Физические процессы в диэлектриках

1. Физические процессы в диэлектриках

ФИЗИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ В
ДИЭЛЕКТРИКАХ

2. Поляризация диэлектриков

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Поляризацией называют состояние диэлектрика, характеризующееся
наличием электрического момента у любого элемента его объема.
Способоность различных материалов поляризоваться в электриеском
поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью
С Д / СО
СД
СО
, где:
- ёмкость конденсатора с данным диэлектриком;
- ёмкость того же конденсатора в вакууме (т.е. геометрическая
ёмкость между
электродами).
Количественной характеристикой поляризации служит
поляризованность диэлектрика. Поляризованностью Р называют
векторную физическую величину, равную отношению электрчиеского
Kл / m 2
момента dр элемента диэлектрика к объёму dV этого элемента и
выражаемую в
:
где
P dp / dV
P 0 ( 1) E 0 E
- диэлектрическая восприимчивость.

3. Механизмы поляризации

МЕХАНИЗМЫ ПОЛЯРИЗАЦИИ
Эквивалентная схема диэлектриков
сложного состава с различными
механизмами поляризации

4.

Частотная зависимость составляющих
комплексной диэлектрической проницаемости.

5.

Кривые температурной зависимости диэлектрической
проницаемости при электронной э , дипольнорелаксационной др и ионно-релаксационной ир
поляризациях.

6. Температурный коэффициент

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ
Изменение при изменении
температуры характеризуется
температурным коэфициентом
диэлектрической
1
проницаемости,
в
К выражаемым
:
1 d
dT

7.

После снятия электрического поля ориентация частиц
постепенно ослабевает. Математически такой процесс выражают
формулой, отражающей зависимость дипольной составляющей
поляризованности диэлектрика от времени:
Pдр (t ) Pдр (0) exp( t / 0 )
,где t – время, прошедшее после снятия поля; 0 - постоянная
времени (время релаксации).
Таким образом, время релаксации – это промежуток времени в
течение которого упорядоченность ориентированных полем
диполей после снятия поля уменьшается вследствие наличия
теплового движения в 2,7 раза от первоначального значения, т.е.
система из неравновесного состояния приближается к
равновесному. Время релаксации сильно зависит от температуры.
Чем выше температура, тем меньше силы молекулярного
сопротивления повороту диполей в вязкой среде, тем меньше
время релаксации.

8. Классификация диэлектриков по механизмам поляризации

КЛАССИФИКАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ ПО
МЕХАНИЗМАМ ПОЛЯРИЗАЦИИ
В зависимости от влияния напряжённости электрического поля на
значение относительной диэлектрической проницаемости материала
все диэлектрики подразделяют на линейные и нелинейные.
Для линейных диэлектриков с малыми потерями энергии
зависимость заряда конденсатора от напряжения (переменной
полярности) имеет вид показанный на рисунке а). Для нелинейных
диэлектриков (сегнетоэлектриков) в этих условиях зависимость заряда
от напряжения принимает форму петли гистерезиса - б).
Зависимости заряда
конденсатора от
напряжения для линейных
диэлектриков (а) и для
сегнетоэлектриков (б) (по
осям абсцисс отложены U
и E=U/h, по осям ординат
Q,D=Q/S и )

9. Линейные диэлектрики

ЛИНЕЙНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
Линейные диэлектрики можно подразделить в несколько групп, положив
в основу классификации механизмов поляризации.
Неполярными диэлектриками являются газы, жидкости и твёрдые
вещества в кристаллическом и аморфном состояниях, обладающие в
основном только электронной поляризацией. К ним относятся водород,
бензол, парафин, сера, полиэтилен и др.
Полярные (дипольные) диэлектрики – это органические жидкие,
полужидкие и твёрдые вещества, имеющие одновременно дипольнорелаксационную и электронную поляризации. К ним относятся нитробензол,
кремнийорганические соединения, феноло-формальдегидные смолы,
эпоксидные компаунды, хлорированные углеводороды, капрон и др.
Ионные соединения составляют твёрдые неорганические диэлектрики с
ионной, электронной, ионно- и электронно-релаксационными
поляризациями. В этой группе ввиду существенного различия их
электрических характеристик целесообразно выделить две подгруппы
материалов: 1) диэлектрики с ионной и электронной поляризациями; 2)
диэлектрики с ионной, электронной и релаксационными поляризациями.
К первым преимущественно относятся кристаллические вещества с
плотной упаковкой ионов, например, кварц, слюда, корунд (Al2O3), рутил
(TiO2), перовскит (CaTiO3) и др. Ко вторым принадлежат неорганические
стёкла, многие виды керамики, кристаллические диэлектрики с неплотной
упаковкой частиц в решётке.

10. Влияние агрегатного состояния на диэлектрическую проницаемость линейных диэлектриков

ВЛИЯНИЕ АГРЕГАТНОГО СОСТОЯНИЯ НА
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
ЛИНЕЙНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Значение
относительной
диэлектрической проницаемости вещества,
характеризующее
степень
его
поляризуемости,
в
первую
очередь,
определяется механизмами поляризации.
Однако величина в большой мере зависит
и от агрегатного состояния вещества, так
как при переходах из одного состояния в
другое существенно меняются плотность
вещества, его вязкость и изотропность.

11. Диэлектрическая проницаемость газов

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ ГАЗОВ
Газообразные вещества характеризуются весьма малыми
плотностями вследствие больших расстояний между молекулами.
Благодаря этому поляризация всех газов незначительна и
диэлектрическая проницаемость их близка к единице.
Поляризация газа может быть чисто электронной и дипольной,
если молекулы газа полярны, однако и в этом случае основное
значение имеет электронная поляризация.
Диэлектрическая проницаемость различных газов тем больше,
чем больше радиус молекулы газа, и численно близка к квадрату
коэффициента преломления света для этого газа.
Зависимость диэлектрической проницаемости газа от
температуры и давления определяется числом молекул в единице
объёма, которое пропорционально давлению и обратно
пропорционально абсолютной температуре.
У воздуха в нормальных условиях относительная
диэлектрическая проницаемость равна 1,0006, а её температурный
-6
-1
коэффициент
имеет значение около – 2*10 К .

