Lek3(t1)

Діелектричні матеріали в РЕА
Ключові слова і фрази: Діелектричні матеріали. Класифікація. Призначення діелектричних матеріалів. Фізичні процеси в діелектрика. Пасивні та активні діелектрики. Діелектрики, які використовуються в РЕА. Неполярні ВЧ полімери. Слабополярні НЧ полімери. Полярні НЧ полімери. Композиційні діелектричні матеріали. Лаки, емалі, компаунди. Діелектричні матеріали для друкованих плат (фольговані гетинакс, склотекстоліт, поліетилен та фторопласт) та ГІС (ситали, сапфір, двоокис кремнію, нітрид кремнію). Радіотехнічна кераміка. Сегнето-, п’єзоелектрики, електрети. Газаподібні, рідкі діелектрики.

Лекція № 3.
Діелектрики
В РЕА використовується велика кількість матеріалів, які мають різне функціональне призначення. Загальну класифікацію матеріалів можна представити графічно в наступному вигляді.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Більшість матеріалів має безпосереднє електротехнічне значення, тобто їх використання в РЕА визначається безпосередньо електричними та магнітними властивостями матеріалу. Крім електротехнічних використовуються конструкційні та спеціальні матеріали. До останніх відносять речовини для обезжирювання деталей, змазки та тому подібне.
Діелектрики є найбільш численною групою матеріалів. У техніці до діелектриків відносять речовини, які погано проводять електричний струм. Питомий опір для них складає
· = 107...1018 Ом
·м. Вони бувають природні та синтетичні, органічні та неорганічні, газоподібні, рідкі, рідкі, тверді, аморфні та кристалічні.
Головна властивість діелектрика – це здатність поляризуватися під дією електричного поля.
Поляризація – процес зміщення та впорядкування зв’язаних електричних зарядів під дією зовнішнього електричного поля.
За цією властивістю діелектрики поділяють на:
неполярні;
полярні.
Неполярні діелектрики характеризуються пружним видами деформації. Це такі види:
електронно-пружна;
іонно-пружна;
дипольно-пружна (орієнтаційна).
При електронно-пружній поляризації відбувається деформація електронної хмаринки атома, її зміщення відносно ядра, що призводить до виникнення дипольного моменту.
При іонно-пружній відбувається деформація іонної решітки з виникненням дипольного моменту (це зміщення іонів в кристалічній решітці матеріалу).
При дипольно-пружній відбувається пружне зміщення дипольних молекул. Вона характерна для матеріалів, що мають кристалічну структуру.
Ці види поляризації характерні малими втратами в широкому частотному діапазоні.
В полярних діелектриках крім пружних деформацій існують релаксаційні механізми, при яких поляризація значно запізнюється від прикладеного електричного поля. Така поляризація характеризується більшими затратами енергії.
Розрізняють наступні види релаксаційної поляризації:
дипольно-релаксаційна;
електронно-релаксаційна;
іонно-релаксаційна.
Дипольно-релаксаційна поляризація – це поляризація, при якій під дією зовнішнього електричного поля відбувається орієнтація дипольних молекул або їх радикалів, які знаходяться в тепловому русі.
Цей вид поляризації зв’язаний з переміщенням великих частин матеріалу й відбувається за відносно великий проміжок часу 10-2 ...10-6 с. Він характеризується часом релаксації, під яким розуміють час, на протязі якого після зняття електричного поля поляризація діелектрика зменшується в е раз.
Діелектрична проникність
· характеризує ступінь ослаблення напруженості зовнішнього прикладеного поля внутрішнім полем діелектрика

