, поляризация
– чисто ионная.

Рисунок 37

Дипольно-релаксационная поляризация

Характерна для веществ, молекулы которых
уже имеют природный дипольный момент.
Например, молекула воды

Рисунок 38

По механизмам поляризацииразличают
полярные и неполярные диэлектрики.

Для неполярных характерна электронная
поляризация. Примерами служат: водород
Н₂, бензол, парафин, полиэтилен.

Полярные (дипольные) диэлектрики имеют
одновременно электронную и
дипольно-релаксационную виды поляризации.

Примеры: эпоксидные компаунды и смолы,
капрон, хлорированные углеводороды.

Ионные соединения

Их разделяют на соединения

с ионной и электронной поляризацией
(корунд, слюда, кварц);

с ионной и электронно-релаксационной
(неорганические стёкла, многие виды
керамики).

По признаку наличия потерьвыделяют:

1. линейные диэлектрики с малыми потерями
   (рисунок 39а);

2. диэлектрики с большими потерями
   (рисунок 39б).

Рисунок 39

Зависимость диэлектрической
проницаемости от частоты

Для различных типов поляризации она
будет иметь разные формы. Однако, в
общем виде можно сказать примерно
следующее.

На низких частотах диэлектрическая
проницаемость практически не зависит
от частоты входного сигнала, или от
величины напряжения.

Затем наблюдается рост диэлектрической
проницаемости, обусловленный явлением
резонанса. В наиболее явном виде это
характерно для полярных диэлектриков.

После прохождения максимума наблюдается
резкое падение диэлектрической
проницаемости практически до нуля.

Рисунок 40

f_рез–
частота, с которой переориентация ещё
возможна (или, как говорят, — это
собственная частота молекул диэлектрика).

К конкретному диэлектрику данная
зависимость не применима. Это своего
рода обобщённая форма, на которую
накладываются резонансы различных
типов поляризации.

При приложении переменного напряжения
диэлектрики проводят переменную
составляющую, так как переполяризация
молекул, представляющая собой направленное
движение связанных носителей заряда,
по сути, элементарный акт электропроводности.

Диэлектрик, находясь в сильных
электрических полях, может потерять
свои свойства изоляционного материала,
если напряжённость поля превысит
некоторое критическое значение. Явление
образования проводящего канала в
диэлектрике под действием электрического
поля называется пробоем. Минимальное
напряжение, приложенное к диэлектрику,
приводящее к пробою называетсянапряжением пробоя
.

Рисунок 41

Пробой может возникнуть в результате
чисто электрических, тепловых, а в
некоторых случаях и электрохимических
процессов.

Классификация диэлектриков основана
на признаке применения в аппаратуре.

Все диэлектрики делятся на две большие
группы:

• конденсаторные;

• изоляционные.

Изоляционные диэлектрики используются
для создания электрической изоляции.

Конденсаторные – для создания требуемых
значений ёмкости. В некоторых случаях
– для обеспечения определённого
характера зависимости ёмкости от
внешних факторов.

Отнесение диэлектрика к той или иной
группе не может быть абсолютно
однозначным, так как в различных условиях
один и тот же диэлектрик может выполнять
разные функции. Например, оксид кремния
SiO₂используется и
в качестве изоляционного, и в качестве
конденсаторного материала, а также в
качестве маскирующего материала и
активного диэлектрика (кварц).

Следовательно, для отнесения диэлектрика
к той или иной подгруппе необходимо
оценить комплекс параметров, присущих
диэлектрику и сопоставить с теми
условиями, в которых ему предстоит
работать. Однако в общем виде можно
утверждать: важнейшие параметры:

для конденсаторных диэлектриков:

для изоляционных диэлектриков

Очень редко диэлектрики применяются
только как изоляционные или конденсаторные.
Например, ПВХ – материал только
изоляционный, титанат стронция – только
конденсаторный.

Подавляющее большинство диэлектриков
применяются и как изоляционные, и как
конденсаторные: слюда, керамика, стекло,
полимерные плёнки.

Конденсаторныедиэлектрики делятся
на:

Пассивныедиэлектрики: выполняют
накопительную функцию, классифицируются
исходя из особенностей строения,
структуры.

Активныедиэлектрики: предназначены
для создания устройств, выполняющих в
аппаратуре функции генерации,
преобразования, накопления, хранения
информации. Применяются в функциональной
электронике. Их, в свою очередь, делят
по признаку управляющих воздействий.

Полимеры (пластмассы)

Полимерами называют высокомолекулярные
соединения, молекулы которых состоят
из большого числа структурно повторяющихся
звеньев мономеров.

Реакцию образования полимера называют
полимеризациейв том случае, если
она протекает без выделения побочных
продуктов, илиполиконденсациейв
том случае, если реакция протекает с
выделением побочных продуктов.