12. Таблица параметров некоторых газов

ТАБЛИЦА ПАРАМЕТРОВ НЕКОТОРЫХ ГАЗОВ
ГАЗ
Радиус
молекулы
(ангстрем)
Показатель
преломления
n2
ε
Водород
1,35
1,00014
1,00028
1,00027
Кислород
1,82
1,00027
1,00054
1,00055
Азот
1,91
1,00030
1,00060
1,00060

13. Диэлектрическая проницаемость жидких диэлектриков

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Жидкие диэлектрики могут состоять из неполярных и
полярных молекул.
Значение относительной диэлектрической проницаемости
неполярных жидкостей определяется электронной поляризацией,
поэтому оно невелико, близко к значению квадрата показателя
2
преломления света n и обычно не превышает 2,5.
Зависимость диэлектрической проницаемости неполярной
жидкости от температуры связана с уменьшением числа молекул
по
в единице объёма, т.е. с уменьшением плотности;
абсолютному значению близок к температурному коэффициенту
Vжидкости . Следует
V что и
объёмного расширения
помнить
отличаются знаком.
Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы,
определяется одновременно электронной и дипольнорелаксационной составляющими. Такие жидкости обладают тем
большей диэлектрической проницаемостью, чем дольше значение
электрического момента диполей и чем больше число молекул в
единице объёма.

14. Параметры неполярных жидких диэлектриков

ПАРАМЕТРЫ
НЕПОЛЯРНЫХ ЖИДКИХ
ДИЭЛЕКТРИКОВ
жидкость
Показатель
преломлени
я
ε
TKε*103 K- TKv K-1
Бензол
1,5
2,218
-0,93
1,240
Толуол
1,5
2,294
-1,16
1,100
CCl4
1,46
2,163
-0,91
1,227
1

15. Диэлектрическая проницаемость твёрдых диэлектриков

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
ТВЁРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Диэлектрическая проницаемость неполярных твёрдых диэлектриков:
Материал
n
n2
Материал
n
n2
Парафин
1,43
2,06
1,9-2,2
Сера
1,92
3,69
3,6-4,0
Полистирол
1,55
2,40
2,4-2,6
Алмаз
2,40
5,76
5,6-5,8
Значение
Кристалл
Каменная соль
(NaCl)
6
Корунд (Al2O3)
10
и ионных кристаллов:
10 , K
Кристалл
6
1
106 , K 1
+150
Рутил (TiO2)
110
-750
+100
Титанат
кальция
(CaTiO3)
150
-1500

16. Диэлектрическая проницаемость сложных диэлектриков

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
СЛОЖНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Диэлектрическую проницаемость сложных диэлектриков, представляющих собой
смесь химически невзаимодействующих друг с другом компонентов с различными
диэлектрическими проницаемостями, можно в первом приближении (при малых
различиях ) определить на основании уравнения Лихтенеккера, с помощью которого
в общем случае рассчитывают самые различные свойства (например, теплопроводность,
x
x
x
показатель преломления и др.): 1 1 2 2
(6.5)
Здесь , 1 , 2 - соответственно относительные диэлектрические проницаемости смеси
и отдельных компонентов; 1и 2 - объёмные концентрации компонентов,
1 2 1; x величина, характеризующая распределение компонентов и
принимающая значения от +1 до -1.
При параллельном включении компонентов х=+1 выражение имеет вид:
1 1 2 2
При последовательном включении компонентов, когда x=-1:
1 / 1 / 1 2 / 2
Если оба компонента распределены хаотически (например,в керамике), то после
преобразования уравнения Лихтенеккера и подстановки х=0, получим
.
(6.6)
ln ln ln
1
1
2
2
Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости сложного
диэлектрика определяют дифференцированием (6.6) по температуре:
1 d
1 d 1 2 d 2
;
dT
1 dT
2 dT
1 2
1
2

17.

Параллельное соединение
1
S1
2
S2
h
C1
C
0 S
[ ф]
h
С * С1 С2
С*
C2
* 0 ( S1 S 2 )
h
* 0 ( S1 S 2 ) 1 0 S1 2 0 S 2
h
h
h
1S1
2 S2
*
S1 S 2 S 1 S 2
* y1 1 y2 2
y1 и y2 -объемные концентрации
y1 + y2 =1(100%)

18.

Последовательное соединение
S1
1
2
h1
h2
C1
S2
1
1
1
*
C
C1
C2
C1
C2
C
*
1 0 S
h1
2 0 S
h2
* 0 S
h1 h2
1
C1 C 2
C*
C1C 2
*
C * ( h1 h2 )
0S
C2

19.

0S
0S
(C1 C2 )
*
*
C (h1 h2 ) (h1 h2 ) C1C2
1
1 0 S 2 0 S
(
)h1h2
0S
h1
h2
(h1 h2 )
1 0 S 2 0 S
(C C )
1 2 1
*
CC
C
1 2

20.

( h h )h h
h
h
12 1 2 12
2
1
h h (h h ) (h h ) (h h )
12 1 2 2 2 2 1 2
1 1 2
h1
y1
h1 h2
h2
y2
h1 h2
1
x
y1
1
y2
2
y1 y2 1
1
x
n
i 1
yi
i

21.

Термокомпенсированный конденсатор
*
ТКС=0
С1
C1
С2
h
C2
1 C1
1 C2
TK (C1 C2 )
0
C1 C2 T C1 C2 T
C1TKC1 C2TKC2
TKC
C1 C2
*
Условия термокомпенсации
C1TKC1 C2TKC2 0
При параллельном соединении
C1TKC2 C2TKC1 0
При последовательном соединении

22.

Для случая хаотической смеси
условия термокомпенсатора
TK y1TK 1 y1TK 1 0
*
y1 y2 1

23. Особенности поляризации сегнетоэлектриков Наличие доменной структуры и спонтанной поляризации

ОСОБЕННОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ
НАЛИЧИЕ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ И СПОНТАННОЙ
ПОЛЯРИЗАЦИИ
Кристаллическая решётка сегнетоэлектриков характеризуется тем, что даже в
отсутствие внешнего поля ионы располагаются несимметрично, образуя
макроскопические области (домены), обладающие электрическими моментами. При
этом направление ориентации электрических моментов в разных доменах
различно. Наложение внешнего поля способствует преимущественной ориентации
электрических моментов доменов в направлении поля, что даёт эффект очень
сильной поляризации, а следовательно, и сверхвысокое значение (у
керамического сегнетоэлектрического материала ВК-2, например, может
достигать 50 000).
Наличие точки Кюри.
Диэлектрическая проницаемость
сегнетоэлектриков резко зависит от
температуры, причём
сегнетоэлектрические свойства
большинства наиболее употребительных
сегнетоэлектриков проявляются при всех
температурах, вплоть до некоторой
предельной, при которой происходит
изменение структуры материала, после
чего сегнетоэлектрические свойства
исчезают. Эту температуру называют
точкой Кюри.
Титанат бария. tk – точка Кюри.

24. Объяснение механизма поляризации титаната бария:

ОБЪЯСНЕНИЕ МЕХАНИЗМА ПОЛЯРИЗАЦИИ
ТИТАНАТА БАРИЯ:
а) Элементарная кристаллическая ячейка титаната бария при температуре
выше точки Кюри;
б) Смещение иона титана к одному из ионов кислорода при температуре
ниже точки Кюри;
в) Изменение структуры ячейки кристалла титаната бария при
температуре ниже точки Кюри;
г) Схема расположения доменов в материале до и после наложения
внешнего электрического поля.

25. Общие сведения об электрических свойствах диэлектриков

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
СВОЙСТВАХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

26.

Диэлектрик в электрическом поле проявляет
совокупность электрических свойств, численно
характеризуемых рядом параметров.
Электропроводность.
Свойство материалов проводить не изменяющийся во
времени электрический ток под действием не
изменяющегося во времени электрического поля называется
электропроводностью. Численно электропроводность
диэлектриков характеризуют либо удельной объёмной
проводимостью и удельной поверхностной
проводимостью s , либо обратными величинами –
удельным объёмным сопротивлением
и удельным
s
поверхностным сопротивлением
.

27.

Поляризация.
Под поляризацией понимают процесс в
веществе, характеризуемый тем, что
электрический момент некоторого объёма этого
вещества становится отличным от нуля.
Способность диэлектриков поляризоваться
оценивают по величине диэлектрической
проницаемости .
При работе диэлектриков в знакопеременном
поле поляризационные процессы значительно
преобладают над процессами
электропроводности, т.е. диэлектрик можно
рассматривать как ёмкость.

28.

Диэлектрические потери.
Это электрическая мощность,
рассеиваемая в диэлектрике,
находящемся в электрическом поле.
Способность диэлектриков к
диэлектрическим потерям обычно
характеризуют тангенсом
tgугла
диэлектрических потерь
.

29.

Пробой.
Явление в диэлектрике, приводящее к
образованию канала высокой
проводимости, называют пробоем.
Численной характеристикой стойкости
диэлектриков к пробою является
электрическая прочность, или
Eпр
пробивная напряжённость
электрического поля
.

30.

Вещества, обычно используемые в качестве
электрополяризационных материалов и
диэлектриков конденсаторов, имеют в рабочих
условиях следующие значения параметров:
Не ниже 107 ом*м;
s Не ниже 107 ом;
От 1 до106;
tg От 0,0001 до 0,1;
E пр От 106 до 108 в/м;

31.

Зависимость тока I в диэлектрике от времени воздействия
электрического поля.
постоянного
Сопротивление диэлектрика при постоянном напряжении, т.е.
сопротивление изоляции Rиз, определяющее величину тока
утечки, можно вычислить по формуле:
U
Rиз
Где
I I пол
U – приложенное напряжение;
I – наблюдаемый ток;
I пол I аб - сумма токов, вызванных различными видами
поляризации.

32.

численно равно
Удельное объёмное сопротивление
сопротивлению куба, мысленно вырезанного из
исследуемого материала, если ток проходит через две
противоположные грани этого куба. Практически удобно
определять для куба с ребром, равным 1см, и выражать в
омосантиметрах
(ом*см).
В системе СИ определяют для куба с ребром, равным
1м, и выражают в омометрах (ом*м). При этом 1 ом*м=100
ом*см.
Удельное объёмное сопротивление
плоского образца при
S
R ом
м,
одномерном поле рассчитывают
по формуле
h
где R – объёмное сопротивление образца, ом;
S – площадь электрода, м2;
h – толщина образца, м.

33.

Удельное поверхностное сопротивление
s численно равно
сопротивлению квадрата (любых размеров), мысленно выделенного
на поверхности материала, если ток проходит через две
противоположные стороны этого квадрата. Удельное поверхностное
сопротивление s измеряют в омах и рассчитывают по формуле:
s Rs
a
ом,
l
где Rs поверхностное сопротивление образца материала между
параллельно поставленными электродами шириной d, отстоящими
друг от друга на расстоянии l. В системе СИ удельная объёмная
проводимость выражается в сим*м-1, а удельная поверхностная
проводимость – соответственно в сим.
Полная проводимость твёрдого диэлектрика, соответствующая
его сопротивлению изоляции Rиз, складывается из объёмной и
поверхностной проводимостей; поэтому сопротивление изоляции
рассчитывают по формуле:
R Rs
Rиз
R Rs
Размещение
электродов 1 на
поверхности
образца из
диэлектрического
материала 2 при
измерении s .

34. Объёмная электропроводность диэлектриков в различных агрегатных состояниях

ОБЪЁМНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ
ДИЭЛЕКТРИКОВ В РАЗЛИЧНЫХ АГРЕГАТНЫХ
СОСТОЯНИЯХ
Электропроводность газов. Газы при небольших
значениях напряжённости электрического поля обладают
исключительно малой проводимостью. Ток в газах может
существовать только при наличии в них ионов или
свободных электронов, которые возникают в результате
ионизации молекул газа. Ионизация происходит либо под
действием внешних факторов, либо вследствие соударений
ионов и электронов, ускоренных электрическим полем, с
молекулами газа (ударная ионизация).
Зависимость тока I от
напряжения U для газа.

35.

Электропроводность
жидкостей.
Электропроводность жидких
диэлектриков носит ионный
характер. Она тесно связана со
строением молекул жидкости.

36.

Электропроводность твёрдых
диэлектриков.
Электропроводность твёрдых диэлектрических
материалов обусловлена главным образом
передвижением ионов. У некоторых материалов при
определённых рабочих условиях она может быть
вызвана также наличием свободных электронов.
При ионной электропроводности число
диссоциированных ионов находится в
Э от температуры:
экспоненциальной зависимости
д
nT n e
kT
где n – общее число ионов в 1 м3;
Эд – энергия диссоциации;
kT – тепловая энергия. b
T
B e
ln
b
1
T
Температурная
зависимость удельной
проводимости ,
характеризующая области
собственной и примесной
электропроводности
диэлектрика.
Сплошной линией показана
собственная электропроводность,
штриховыми линиями –
примесная электропроводность
(N1>N2>N3>N4, где N –
концентрация примеси.)

37. Поверхностная электропроводность твёрдых диэлектриков

ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ
ТВЁРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Поверхностная электропроводность обусловлена
увлажнением поверхности диэлектрика, а также её
загрязнением твёрдыми проводящими частицами. Вода
отличается, как указывалось выше, значительной
удельной проводимостью. Достаточно на поверхности
диэлектрика появиться тончайшему слою влаги, чтобы
возникла заметная проводимость.
Поскольку сопротивление адсорбированной плёнки
влаги связано с природой материала, на поверхности
которого она находится, поверхностную
электропроводность обычно рассматривают как свойство
самого диэлектрика.

38. Диэлектрические потери

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
При постоянном напряжении, приложенном к
диэлектрику, электрические потери Pa
обусловлены явлением сквозной
электропроводности и могут быть определены из
выражения:
U2
Pa
Rиз
Углом диэлектрических потерь называется
угол, дополняющий до 90о угол сдвига фаз
между напряжением, приложенным к
диэлектрику, и протекающим в нём током. В
идеальном диэлектрике
угол равен нулю. Чем
больше рассеиваемая в диэлектрике мощность,
тем больше угол диэлектрических потерь.

39. Параллельная и последовательная эквивалентные схемы диэлектрика с потерями

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ
ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ ДИЭЛЕКТРИКА С
ПОТЕРЯМИ
Для параллельной схемы:
Ia
1
tg
;
Ic
C p R
Pa UI a U 2 C p tg
Для последовательной схемы:
tg
Ua
C s r ;
Uc
U 2 r 2C s2
U 2 C s tg
Pa IU a I r
1 r 2 2C s2
1 tg 2
2

40.

Cs
1
Cp
; R r (1 2 ).
2
1 tg
tg
Для доброкачественных диэлектриков можно
2
пренебречь значением tg (оно очень мало по
сравнению с 1) и считатьC p Cs C . Выражения
для мощности, рассеиваемой в диэлектрике, в этом
случае будут также одинаковы для обеих схем:
Pa U Ctg вт,
2
где U – напряжение, в;
– угловая частота, сек-1;
С – ёмкость, ф.

41.

Если потери в конденсаторе или изоляторе
обусловлены главным образом сопротивлением
проводящих и соединительных проводов, а
также сопротивлением самих электродов
(обкладок), то для расчёта можно применить
последовательную схему, и рассеиваемая
мощность будет возрастать пропорционально
квадрату частоты:
Pa U 2 Ctg U 2 2C 2 r
Из последнего выражения следует весьма
важный практический вывод: у конденсаторов и
изоляторов, предназначенных для работы на
высокой частоте, сопротивление электродов,
соединительных проводов и переходных
контактов должно быть по возможности
мало.

42. Виды диэлектрических потерь

ВИДЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ПОТЕРЬ
Изучение физической природы и
особенностей диэлектрических потерь
позволило подразделить их на три основных
вида:
1) Потери сквозной электропроводности;
2) Поляризационные (релаксационные)
потери;
3) Ионизационные потери.
4)Резонансные потери

43. Потери сквозной электропроводности

ПОТЕРИ СКВОЗНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ
Частотные (а) и температурные (б) зависимости потерь сквозной электропроводности.
1,8 1010
tg
f
если известны значения (ом м) и , измеренные: первое на
постоянном токе, второе при данной частоте.
PaT A e
где А и b – постоянные материала.
b
T

44. Поляризационные (релаксационные) потери.

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ (РЕЛАКСАЦИОННЫЕ) ПОТЕРИ.
Поляризационные (релаксационные) потери в диэлектриках: а – положение минимумов
тангенса угла диэлектрических потерь в зависимости от температуры Т при различных
частотах (f1<f2);
б – положение максимумов тангенса угла диэлектрических потерь в зависимости f при
различных температурах (Т1<Т2); для температуры Т2 дополнительно показана кривая
затраченной мощности.
Меньшего значения времени релаксации, необходимого
для получения максимума угла потерь, а для уменьшения
времени релаксации необходимо снижение вязкости, т.е.
повышение температуры.

45. Диэлектрические потери в газах

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ГАЗАХ
Кривую tg F (U ) часто называют кривой ионизации.
tg твёрдой
Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь
изоляции с воздушными включениями от напряжения U.

46. Диэлектрические потри в жидких диэлектриках

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТРИ В ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКАХ
В нейтральных жидкостях, не содержащих примесей с
дипольными молекулами, диэлектрические потери обусловлены
только электропроводностью.
Полярные жидкости в определённых температурных и
частотных условиях могут обладать заметными потерями,
обусловленными не только электропроводностью, но и дипольнорелаксационной поляризацией.
Суммарные релаксационные потери в дипольных диэлектриках

47. Диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ТВЁРДЫХ
ДИЭЛЕКТРИКАХ
tg
Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь
пропитанной компаундом, от температуры t.
конденсаторной бумаги,
Состав компаунда: 80% канифоли и 20% трансформаторного масла.

48. Пробой газов

ПРОБОЙ ГАЗОВ
Схематическое изображение распространения стримера при пробое
газа

49.

Зависимость электрической
прочности газа от давления
Зависимость пробивного
напряжения воздуха от
расстояния между электродами
в неоднородном поле

50.

Зависимость
пробивного
напряжения воздуха от
расстояния между
электродами при
различных частотах.

51. Пробой жидких диэлектриков

ПРОБОЙ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Зависимость электрической прочности от содержания воды в
масле

52. Пробой твёрдых диэлектриков

ПРОБОЙ ТВЁРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Различают четыре вида пробоя твёрдых
диэлектриков:
1) Электрический пробой макроскопически
однородных диэлектриков; а)
2) Электрический пробой неоднородных
диэлектриков;
3) Тепловой (электротепловой) пробой;
4) Электрохимический пробой.

53. Тепловой и электрический пробой

ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ

54. Тепловой и электрический пробой

ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ
Тепловой пробой
сводится к разогреву
материала в электрическом
поле до температур ,
соответствующих хотя бы
местной потере
электроизоляционных
свойств, связанной с
чрезмерным возрастанием
сквозной
электропроводности или
диэлектрических потерь
Электрический
пробой
Является чисто
электронным процессом, в
котором основную роль
играет ударная ионизация
.Имеет место в тех случаях,
когда исключено влияние
электропроводности и
диэлектрических потерь,
обусловливающих нагрев
диэлектрика .Пробивная
напряженность является
воспроизводимой
характеристикой
электрической прочности
самого вещества.

55. Значения электрической прочности некоторых твёрдых диэлектриков в однородном поле при частоте 50 Гц

ЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ
НЕКОТОРЫХ ТВЁРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ В
ОДНОРОДНОМ ПОЛЕ ПРИ ЧАСТОТЕ
Материал
- Стекло
- Каменная соль
- Слюда
- Пропитанная бумага
- Органические плёнки
(полистирол, триацетат целлюлозы)
50 ГЦ
Епр.действ, МВ/м Особенности структуры
100-300
100-150
100-300
100-300
90-120
Однородные плотные
диэлектрики и слоистые,
если поле
перпендикулярно слоям
- Керамика
- Микалекс
- Пластические массы с
наполнителем
(фенолформальдегидные,
аминопласты)
10-30
10-15
10-15
Неоднородные по
структуре диэлектрики с
защитными или
сообщающимися между
собой капиллярами
- Мрамор
- Пористая керамика
- Дерево
- Непропитанная кабельная бумага
4-5
1,5-2,5
4-6
7-10
Диэлектрики с
открытыми крупными
порами

56. Тепловой пробой

ТЕПЛОВОЙ ПРОБОЙ
Электротепловой (сокращённо тепловой) пробой сводится к
разогреву материала в электрическом поле до температур,
соответствующих хотя бы местной потере им электроизоляционных
свойств, связанной с чрезмерным возрастанием сквозной
электропроводности или диэлектрических потерь.
Если считать, что всё изменение температуры происходит вне
диэлектрика, то рабочее напряжение можно найти, приравняв
тепловыделение количеству тепла, отводимого при заданной
температуре с поверхности изолятора:
U 2 Ctg S (t раб t0 ),
где U – напряжение, В;
- реактивная мощность, В*А;
U Ctg
2
- угловая частота, с-1; С – ёмкость изолятора, Ф;
- тангенс
tg
угла потерь при рабочей температуре; - коэффициент теплоотдачи,
Вт/(м2*К); S – поверхность изолятора,
м2; tраб и t0 – температуры
поверхности изолятора и окружающей среды, К.

57.

По кривой 1 можно рассчитать допустимое рабочее
напряжение:
U раб
где
S (t1 t0 )
,
Ctg 1
tg 1 соответствует t1 раб t1.
По кривой 2 может быть рассчитано пробивное
напряжение изолятора. В данном случае критическая
температура совпадает с рабочей и напряжение на
изоляторе должно рассматриваться как критическое,
т.е. пробивное:
U пр
S (t2 t0 )
,
Ctg 2
где значение tg 2 соответствует критической
температуре t 2 кр t 2 .
Кривые зависимости Ра (1 и 2) от
Для плоского конденсатора при толщине диэлектрика температуры при разном
h и отводе тепла через электроды, температуру
приложенном к изолятору
которых принимаем равной t0, находим (в
напряжении (U1<U2) и прямая
киловольтах)
теплоотдачи (3).
h
h
U пр
Ctg 0 tg e
115
f tg 0 tg

58. Сравнительные характеристики электрического и теплового пробоя

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И ТЕПЛОВОГО ПРОБОЯ
Электрический пробой
Малое время развития пробоя
Малая зависимость
электрической прочности от
частоты приложенного
напряжения
Малая зависимость
электрической прочности от
температуры
Сравнительно маловыраженная
зависимость эл. прочности
отразмеров диэлектрика и
электродов
Электрический пробой
возникает у краев электродов
,в области наибольшего
сгущения линий электрического
поля
Тепловой пробой
Электрическая прочность зависит
от частоты ,уменьшаясь с ростом
частоты
Электрическая прочность зависит
от температуры, уменьшаясь с её
ростом
Электрическая прочность зависит
от времени приложения
напряжения
Электрическая прочность
определяется коффициентом
теплопроводности,
коэффициентом потерь, и
температурным коэффициентом
потерь
При тепловом пробое велика
вероятность у средней части
электродов, где наиболее
трудные условия охлаждения

59. Электрохимический пробой

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ
Этот вид пробоя обусловлен медленными
изменениями химического состава и структуры
диэлектрика , которые развиваются под
действием электрического поля или разрядов в
окружающей среде.
Этот вид пробоя имеет большое значение при
повышенных температурах и высокой
влажности

60. Функции диэлектриков в РЭА

ФУНКЦИИ ДИЭЛЕКТРИКОВ В РЭА
Полупроводниковые
ИС
ГИС и
микросборки
Радиоэлектронные
функциональные узлы
Подзатворный
диэлектрик МОП
транзистора ,а)
Подложки,г)
Монтажнокоммутационные
основания – платы
Защита p-n-переходов,б)
Диэлектрические
слои
конденсаторов,г)
Межэлементная
изоляция,б)
-
Элементы конструкций
дискретных компонентов и
приборов
Изоляция пересечения
проводников,в)
-
Изоляция кабелей и
проводов
Герметизирующие
покрытия
-
Детали корпусов
-

61. Подзатворный диэлектрик МОП транзистора , а)

ПОДЗАТВОРНЫЙ ДИЭЛЕКТРИК МОП ТРАНЗИСТОРА ,
А)
И – исток, З – затвор, С – сток.

62. Защита p-n-переходов,б)

ЗАЩИТА P-NПЕРЕХОДОВ,Б)
К – коллектор, Э – эмиттер, Б - база

63. Межэлементная изоляция,в)

МЕЖЭЛЕМЕНТНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ,В)

64. Подложки,г)

ПОДЛОЖКИ,Г)

65. Химический состав и свойства оксидных стёкол

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СВОЙСТВА ОКСИДНЫХ СТЁКОЛ
Оксиды, входящие в состав стекла
Повышают
параметр
Снижают параметр
Механические
Модуль упругости
Твёрдость
Плотность
Газонепроницаемость
Al2O3
SiO2
BaO, ZnO, PbO
SiO2
B2O3, PbO
PbO, Na2O
SiO2, B2O3
Al2O3
Теплофизические
Нагревостойкость
Стойкость к теплосменам
Теплопроводность
ТКЛР
Химическая стойкость
SiO2, Al2O3
SiO2, B2O3
SiO2, B2O3, Al2O3
Na2O
SiO2, ZnO, Al2O3
PbO, Na2O
SiO2, B2O3, TiO2
Na2O, P2O5, B2O3
Электрические
ТК-100
Диэлектрическая
проницаемость
tg
Епр
ТК
SiO2, PbO, B2O3
TiO2, PbO, B2O3,HfO2
SiO2, Al2O3, Y2O
Al2O3, YI2O
Na2O
Na2O
SiO2
Bi2O3, HfO2, Na2O
SiO2, La2O3
SiO2, B2O3

66. Технические марки стёкол

ТЕХНИЧЕСКИЕ МАРКИ СТЁКОЛ
Изоляторное
Щелочно
е
Малощелочное
Al2O3
TiO2
PbO
Na2O
CaO
С38,С39,
С40
С47,С48,
С49
С87,С88,
С89
Y2O3
Электровакуумно
е группы:
-Вольфрамовая
-Молибденовая
- Платиновая
B2O3
Марк
а
SiO2
Назначение
Процентное содержание
75
18
-
3
-
-
3
-
68
20
70
2
70
63
-
Бесщелочное
54
10
Герметизирующее
А-5
П-65
24
7
8
18
85
15
Конденсаторное
Боросиликатное
Иттрийборосиликатное
Алюмоси
ликатное
9
14
Оптическое
60
Низкий ТКЛР
8
17
15
Для
стеклотканей
Флинт
ы,
320
5,5
Используемые свойства
6
Механическая прочность и
химическая стойкость
14
65
65
Низкая температура
размягчения
77
Беспористость
13
10
Малый показатель
преломления, бессвильность,

67.

Наименование
параметра
Значение параметра
Стекло С521
Стеклокерамик
а
Ситалл ПГБ30
0,3…0,5
0,4…0,6
1,1…1,2
52
60
58
49
10
10
Электрическая прочность,
МВ/м
6
-
5
Температура начала
деформации, К
850
850
1000
Нагревостойкость, К
450
600
700
Прочность, МПа
ТКЛР,

68. Виды и применение керамики

ВИДЫ И ПРИМЕНЕНИЕ КЕРАМИКИ
Виды Керамики
Грубая
Строительная
Тонкая
Огнеупорная
Установочная
Детали ЭВП,
Компоненты
Плотная
(фарфор)
Конденсаторная (TiO2)
Пьезо
(ТБ)
Подложки,
ГИС
Пористая
(фаянс)
Вакуумплотная
(поликор), ГИС
СВЧ

69. Слоистые пластики – материалы диэлектрических оснований печатных плат

СЛОИСТЫЕ ПЛАСТИКИ – МАТЕРИАЛЫ
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОСНОВАНИЙ ПЕЧАТНЫХ
ПЛАТ
Печатные платы (ПП) являются типовыми несущими
конструкциями современной РФА и ЭВА. Печатная плата
представляет собой слоистую структуру, в состав которой входит
диэлектрическое основание и печатные проводники (медная
фольга). Основания ПП изготавливают из слоистых пластиков композиций, состоящих из волокнистого листового наполнения –
бумаги, ткани, стеклоткани, пропитанных и склеенных между
собой различными полимерными связующими. Слоистые
пластики отличаются от других материалов тем, что
применяемый наполнитель располагается параллельными
слоями. Такая структура обеспечивает Высокие механические
характеристики, а использование полимерных связующих –
достаточно высокое удельное электрическое сопротивление,
электрическую прочность и малое значение tg .

70. Типы слоистых пластиков

ТИПЫ СЛОИСТЫХ ПЛАСТИКОВ
Наименовани
е слоистого
пластика
Наполнитель
Связующее
Гетинакс
Пропиточная бумага
толщиной 0,1 мм
Фенолформальдегидная
смола (ФФС)
Текстолит
Хлопчатобумажная и
синтетическая ткани
(Саржа, бязь, шифон,
бельтинг, лавсан)
ФФС
Стеклотекстоли
т
Стеклоткани из
бесщелочного
алюмоборосиликатного
стекла
Совмещённая эпоксидная и
ФФС. Совмещённая
эпоксикремнийорганическа
я смола

71. Качество печатных плат характеризуется следующими свойствами

КАЧЕСТВО ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
ХАРАКТЕРИЗУЕТСЯ СЛЕДУЮЩИМИ
СВОЙСТВАМИ
I. Прочность является одним из основных свойств, поскольку печатные
платы выполняют роль не только диэлектрического основания, но и
несущей конструкции. Часто требуется вибропрочность, которой,
особенно при больших размерах плат, стеклотекстолит не обладает.
II. Нагревостойкость фольгированных слоистых пластиков определяется
по отсутствию вздутий, расслаивания и отклеивания фольги,
возникающих при пайке. Критерием является время, в секундах, в
течение которого разрушения не наблюдаются при нагреве от 533 К
(260о). Минимальная нагревостойкость – 5с, у лучших марок – 20с.
III. Стабильность размеров – изменение длины при смене температур в
процессе пайки, когда вся плата перегревается примерно до 393 К (120о) ;
ТКЛР стеклотекстолита при толщине 1,5 мм составляет 8*10-6 К-1, т. е.
отличается от ТКЛР меди более чем в 2 раза, поэтому при больших
размерах плат возможен обрыв или отслоение фольги.
IV. Электрическая прочность стеклотекстолита анизотропна: в
продольном направлении она в несколько раз выше, чем в направлении
толщины. Причина этому – анизотропия самого материала и наличие
микротрещин, уменьшающих эффективную толщину, но не длину и
ширину. С увеличением толщины электрическая прочность падает. Так,
для плат толщиной - 0,5 и 10 мм значение Епр соответственно 30 и 10
кВ/мм.

72. Печатные платы на термопластах

ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ НА ТЕРМОПЛАСТАХ
Применение термопластов для изготовления ПП имеет
следующие преимущества:
1) Повышение нагревостойкости до 700 К.
2) Возможность применения в СВЧ-аппаратуре благодаря
малым значениям tg.
3) Упрощение технологии изготовления переходных процессов
отверстий, возможность формовки углублений, монтажных
фланцев. Лучшим материалом для этой цели является
фторопласт, армированный стеклотканью и фольгированный с
двух сторон. Его выпускают в виде листов толщиной 0,5 мм под
маркой фторопласт-4Д армированный, фольгированный (ТУ 605-164-78). Он нагревостоек до Т=520 К, имеет tg =0,0007 при
частоте 1010 Гц и пригоден для СВЧ-техники

73. Магнитные свойства материалов

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
МАТЕРИАЛОВ

74. Общие сведения о магнитных свойствах материалов

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАГНИТНЫХ СВОЙСТВАХ
МАТЕРИАЛОВ
Намагниченность тела J характеризуется
величиной магнитного момента единицы
объёма, равного сумме магнитных моментов
атомов (молекул), отнесённой к этому объёму.
Намагниченность J связана с напряжённостью
магнитного поля H соотношением
J H
а/м
Где - магнитная восприимчивость
материала.

75.

Напряжённость магнитного поля Н имеет ту же
размерность, что и J, поэтому оказывается безразмерной
величиной. Магнитное поле в материале характеризуется
магнитной индукцией
B o ( H J ) тл,
7
где о 4 10 гн / м магнитная постоянная, или
магнитная проницаемость вакуума;
о Н индукция магнитного поля в вакууме;
о J магнитная индукция, обусловленная
намагниченностью материала.

76.

В о ( Н Н ) о (1 ) Н о Н а Н
где - магнитная проницаемость данного
вещества, показывающая, во сколько раз магнитная
индукция в материале отличается от магнитной
индукции в вакууме;
а о абсолютная магнитная
проницаемость.

77.

С изменением напряжённости Н внешнего магнитного
поля суммарная индукция также меняется. На рисунке
приведены типичные зависимостиВ f (H ) для диа-,
пара- и ферромагнетика. Для ферромагнетика, кроме
того, приведена зависимость
. В слабых полях
J f (H )
(при малых Н) В в ферромагнетике быстро возрастает с
ростом Н, вследствие быстрого роста J. В сильных полях
(при больших значениях Н), где J достигает насыщения
J J s(
), В растёт только за счёт увеличения Н.
Зависимость индукции В от
напряжённости Н внешнего
магнитного поля для диамагнетика
(1), парамагнетика (2), и
ферромагнетика (3); кривая 4 –
зависимость намагниченности J
ферромагнетика от напряжённости
поля.

78. Диамагнетизм

ДИАМАГНЕТИЗМ
К диамагнетикам относят материалы, у которых
магнитный момент каждого атома равен нулю. Во
внешнем магнитном поле в атомах диамагнетика
возникают магнитные моменты (так называемые
диамагнитные добавки), направленные против внешнего
поля, из-за чего явление диамагнетизма иногда называют
антимагнетизмом. Образец диамагнитного материала
выталкивается из зазора между полюсами магнита (если
магнитное поле неоднородно). Из-за незначительной
величины диамагнитной добавки, направленной
противоположно внешнему магнитному полю, у
диамагнетиков магнитная восприимчивость является
6
10отрицательным
малым
числом (
).

79. Парамагнетизм

ПАРАМАГНЕТИЗМ
В парамагнетиках (слабомагнитных веществах)
магнитные моменты в атомах отличны от нуля, но в
макрообъёме при отсутствии внешнего магнитного поля
они компенсируют друг друга. Под действием внешнего
поля создаётся преимущественное направление в
расположении элементарных магнитных моментов и тело
оказывается намагниченным в направлении поля. У
парамагнетиков магнитная восприимчивость больше нуля,
но также мала по величине10
( 6 ). 10 3
Для диа- и парамагнетиков при определённой
температуре практически не зависит от напряжённости
поля, а с изменением температуры меняется
несущественно.
Из-за слабого взаимодействия с магнитным полем
диа- и парамагнетики относят к немагнитным
материалам.

80. Ферромагнетизм

ФЕРРОМАГНЕТИЗМ
В ферромагнетиках (веществах, подобных железу),
имеющих особую структуру электронных оболочек атомов
(не все внутренние оболочки заполнены), существуют
сильные поля, которые стремятся расположить магнитные
моменты отдельных атомов в определённом порядке.
Магнитная восприимчивость их значительно больше нуля
и достигает значений 105 – 106. Для них характерна
определённая температура (точка) Кюри, выше которой
они теряют ферромагнитные свойства и становятся
парамагнетиками. Именно эти вещества на практике
относят к магнитным материалам.

81. Ферримагнетики

ФЕРРИМАГНЕТИКИ
Для ряда кристаллических веществ наиболее
устойчивому состоянию отвечает антипараллельное
расположение спинов с некоторым преобладанием одного
направления над другим. Эти материалы называют
ферримагнетиками. Они обладают доменной структурой,
точкой Кюри, к ним применимы все характеристики,
которые были введены для ферромагнитных веществ.
Ферримагнетиками являются сложные оксидные
материалы, получившие в практике название ферритов.

82. Антиферримагнетики

АНТИФЕРРИМАГНЕТИКИ
Это полностью скомпенсированный ферримагнетик.
На рисунке представлены типы атомных магнитных
порядков, соответствующих ферромагнетику,
антиферромагнетику и ферримагнетику
Типы атомных магнитных порядков с направлениями спинов,
соответствующими ферромагнетику (а), антиферромагнетику
(б) и ферримагнетику (в).

83.

Изменение доменной
структуры магнетика в
процессе снятия основной
кривой намагничивания.

84.

Гистерезисные циклы
при различных
предельных значениях
величины
напряжённости внешнего
магнитного поля Н1, Н2,
Н3 .
0,1,2,3 – точки,
лежащие на основной
кривой
намагничивания.

85.

Зонная диаграмма алмаза и графита

86.

Схематическое представление собственной
электропроводности полупроводника

87.

88.

89.

90.

91.

92.

93.

Кристаллическая структура типа
сфалерита

94.

-q
+q
Ga
Ga
P
-q
+q
Ga
-q
+q
Ga
P
+q
P
-q
P
+q
Ga
Схема химических связей в соединениях A
B на примере фосфида галлия I II V

95.

Механизм образования
энергетических зон

96.

Е
2P
2P
2S
2S
1S
1S
а0
Механизм образования
энергетических зон
Х

97.

Компоненты радиоэлектронной
аппаратуры
Активные
приборы
Пассивные
компоненты
Дискретные
Электровакуумные
Монтажные платы
Полупроводниковые

98.

Компоненты радиоэлектронной аппаратуры
Активные приборы
Полупровод
никовые
Дискретные
Интегральн
ые
Диоды
Транзисторы
Оптоэлектро
нные
(транзистор
ы,
солнечные
батареи,
фоторезисто
ры, лазеры,
оптопары)
Электровакуумн
ые
Логические
Линейные
ИС
Матрицы
фотоприемн
иков
и
излучателей
Пассивные
компоненты
Монтажные
платы
Конденсаторы
Резисторы
Трансформато
ры
Пьезопреобраз
ователи
Индикаторы
Несущие
Констукционн
ые

99.

Компоненты радиоэлектронной
аппаратуры
Активные
приборы
Дискретны
е:
Диоды
Транзисторы
Оптоэлектрон
ные
(транзисторы,
солнечные
батареи,
фоторезистор
ы, лазеры,
оптопары
Электровакуумны
е
Пассивные
компоненты:
Полупроводников
ые Интегральные:
Конденсаторы,
Резисторы,
Трансформатор
ы,
Пьезопреобразователи,
Индикаторы,
Монтажные платы
Несущие,
Конструкционные
Логические
,
Линейные
ИС,
Матрицы
Фотоприем
н-иков
и
излучателе
й

100.

Источник
постоянного
тока
Измеритель
напряжения
L
1 2 3 4
Образец
Схема измерения удельного
сопротивления четырехзондовым
методом:
1, 2, 3, 4 - зонды

101.

Измерительны
й блок
Зонд
Образец
А
Схема измерения удельного сопротивления
однозондовым методом (методом движущегося
зонда)

102.

2
1
3
I
Н
4
Датчик Холла

103.

Шток
Затравк
а Кристалл
Нагреватель
Расплав
Тигель
Схема установки для выращивания
монокристаллов по Чохральскому

104.

GaAs
СВЧ /
техника
Оптоэлектроника
Полевые транзисторы с
эффектом шотки
Светоизлучающие
диоды
ИС на ПТШ
Солнечные батареи
Диоды Ганна
Фотоприемные диоды
и гетероструктуры
Туннельные
диоды
Оптопары
Лавинно-пролетные
диоды
Светодиоды для
интегральной оптики
Полупроводниковые
лазеры
Области применения

105.

Кварцевое сырье
Кокс
Восстановление в
электропечи
Технический
кремний
Хлорирование
Производство моносилана
Ректификация
Чистый 2
Н
Низкотемпературная
ректификация
Восстановлени
е
Выращивание по
Чохральскому
Пиролиз
Бестигельная зонная
плавка
Монокристаллы
Резка, шлифовка,
полировка
Пластины
подложки
Производство ИС и
приборов
Упрощенная схема производства полупроводникового