· = Езовн./(Езовн. - Евнутр.).
Цей вид поляризації суттєво залежить від температури. Він характерний для полярних газів, рідин та твердих діелектриків.
При електро- та іонно-релаксаційних поляризаціях відбувається направлене зміщення надлишкових електронів чи дірок, які збуджені тепловою енергією. Для цих діелектриків
· більше.
Поляризація діелектриків залежить від частоти електричного поля.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Тобто всі діелектрики можна розбити на два класи: неполярні та полярні діелектрики.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
В залежності від зовнішнього впливу, при якому з’являється поляризація, її поділяють на:
- електричну – полярні та неполярні діелектрики;
- механічну – п’єзоелектрики;
- теплову – піроелектрики;
- спонтанну – сегнетоелектрики (відбувається сама без дії зовнішнього впливу в деякому діапазоні температур. Це – позистори з позитивним ТКС);
- залишкова – електрети (довго зберігається після зняття зовнішнього поля).
Технічні діелектрики можна розділити:
- за агрегатним станом:
газоподібні (азот, повітря, елегаз);
рідкі ( синтетичні та мінеральні масла);
тверді (полярні та неполярні - більшість діелектриків).
- за хімічним складом:
органічні (ті, що містять вуглець, смоли, каучуки, парафіни);
неорганічні (скло, слюда, кварц);
кремнійорганічні (полісилікони).
- структурою:
кристалічні (кварц, слюда);
аморфні (скло, смоли);
змішані (кераміка, ситали).
Всі ці діелектрики відносяться до пасивних.
До активних відносяться:
сегнетоелектрики;
піроелектрики;
п’єзоелектрики;
електрети.
Сегнетоелектрики – це матеріали зі спонтанною (самовільною) поляризацією, напрям якої можна змінити зовнішнім електричним полем. В залежності від механізму встановлення спонтанної поляризації розрізняють:
- дипольні сегнетоелектрики (сегнетова сіль, тригліцинсульфат), в яких при температурі нижче температури Кюрі впорядковується орієнтація молекул (перехід типу „безладдя-порядок”. Температура Кюрі характеризує температуру, при якій спонтанна поляризація зникає і діелектрик переходить із сегнетофази в парафазу, при якій спонтанна поляризація відсутня.
- іонні сегнетоелектрики (BaTiO3, HbTiO3) мають специфічну структуру – октаедр, в центрі якого міститься іон Ті чи Nb. Під час переходу через точку Кюрі відбувається зміщення іону, що спричиняє появу дипольного моменту.
Характеризуються високим значенням
· до 103...104, підвищеними значеннями діелектричних втрат, сильною температурною залежність
· та поляризації.
Використовуються для виготовлення нелінійних конденсаторів та позисторів.
Піроелектрики – матеріали зі спонтанною поляризацією, напрямок якої не можна змінити зовнішнім електричним полем. Поляризація проявляється при зміні температури. До них відносять монокристалічні матеріали: ніобат літію, танталат літію, п’єзоелектрична кераміка. Використовуються для виготовлення детекторів теплового випромінювання, перетворювачів теплової енергії та інше.
П’єзоелектрики – матеріали, поляризація яких виникає під дією механічних напруг (прямий п’єзоефект). Зворотній п’єзоефект – це деформація матеріалу під дією електричного поля. П’єзоефект спостерігається в матеріалах з відсутнім центром симетрії. Це монокристали кварцу, ZnO, ZnS, піроелектрики LiNbO3, LiTaO3, поляризовані сегнетоелектрики (сегнетова сіль, титанат барію) та п’єзокераміки. Використовуються для створення п’єзоелектричних резонаторів, пристроїв функціональної електроніки.
Електрети - діелектрики, в яких поляризація зберігається протягом тривалого часу до десятка років. Їх поляризацію проводять в сильному електричному полі в умовах дії нагрівання, освітлення чи радіаційного випромінювання (зумовлюють підвищену електропровідність). Це титановмістні керамічні матеріали або плівки слабо полярних та нейтральних діелектриків (лавсан, фторопласт). Використовують як джерела електричного поля (подібно до магнітів – джерел магнітного поля) в мікрофонах, дозиметрах та інше.
Отже класифікацію діелектриків можна зобразити наступним чином
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Розглянемо класифікацію діелектриків за агрегатним станом.