Для начала и завершения реакции
формирования молекулы полимера
необходимы радикалы – части молекул,
образующиеся при разрыве электронной
пары и содержащие неспаренный электрон
(оборванную связь).

Полиэтилен:

R─CH₂─CH₂─…─CH₂─R₁;

H H

─ C ─ C
─

H H n

где n– степень полимеризации.

Свойства полимеров очень сильно зависят
от того, с помощью какого типа реакции
они образуются. Различают два типа
полимеров: линейные и пространственные.

Линейные полимеры — те, у которых
соотношение длины и диаметра несоизмеримы
L>>d. Они
формируются по реакции полимеризации.
Гибкие, пластичные, легкоплавкие,
термопластичные, хорошо обрабатываемые,
обладают отличными электроизоляционными
свойствами.

Пространственные полимеры – те, которые
образуются из молекул, разрастающихся
во всех трёх координатах. При создании
определённых условий мы можем добиться
того, что всё изделие будет состоять
из одной пространственной молекулы.
Отсюда и набор свойств, характерных
для них: большая жёсткость, механическая
прочность, температура плавления
значительно выше, чем у линейных, причём
некоторые пространственные полимеры
вообще не плавятся, а только обугливаются,
разрушаются, что обуславливает их
термореактивное свойство.

Линейные полимеры растворимы в различных
растворителях, пространственные –
практически не растворимы.

Типичные линейные полимеры:

полиэтилен,

полиэтилентерефталат (лавсан),

полиметилкрилат (оргстекло),

поливинилхлорид,

политетрафторэтилен (фторопласт),

капрон,

полистирол.

Типичные пространственные полимеры:

эпоксидные смолы,

эбонит,

эскапон.

Электрические свойства

Строение макромолекул различных типов
полимеров определяет их электрические
свойства. Все химические связи углерода
в той или иной степени полярны, однако,
если молекула имеет симметричное
строение, суммарный дипольный момент
может быть равен нулю. Вещества с
несимметрично построенными звеньями
имеют дипольный момент, отличный от
нуля, что, соответственно, ухудшает их
электроизоляционные свойства.

Важным фактором является также то, по
какой реакции образуется тот или иной
полимер, так как при поликонденсации
выделяются какие-либо побочные продукты,
то часть этих продуктов оказывается
замурованной в объёме полимера, что
приводит к ухудшению электроизоляционных
свойств.

Нагревостойкость. Большинство
органических полимеров могут длительно
работать при температуре до 100°С. При
более высоких температурах они просто
очень быстро стареют.

Среди линейных полимеров наиболее
интересными свойствами обладают
фторсодержащие полимеры (фторопласты)
или кремнийорганические полимеры
(полиимиды).

Фторопласт

Это уникальный материал, обладающий
огромной электрической прочностью (до
250 МВ/м), отличной нагревостойкостью
(выдерживают до 400°С). Особенно высока
химическая стойкость: кислоты и щёлочи
не оказывают на него влияния, фторопласт
незначительно реагирует лишь с
расплавленными щелочными металлами.
При превышении определённой температуры
он не плавится, а разлагается с выделением
атомарного фтора.

Структура аналогична полиэтилену

F F

─ C ─ C
─

F F
n

Поскольку атомы фтора крупнее и связь
с атомами углерода сильнее, то эта
молекула гораздо более устойчива,
нежели молекула полиэтилена.

Так как фторопласт не плавится и не
переходит в вязко-текущее состояние,
то и обычные методы формовки пластмасс
неприменимы. Он перерабатывается в
изделие методом спекания и порошка.
Превосходно обрабатывается механическим
путём, обладает замечательно большой
диэлектрической проницательностью и
малым тангенсом угла потерь.

Применяется как конденсаторный (для
ВЧ устройств, устройств, требующих
большое значения напряжения пробоя) и
как изоляционный (благодаря электрической
прочности и термостойкости) диэлектрик.

Диэлектрическая проницаемость неполярных
полимеров в основном определяется
электронной поляризацией, следовательно,
не зависит от частоты и слабо зависит
от температуры. Потери в линейных
полимерах главным образом обусловлены
релаксационными явлениями
(дипольно-групповые).

В общем же, потери очень малы, следовательно,
их нередко используют как изоляторные
диэлектрики, для ВЧ и СВЧ устройств.

Полярные полимеры – материалы с
повышенными потерями дипольно-релаксационного
типа. К ним относят ПВХ и полиметилкрилат,
которые используют в качестве
электроизоляционных – конструкционных
материалов.

Неорганические стёкла

Стекла – неорганические квазиаморфные
твердые вещества.

Различают их по составу:

• элементарные;

• халькогенидные;

• оксидные.

В основе оксидных неорганических стекол
– стеклообразующий окисел (SiO₂,P₂O₅,B₂O₃,GeO₂).

Наиболее распространены стёкла на
основе SiO₂–
силикатные (дёшевы, доступны, хорошо
обрабатываемы, обладают хорошими
механическими характеристиками,
неплохими электроизоляционными
свойствами).

В стекловарную печь загружают шихту
измельчённых компонентов, которые
предварительно тщательно смешивают в
нужных пропорциях. При нагреве шихта
плавится, летучие компоненты удаляются,
оставшиеся окислы реагируют между
собой, что приводит к образованию
однородной стекломассы, которая
используется для изготовления изделий,
отливкой, формовкой, либо комбинацией
этих воздействий с последующей
релаксацией внутренних напряжений.

Свойства стёкол сильно зависят от
состава начальной шихты:

1. безщелочныестёкла обладают высокой
   нагревостойкостью, хорошими
   электроизоляционными свойствами.
   Однако из них трудно изготовить изделия
   со сложной конфигурацией, так как они
   мало пластичны в расплавленном
   состоянии.

2. щелочныестёкла без тяжёлых
   окисловобладают пониженной
   нагревостойкостью и худшими
   электроизоляционными свойствами, но
   повышенной технологичностью. Являются
   группой обычных (бытовых) стёкол.

3. щелочные стёкла с высоким содержанием
   тяжёлых окислов. Увеличение доли
   тяжёлых окислов приводит к улучшению
   электроизоляционных свойств стекла
   при сохранении технологичности.

4. кварцевоестекло получают из
   чистого оксида кремнияSiO₂при температуре 1700°С. Обладает хорошими
   электроизоляционными свойствами, но
   плохо обрабатывается. Имеет оригинальный
   комплекс свойств: высокую нагревостойкость,
   малый ТКЛР и высокий предел прочности
   на сжатие. В отличие от предыдущих
   групп, пропускает УФ излучение.

По назначению различают:

1. электровакуумное стекло. ТКЛР подобран
   таким образом, чтобы он совпадал с ТКЛР
   металлов, используемых для формирования
   выводов;

2. изоляционные стёкла используются для
   изоляции выводом в металлостеклянных
   корпусах различных приборов;

3. цветные стёкла (светофильтры, глазури,
   эмали);

4. лазерные стёкла используются в качестве
   рабочих тел лазеров. Для достижения
   нужных свойств в стекло вводятся центры
   генерации – ионы неодима Nd^3+;
   

5. стекловолокно получают методом вытяжки
   через фильеры с быстрой намоткой на
   вращающиеся барабаны;

6. световоды;

Рисунок 42

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Расчет параметров диэлектрических материалов

К основным параметрам диэлектрических материалов относятся:

1. Относительная диэлектрическая проницаемость. Данный параметр показывает во сколько раз сила взаимодействия электрических зарядов в исследуемом материале меньше, чем в вакууме.
2. Диэлектрические потери. К данным потерям относятся те, которые обусловлены протеканием электрического тока в диэлектриках.
3. Электрическая прочность. Электрическая прочность — напряженность однородного внешнего электрического поля, которая приводит к образованию канала в диэлектрике высокой проводимости.
4. Удельное объемное сопротивление.
5. Удельное поверхностное сопротивление.

Для расчета относительной диэлектрической проницаемости используется следующая формула:

$Е = (Сд/Со)>1$

где Со — емкость конденсатора без диэлектрика; Сд — емкость того же конденсатора, но с диэлектриком между его обкладками.

В зависимости от механизма процесса поляризации относительная диэлектрическая проницаемость может составлять от нескольких единиц до десятков тысяч. Самое маленькое значение данного параметра у неполярных диэлектриков, а максимальное у диэлектриков с сегнетоэлектрическими свойствами.

Потери в диэлектрических материалах характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь:

$tgf = Iak/Ip$

где Iak — активны ток, который протекает через диэлектрик; Ip — реактивный ток опережающий активную составляющую на 90 градусов по фазе.

Зная данное значение легко определить мощность, которая рассеивается в диэлектрике в виде тепла:

$Ра = U*Ir*tgf$

Чтобы рассчитать электрическую прочность диэлектрика используется формула:

$Епр = Uпр/d$

где Uпр — пробивное напряжение; d — толщина диэлектрика.

«Расчет параметров диэлектрических, магнитных и проводниковых материалов» 👇

Для расчета объемного сопротивления применяется формула:

$pv = Rv*S/L$

где Rv — сопротивление материала; S — площадь сечения образца; L — длина образца

Расчет удельного поверхностного сопротивления осуществляется следующим образом:

$ps = pv/d$

Расчет параметров магнитных материалов

К основным параметрам магнитного материала относятся: индукция насыщения, магнитная абсолютная проницаемость, удельная объемная энергия, температурный коэффициент магнитной проницаемости, потери в диэлектрике, коэффициент прямоугольности у петли гистерезиса.

Абсолютная магнитная проницаемость может быть рассчитана следующим образом:

$m = В/Н$

где В — магнитная индукция; Н — напряженность магнитного поля.

При помощи температурного коэффициента магнитной проницаемости можно оценить характер изменения абсолютной магнитной проницаемости:

$ТКu = (u2-u1) / (u1*(T2-T1)).$

где, u2.u1 — магнитная проницаемость в зависимости от температур Т2 и Т1

Пример графика зависимости магнитной проницаемости от температуры изображен на рисунке ниже.

Чем больше индукция насыщения при заданной напряженности магнитного поля, тем лучше магнитный материал. Если образец материала намагничивать, непрерывно повышать напряженность магнитного поля, то магнитная индукция тоже будет непрерывно возрастать по кривой начального намагничивания. Данная кривая заканчивается в точке, которая соответствует индукции насыщения (Вs). При уменьшении напряженности магнитного поля индукция будет уменьшаться, но с величины Вm значения индукции не будут совпадать с начальной кривой. Пример такой зависимости изображен на рисунке ниже.

Величина потерь на гистерезис зависит от частоты перемагничивания и значения максимальной индукции, которые определяются площадью петли гистерезиса. Потери на вихревые токи зависят от удельного электрического сопротивления материала. Чтобы оценить форму гистерезисной петли применяется коэффициент прямоугольности, рассчитываемый по формуле:

$Кп = Br/Bm$

где Br — остаточная магнитная индукция.

Величина удельной объемной энергии используется для оценки твердых магнитных материалов:

$W = 0.5*(Bd*Hd)$

где Bd, Hd — индукция и напряженность магнитного поля, которые соответствуют максимальному значению удельной объемной энергии.

Расчет параметров проводниковых материалов

К самым важным параметрам проводниковых материалов относятся:

1. Удельная проводимость.
2. Температурный коэффициент удельного сопротивления.
3. Коэффициент теплопроводности.
4. Контактная разность потенциалов
5. Работа выхода электронов из металла.
6. Предел прочности при растяжении.

Связь между плотностью электрического тока и напряженностью электрического поля можно выразить следующим образом:

$J = r*(E / S)$

где r — удельное сопротивление; J — плотность электрического тока; Е — напряженность поля; S — поперечное сечение образца.

С ростом температуры, из-за колебаний узлов кристаллической решетки, появляется больше препятствий на пути движения электронов, то есть уменьшается их средняя длина пробега, удельная проводимость, подвижность электронов, а также увеличивается удельное сопротивление. Таким образом температурный коэффициент удельного сопротивления металла всегда положителен. Когда соприкасаются два проводника из металла возникает контактная разность потенциалов, которая может быть выражена следующим образом:

$Uав = Uв-Uа+((кТ)/е)ln(na/nв)$

где Ua, Uв — потенциалы образцов; na,nв — концентрация электронов в образцах.

Чтобы рассчитать предел прочности при растяжении используется формула:

$R = 0.64 * (P/F)$

где Р — разрушающая нагрузка; F — площадь поверхности раскола.

Коэффициент теплопроводности зависит от агрегатного состояния материала, для металла формула имеет следующий вид:

где к — постоянная Больцмана; n0 — концентрация электронов; л(Wf) — длина свободного пробега; п = 3,14; Wf — энергия Ферми; m — масса электрона; v(Wf) — средняя скорость свободного пробега.

In electromagnetism, a dielectric (or dielectric medium) is an electrical insulator that can be polarised by an applied electric field. When a dielectric material is placed in an electric field, electric charges do not flow through the material as they do in an electrical conductor, because they have no loosely bound, or free, electrons that may drift through the material, but instead they shift, only slightly, from their average equilibrium positions, causing dielectric polarisation. Because of dielectric polarisation, positive charges are displaced in the direction of the field and negative charges shift in the direction opposite to the field (for example, if the field is moving parallel to the positive x axis, the negative charges will shift in the negative x direction). This creates an internal electric field that reduces the overall field within the dielectric itself. If a dielectric is composed of weakly bonded molecules, those molecules not only become polarised, but also reorient so that their symmetry axes align to the field.^[1]

The study of dielectric properties concerns storage and dissipation of electric and magnetic energy in materials.^[2][3][4] Dielectrics are important for explaining various phenomena in electronics, optics, solid-state physics and cell biophysics.^[5][6]

Terminology[edit]

Although the term insulator implies low electrical conduction, dielectric typically means materials with a high polarisability. The latter is expressed by a number called the relative permittivity. The term insulator is generally used to indicate electrical obstruction while the term dielectric is used to indicate the energy storing capacity of the material (by means of polarisation). A common example of a dielectric is the electrically insulating material between the metallic plates of a capacitor. The polarisation of the dielectric by the applied electric field increases the capacitor’s surface charge for the given electric field strength.^[1]

The term dielectric was coined by William Whewell (from dia + electric) in response to a request from Michael Faraday.^[7][8] A perfect dielectric is a material with zero electrical conductivity (cf. perfect conductor infinite electrical conductivity),^[9] thus exhibiting only a displacement current; therefore it stores and returns electrical energy as if it were an ideal capacitor.

Electric susceptibility[edit]

The electric susceptibility χ_e of a dielectric material is a measure of how easily it polarises in response to an electric field. This, in turn, determines the electric permittivity of the material and thus influences many other phenomena in that medium, from the capacitance of capacitors to the speed of light.

It is defined as the constant of proportionality (which may be a tensor) relating an electric field E to the induced dielectric polarisation density P such that

where ε₀ is the electric permittivity of free space.

The susceptibility of a medium is related to its relative permittivity ε_r by

So in the case of a vacuum,

The electric displacement D is related to the polarisation density P by

Dispersion and causality[edit]

In general, a material cannot polarise instantaneously in response to an applied field. The more general formulation as a function of time is

That is, the polarisation is a convolution of the electric field at previous times with time-dependent susceptibility given by χ_e(Δt). The upper limit of this integral can be extended to infinity as well if one defines χ_e(Δt) = 0 for Δt < 0. An instantaneous response corresponds to Dirac delta function susceptibility χ_e(Δt) = χ_eδ(Δt).

It is more convenient in a linear system to take the Fourier transform and write this relationship as a function of frequency. Due to the convolution theorem, the integral becomes a simple product,

The susceptibility (or equivalently the permittivity) is frequency dependent. The change of susceptibility with respect to frequency characterises the dispersion properties of the material.

Moreover, the fact that the polarisation can only depend on the electric field at previous times (i.e., χ_e(Δt) = 0 for Δt < 0), a consequence of causality, imposes Kramers–Kronig constraints on the real and imaginary parts of the susceptibility χ_e(ω).

Dielectric polarisation[edit]

Basic atomic model[edit]

In the classical approach to the dielectric, the material is made up of atoms. Each atom consists of a cloud of negative charge (electrons) bound to and surrounding a positive point charge at its center. In the presence of an electric field, the charge cloud is distorted, as shown in the top right of the figure.

This can be reduced to a simple dipole using the superposition principle. A dipole is characterised by its dipole moment, a vector quantity shown in the figure as the blue arrow labeled M. It is the relationship between the electric field and the dipole moment that gives rise to the behaviour of the dielectric. (Note that the dipole moment points in the same direction as the electric field in the figure. This isn’t always the case, and is a major simplification, but is true for many materials.)

When the electric field is removed the atom returns to its original state. The time required to do so is called relaxation time; an exponential decay.

This is the essence of the model in physics. The behaviour of the dielectric now depends on the situation. The more complicated the situation, the richer the model must be to accurately describe the behaviour. Important questions are:

• Is the electric field constant or does it vary with time? At what rate?
• Does the response depend on the direction of the applied field (isotropy of the material)?
• Is the response the same everywhere (homogeneity of the material)?
• Do any boundaries or interfaces have to be taken into account?
• Is the response linear with respect to the field, or are there nonlinearities?

The relationship between the electric field E and the dipole moment M gives rise to the behaviour of the dielectric, which, for a given material, can be characterised by the function F defined by the equation:

When both the type of electric field and the type of material have been defined, one then chooses the simplest function F that correctly predicts the phenomena of interest. Examples of phenomena that can be so modelled include:

• Refractive index
• Group velocity dispersion
• Birefringence
• Self-focusing
• Harmonic generation

Dipolar polarisation[edit]

Dipolar polarisation is a polarisation that is either inherent to polar molecules (orientation polarisation), or can be induced in any molecule in which the asymmetric distortion of the nuclei is possible (distortion polarisation). Orientation polarisation results from a permanent dipole, e.g., that arising from the 104.45° angle between the asymmetric bonds between oxygen and hydrogen atoms in the water molecule, which retains polarisation in the absence of an external electric field. The assembly of these dipoles forms a macroscopic polarisation.

When an external electric field is applied, the distance between charges within each permanent dipole, which is related to chemical bonding, remains constant in orientation polarisation; however, the direction of polarisation itself rotates. This rotation occurs on a timescale that depends on the torque and surrounding local viscosity of the molecules. Because the rotation is not instantaneous, dipolar polarisations lose the response to electric fields at the highest frequencies. A molecule rotates about 1 radian per picosecond in a fluid, thus this loss occurs at about 10¹¹ Hz (in the microwave region). The delay of the response to the change of the electric field causes friction and heat.

When an external electric field is applied at infrared frequencies or less, the molecules are bent and stretched by the field and the molecular dipole moment changes. The molecular vibration frequency is roughly the inverse of the time it takes for the molecules to bend, and this distortion polarisation disappears above the infrared.

Ionic polarisation[edit]

Ionic polarisation is polarisation caused by relative displacements between positive and negative ions in ionic crystals (for example, NaCl).

If a crystal or molecule consists of atoms of more than one kind, the distribution of charges around an atom in the crystal or molecule leans to positive or negative. As a result, when lattice vibrations or molecular vibrations induce relative displacements of the atoms, the centers of positive and negative charges are also displaced. The locations of these centers are affected by the symmetry of the displacements. When the centers don’t correspond, polarisation arises in molecules or crystals. This polarisation is called ionic polarisation.

Ionic polarisation causes the ferroelectric effect as well as dipolar polarisation. The ferroelectric transition, which is caused by the lining up of the orientations of permanent dipoles along a particular direction, is called an order-disorder phase transition. The transition caused by ionic polarisations in crystals is called a displacive phase transition.

In cells[edit]

Ionic polarisation enables the production of energy-rich compounds in cells (the proton pump in mitochondria) and, at the plasma membrane, the establishment of the resting potential, energetically unfavourable transport of ions, and cell-to-cell communication (the Na+/K+-ATPase).

All cells in animal body tissues are electrically polarised – in other words, they maintain a voltage difference across the cell’s plasma membrane, known as the membrane potential. This electrical polarisation results from a complex interplay between ion transporters and ion channels.

In neurons, the types of ion channels in the membrane usually vary across different parts of the cell, giving the dendrites, axon, and cell body different electrical properties. As a result, some parts of the membrane of a neuron may be excitable (capable of generating action potentials), whereas others are not.

Dielectric dispersion[edit]

In physics, dielectric dispersion is the dependence of the permittivity of a dielectric material on the frequency of an applied electric field. Because there is a lag between changes in polarisation and changes in the electric field, the permittivity of the dielectric is a complex function of the frequency of the electric field. Dielectric dispersion is very important for the applications of dielectric materials and the analysis of polarisation systems.

This is one instance of a general phenomenon known as material dispersion: a frequency-dependent response of a medium for wave propagation.

When the frequency becomes higher:

1. The dipolar polarisation can no longer follow the oscillations of the electric field in the microwave region around 10¹⁰ Hz,
2. The ionic polarisation and molecular distortion polarisation can no longer track the electric field past the infrared or far-infrared region around 10¹³ Hz,
3. The electronic polarisation loses its response in the ultraviolet region around 10¹⁵ Hz.

In the frequency region above ultraviolet, permittivity approaches the constant ε₀ in every substance, where ε₀ is the permittivity of the free space. Because permittivity indicates the strength of the relation between an electric field and polarisation, if a polarisation process loses its response, permittivity decreases.

Dielectric relaxation[edit]

Dielectric relaxation is the momentary delay (or lag) in the dielectric constant of a material. This is usually caused by the delay in molecular polarisation with respect to a changing electric field in a dielectric medium (e.g., inside capacitors or between two large conducting surfaces). Dielectric relaxation in changing electric fields could be considered analogous to hysteresis in changing magnetic fields (e.g., in inductor or transformer cores). Relaxation in general is a delay or lag in the response of a linear system, and therefore dielectric relaxation is measured relative to the expected linear steady state (equilibrium) dielectric values. The time lag between electrical field and polarisation implies an irreversible degradation of Gibbs free energy.

In physics, dielectric relaxation refers to the relaxation response of a dielectric medium to an external, oscillating electric field. This relaxation is often described in terms of permittivity as a function of frequency, which can, for ideal systems, be described by the Debye equation. On the other hand, the distortion related to ionic and electronic polarisation shows behaviour of the resonance or oscillator type. The character of the distortion process depends on the structure, composition, and surroundings of the sample.

Debye relaxation[edit]

Debye relaxation is the dielectric relaxation response of an ideal, noninteracting population of dipoles to an alternating external electric field. It is usually expressed in the complex permittivity ε of a medium as a function of the field’s angular frequency ω:

where ε_∞ is the permittivity at the high frequency limit, Δε = ε_s − ε_∞ where ε_s is the static, low frequency permittivity, and τ is the characteristic relaxation time of the medium. Separating into the real part and the imaginary part of the complex dielectric permittivity yields:^[10]

Note that the above equation for is sometimes written with in the denominator due to an ongoing sign convention ambiguity whereby many sources represent the time dependence of the complex electric field with whereas others use . In the former convention, the functions and representing real and imaginary parts are given by whereas in the latter convention . The above equation uses the latter convention.^[11]

The dielectric loss is also represented by the loss tangent:

This relaxation model was introduced by and named after the physicist Peter Debye (1913).^[12] It is characteristic for dynamic polarisation with only one relaxation time.

Variants of the Debye equation[edit]

Cole–Cole equation

This equation is used when the dielectric loss peak shows symmetric broadening.

Cole–Davidson equation

This equation is used when the dielectric loss peak shows asymmetric broadening.

Havriliak–Negami relaxation

This equation considers both symmetric and asymmetric broadening.

Kohlrausch–Williams–Watts function

Fourier transform of stretched exponential function.

Curie–von Schweidler law

This shows the response of dielectrics to an applied DC field to behave according to a power law, which can be expressed as an integral over weighted exponential functions..

Paraelectricity[edit]

Paraelectricity is the nominal behaviour of dielectrics when the dielectric permittivity tensor is proportional to the unit matrix, i.e., an applied electric field causes polarisation and/or alignment of dipoles only parallel to the applied electric field. Contrary to the analogy with a paramagnetic material, no permanent electric dipole needs to exist in a paraelectric material. Removal of the fields results in the dipolar polarisation returning to zero.^[13] The mechanisms that causes paraelectric behaviour are distortion of individual ions (displacement of the electron cloud from the nucleus) and polarisation of molecules or combinations of ions or defects.

Paraelectricity can occur in crystal phases where electric dipoles are unaligned and thus have the potential to align in an external electric field and weaken it.

Most dielectric materials are paraelectrics. A specific example of a paraelectric material of high dielectric constant is strontium titanate.

The LiNbO₃ crystal is ferroelectric below 1430 K, and above this temperature it transforms into a disordered paraelectric phase. Similarly, other perovskites also exhibit paraelectricity at high temperatures.

Paraelectricity has been explored as a possible refrigeration mechanism; polarising a paraelectric by applying an electric field under adiabatic process conditions raises the temperature, while removing the field lowers the temperature.^[14] A heat pump that operates by polarising the paraelectric, allowing it to return to ambient temperature (by dissipating the extra heat), bringing it into contact with the object to be cooled, and finally depolarising it, would result in refrigeration.

Tunability[edit]

Tunable dielectrics are insulators whose ability to store electrical charge changes when a voltage is applied.^[15]

Generally, strontium titanate (SrTiO
₃) is used for devices operating at low temperatures, while barium strontium titanate (Ba
_1−xSr
_xTiO
₃) substitutes for room temperature devices. Other potential materials include microwave dielectrics and carbon nanotube (CNT) composites.^[15][16][17]

In 2013, multi-sheet layers of strontium titanate interleaved with single layers of strontium oxide produced a dielectric capable of operating at up to 125 GHz. The material was created via molecular beam epitaxy. The two have mismatched crystal spacing that produces strain within the strontium titanate layer that makes it less stable and tunable.^[15]

Systems such as Ba
_1−xSr
_xTiO
₃ have a paraelectric–ferroelectric transition just below ambient temperature, providing high tunability. Films suffer significant losses arising from defects.

Applications[edit]

Capacitors[edit]

Commercially manufactured capacitors typically use a solid dielectric material with high permittivity as the intervening medium between the stored positive and negative charges. This material is often referred to in technical contexts as the capacitor dielectric.^[18]

The most obvious advantage to using such a dielectric material is that it prevents the conducting plates, on which the charges are stored, from coming into direct electrical contact. More significantly, however, a high permittivity allows a greater stored charge at a given voltage. This can be seen by treating the case of a linear dielectric with permittivity ε and thickness d between two conducting plates with uniform charge density σ_ε. In this case the charge density is given by

and the capacitance per unit area by

From this, it can easily be seen that a larger ε leads to greater charge stored and thus greater capacitance.

Dielectric materials used for capacitors are also chosen such that they are resistant to ionisation. This allows the capacitor to operate at higher voltages before the insulating dielectric ionises and begins to allow undesirable current.

Dielectric resonator[edit]

A dielectric resonator oscillator (DRO) is an electronic component that exhibits resonance of the polarisation response for a narrow range of frequencies, generally in the microwave band. It consists of a «puck» of ceramic that has a large dielectric constant and a low dissipation factor. Such resonators are often used to provide a frequency reference in an oscillator circuit. An unshielded dielectric resonator can be used as a dielectric resonator antenna (DRA).

BST thin films[edit]

From 2002 to 2004, the United States Army Research Laboratory (ARL) conducted research on thin film technology. Barium strontium titanate (BST), a ferroelectric thin film, was studied for the fabrication of radio frequency and microwave components, such as voltage-controlled oscillators, tunable filters and phase shifters.^[19]

The research was part of an effort to provide the Army with highly-tunable, microwave-compatible materials for broadband electric-field tunable devices, which operate consistently in extreme temperatures.^[20] This work improved tunability of bulk barium strontium titanate, which is a thin film enabler for electronics components.^[21]

In a 2004 research paper, U.S. ARL researchers explored how small concentrations of acceptor dopants can dramatically modify the properties of ferroelectric materials such as BST.^[22]

Researchers «doped» BST thin films with magnesium, analyzing the «structure, microstructure, surface morphology and film/substrate compositional quality» of the result. The Mg doped BST films showed «improved dielectric properties, low leakage current, and good tunability», meriting potential for use in microwave tunable devices.^[19]

Some practical dielectrics[edit]

Dielectric materials can be solids, liquids, or gases. (A high vacuum can also be a useful,^[23] nearly lossless dielectric even though its relative dielectric constant is only unity.)

Solid dielectrics are perhaps the most commonly used dielectrics in electrical engineering, and many solids are very good insulators. Some examples include porcelain, glass, and most plastics. Air, nitrogen and sulfur hexafluoride are the three most commonly used gaseous dielectrics.

• Industrial coatings such as Parylene provide a dielectric barrier between the substrate and its environment.
• Mineral oil is used extensively inside electrical transformers as a fluid dielectric and to assist in cooling. Dielectric fluids with higher dielectric constants, such as electrical grade castor oil, are often used in high voltage capacitors to help prevent corona discharge and increase capacitance.
• Because dielectrics resist the flow of electricity, the surface of a dielectric may retain stranded excess electrical charges. This may occur accidentally when the dielectric is rubbed (the triboelectric effect). This can be useful, as in a Van de Graaff generator or electrophorus, or it can be potentially destructive as in the case of electrostatic discharge.
• Specially processed dielectrics, called electrets (which should not be confused with ferroelectrics), may retain excess internal charge or «frozen in» polarisation. Electrets have a semi-permanent electric field, and are the electrostatic equivalent to magnets. Electrets have numerous practical applications in the home and industry.
• Some dielectrics can generate a potential difference when subjected to mechanical stress, or (equivalently) change physical shape if an external voltage is applied across the material. This property is called piezoelectricity. Piezoelectric materials are another class of very useful dielectrics.
• Some ionic crystals and polymer dielectrics exhibit a spontaneous dipole moment, which can be reversed by an externally applied electric field. This behaviour is called the ferroelectric effect. These materials are analogous to the way ferromagnetic materials behave within an externally applied magnetic field. Ferroelectric materials often have very high dielectric constants, making them quite useful for capacitors.

See also[edit]

References[edit]

Further reading[edit]

• Jackson, John David (10 August 1998) [1962]. Classical Electrodynamics (3rd ed.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-30932-1. OCLC 535998.

• Scaife, Brendan K. P. (3 September 1998). Principles of Dielectrics. Monographs on the Physics & Chemistry of Materials (2nd ed.). Oxford University Press. ISBN 978-0-198-56557-4.

External links[edit]

• Feynman’s lecture on dielectrics
• Dielectric Sphere in an Electric Field
• Dissemination of IT for the Promotion of Materials Science (DoITPoMS) Teaching and Learning Package «Dielectric Materials» from the University of Cambridge
• Texts on Wikisource:
  • «Dielectric». Encyclopedia Americana. 1920.
  • «Dielectric». Encyclopædia Britannica (11th ed.). 1911.

В куске незаряженного диэлектрика, помещённого в электростатическое поле, появляются так называемые связанные заряды. В результате напряжённость поля внутри и вне диэлектрика изменяется по модулю и направлению по сравнению с тем, что было в соответствующих точках пространства до внесения диэлектрика. Природа возникновения связанных зарядов связана с явлением поляризации.

Связанные заряды, возникшие в поляризованном диэлектрике, создают собственное электростатическое поле, которое накладывается на внешнее, противодействуя ему и пытаясь ослабить. Результирующее поле внутри диэлектрика становится отличным от внешнего.

Характеристикой однородного изотропного диэлектрика является диэлектрическая проницаемость $$ varepsilon $$. Если граница такого диэлектрика перпендикулярна внешнему электрическому полю, то напряжённость поля в диэлектрике будет в $$ varepsilon $$ раз меньше, чем в вакууме.

Напряжённость поля равномерно распределённого по сфере заряда, точечного заряда и бесконечной равномерно заряженной плоскости, помещённых в диэлектрик с диэлектрической проницаемостью $$ varepsilon $$, будет в $$ varepsilon $$ раз меньше, чем в вакууме. Для точечного заряда и сферы (при $$ r>R$$ ) вместо (2.2) и (2.3) справедливы формулы $$ E=k{displaystyle frac{left|Qright|}{varepsilon {r}^{2}}}, {E}_{x}=k{displaystyle frac{Q}{varepsilon {r}^{2}}}.$$

Для плоскости вместо (4.1) справедливо $$ E={displaystyle frac{left|sigma right|}{2varepsilon {varepsilon }_{0}}}.$$

В бесконечном однородном и изотропном диэлектрике вместо формулы (2.1) закона Кулона можно записать