Газоподібні діелектрики.
Найбільш розповсюдженим газоподібним діелектриком є повітря. Воно заповнює весь простір, проникає в пори, заповнює пустоти, а також розчиняється в рідинах.
Основне призначення газоподібних діелектриків – охолодження різноманітних пристроїв та апаратури.
Вид поляризації в газах – електронна. Це пов’язано з тим, що гази мають малу питому густину. Однак не зважаючи на це вони поділяються на:
неполярні – O2, H2, Cl2;
полярні - CO, HF, H2S.
Гази характеризуються:
достатньо високою теплопровідністю;
високим електричним опором;
високою температурною стабільністю параметрів.
Особливості параметрів:
діелектрична проникність збільшується зі збільшенням розмірів атомів газу;

· зростає з ростом температури;

· падає зі зменшенням тиску газу.
Електропровідність сильно залежить від прикладеної напруги.
Залежність струму провідності від прикладеної напруги має такий вигляд

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Залежність має три виражені ділянки, які характеризуються наступними процесами, що протікають в газах:
іонізація;
рекомбінація іонів;
нейтралізація іонів на електродах.
При малих напругах в газі привалює процес рекомбінації, тобто взаємна нейтралізація різнойменних іонів газу при взаємних ударах.
При досягненні напруги насичення подальше збільшення напруги не визиває збільшення струму. Струм насичення не великий і для більшості газів складає 10-16...10-20 А/см.
На ділянці від напруги насичення до критичної напруги відбувається нейтралізація іонів на електродах, тобто перенесення заряду частинками обох знаків. За рахунок низької густини газів концентрація іонів визначається густиною струму при цих напругах, а зміна напруги не впливає на струм. При досягненні критичної напруги в газі починає діяти ударна іонізація, що призводить до різкого збільшення концентрації іонів, збільшення струму та електричного пробою.
Електрична міцність газів не велика (для природних газів 23 МВ/м) і сильно залежить від тиску, особливо при його низьких значеннях. З зменшенням тиску електрична міцність спочатку зменшується а потім росте, що пов’язано з зменшенням вірогідності зіткнення молекул, яка приводить до іонізації.
Діелектричні втрати в газах дуже малі (tg
· = 10-510-8) і майже не залежать від частоти.
Розглянемо властивості деяких газоподібних діелектриків.
Повітря (
·
· 1) – суміш азоту, кисню з домішками вуглекислого газу та інших. Електрична міцність повітря 3,2 МВ/м. Не токсичне, вибухово та пожаробезпечне. В звичайному стані в своєму складі містить вологу та пил.
Азот (
·
· 1) за характеристиками близький до повітря. Використовується в випадках, коли не допускається присутність кисню. Не токсичний, вибухово та пожаробезпечний.Часто використовується в рідкому стані. Точка кипіння - -196 0С. Використовується в кріогенній техніці.
Водень (
·
· 1) – легкий газ з високою теплоємністю. Використовується для охолодження РЕА. Не окислює інші матеріали, але може утворювати гідриди. Високо проникний. Вибухово та пожаронебезпечний в суміші з киснем. Температура кипіння - -253 0С.
Аргон (
·
· 1) – інертний газ. Використовується для охолодження РЕА та в газорозрядних прилодах.
Елегаз (гексафторид сірки SF6) (
·
· 1) – синтетичний діелектрик з високою нагрівостійкістю (до 800 0С) та електричною міцністю (відношення пробивної напруги газу до пробивної напруги повітря 2,5). Хімічно стійкий, негорючий. Не має запаху. Може довго працювати при +150 0С. В ньому не виникає електрична дуга, тому він використовується для заповнення високовольтних трансформаторів та вимикачів.


·

f

Полярні діелектрики
(пружні та релаксаційні види поляризації)

Неполярні діелектрики (пружні та види поляризації)


Діелектрики

Пасивні (Електроізоляційні на конденсаторні матеріали)

Активні (Керуємі матеріали)

Сегнетоелектрики

Піроелектрики

П’єзоелектрики

Електрети

Полярні

Неполярні

Діелектрики

Неполярні

Полярні

Пружна поляризація:
- Електронна
- Іонна
- Орієнтаційна
Малі втрати в широкому діапазоні частот

Релаксаційна поляризація:
- Електронна
- Іонна
- Дипольна
Великі втрати, залежать від частоти, великий час запізнення.

І

U

Інас

Uнас

Uкрит

Матеріали радіоелектронної апаратури

Електротехнічні матеріали

Конструкційні та спеціальні матеріали

Немагнітні

Магнітні

Діелектричні

Напівпровідникові

Провідникові

Магнітотверді

Магнітом’які




Приложенные файлы

  • doc 18814165
    Размер файла: 78 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий