Кр4-1

Вопросы к контрольной работе №4 на тему «Диэлектрические материалы»

1)Какими электрофизическими характеристиками

описывается поведение диэлектриков в электрическом поле?

1.Электропроводность у (р)

2.Поляризация є

3.Диэлектрические потери tgd

4.Электрическая прочность Епр

2)Какие вещества относятся к полярным, а какие к неполярным диэлектрикам?

На поведение диэлектрика в электрическом поле существенное влияние оказывает полярность молекул. Если центры тяжести отрицательного и положительного зарядов в молекуле не совпадают, то такая молекула называется полярной молекулой, а диэлектрик –

полярным диэлектриком. Полярные молекулы обладают отличным от нуля собственным электрическим моментом. Собственный электрический момент молекул неполярного диэлектрика равен нулю.

3) Что называется собственным, а что

индуцированным электрическим моментом?

1. Собственный (постоянный) дипольный момент Определение: Это постоянный дипольный момент, который существует у молекул даже в отсутствие внешнего электрического поля.

Причина возникновения: Обусловлен асимметричным

распределением зарядов в молекуле (например, у полярных молекул, таких как H2O, NH3, HCl).

Обозначение: p собpсоб

Поведение во внешнем поле: Внешнее поле лишь ориентирует уже существующие диполи, но не создаёт их.

2. Индуцированный дипольный момент

Определение: Это дипольный момент, который возникает у неполярных молекул (или атомов) под действием внешнего электрического поля.

Причина возникновения: Внешнее поле смещает электронное облако относительно ядра, создавая временную поляризацию (деформационная поляризация).

Обозначение: p индpинд

Зависимость от поля

p инд=αE ,pинд=αE: ,

где αα— поляризуемость молекулы, E E— напряжённость внешнего поля.

4) Описать процесс электронной поляризации в диэлектриках

Электронная поляризация представляет собой смещение центра заряда электронного облака

6)Описать процесс дипольной упругой поляризации в

диэлектриках.

Дипольная упругая поляризация хар-на для твердых диэлектриков — полярных кристаллов.

Вклад дипольной упругой поляризации может обуславливать анизотропию (разные свойства) диэлектрической проницаемости.

Во многих диэлектриках имеются молекулы, которые обладают собственным электрическим моментом P0P0, т.е. представляют собой диполи даже в отсутствии внешнего эл. поля.

7)Дипольно-релаксационная поляризация

•возможна, если межмолекулярные взаимодействия не мешают диполям ориентироваться вдоль поля.

•С увеличением температуры взаимодействие между диполями ослабляется, что должно усиливать дипольно-релаксационную поляризацию. Однако в то же время возрастает энергия хаотического теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние внешнего эл. поля.

•Величина поляризации с увеличением TT вначале возрастает, пока ослабление сил межмолекулярного взаимодействия преобладает над возрастанием интенсивности хаотического теплового движения молекул.

•Когда интенсивность теплового движения молекул будет преобладать (тепловая энергия «разбрасывает» диполи), величина поляризации будет уменьшаться.

•Наблюдается в полярных газах, жидкостях и в некоторых твердых диэлектриках.

•В органических диэлектриках наблюдается ориентация не самой молекулы, а имеющихся в ней полярных радикалов по отношению к молекуле.

Такую поляризацию называют дипольнорадикальной.

•При снятии приложенного E ориентации дипольных моментов p нарушается хаотическим

тепловым движением молекул, и суммарная

поляризованность P спадает с течением времени t:

•P(t)=P0exp (−t/τ)P(t)=P0exp(−t/τ)

•Радикалы - частицы, содержащие один или несколько неспаренных электронов на внешней

электронной оболочке.

8)Описать процесс ионно-релаксационной поляризации в диэлектриках.

Ионно-релаксационная поляризация заключается в смещениях слабосвязанных ионов под действием внешнего электрического поля на расстояния, превышающие амплитуду ангармонических тепловых колебаний. Поляризация заметно усиливается с повышением температуры за счет ослабления сил межионного взаимодействия. При увеличении частоты величина εир снижается за счет инерционности

относительно положительно заряженного ядра

под действием внешнего электрического поля . Смещению противодействует кулоновское притяжение электронов к ядру.

Время установления10электронной−15с поляризации

очень мало (около ), поэтому она практически не зависит от частоты электромагнитного поля вплоть до частот оптических колебаний. Этот вид поляризации не связан с потерей энергии поля, так как упругое изменение конфигурации электронного облака не приводит к рассеянию энергии в виде тепла. Величина ε практически не зависит от температуры. У диэлектриков, обладающих только электронной поляризацией, ε незначительно уменьшается с ростом температуры только в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа поляризованных частиц в единице объема Электроная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков. При увеличении размеров атомов электронная поляризуемость увеличивается, так как ослабевает связь внешних электронных оболочек с ядром атома. Поэтому увеличивается смещение оболочки ℓ и возрастает индуцированный заряд q.

5)Описать процесс ионной упругой поляризации в диэлектриках.

Ионная поляризация заключается в возникновении упругого смещения связанных ионов из положений равновесия на расстояния, не превышающие постоянную кристаллической решетки, при воздействии внешнего электрического поля(рис.11.13). Время установления ионной поляризации 10^-13 с. Поэтому у ионных кристаллов ε начинает зависеть от частоты поля в инфракрасном диапазоне

(10^12-14 Гц).

С повышением температуры поляризованность возрастает, так как за счет тепловой энергии ослабевают силы межионного взаимодействия, тепловое расширение удаляет ионы друг от друга. Ионная поляризация, так же, как и электронная, не связана с потерями энергии и не зависит от частоты, вплоть до частот инфракрасного диапазона. Ионная поляризация характерна для кристаллических диэлектриков ионного строения с плотной упаковкой ионов (NaCl, LiF и т.п.).

процесса переориентации. Этот вид поляризации

связан с потерями энергии. Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в ионных диэлектриках аморфного строения (стекла, керамика и т.д.), а также в неорганических кристаллических диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (рыхлого строения) Ионно-релаксационная поляризация Наблюдается в ионных диэлектриках аморфного строения (стекла, керамика и т.д.), а также в неорганических кристаллических диэлектриках с неплотной упаковкой ионов (рыхлого строения). Заключается в смещениях слабосвязанных ионов под действием внешнего электрического поля на расстояния, превышающие амплитуду ангармонических тепловых колебаний. Поляризация заметно усиливается с повышением температуры за счет ослабления сил межплоского взаимодействия.

9)Описать процесс миграционной (междуслойной,структурной) поляризации в диэл.

При внесении неоднородных материалов в эл. поле, свободные электроны и ионы проводящих и полупроводящих включений начинают перемещаться в пределах каждого включения, образуя поляризованные области на границе раздела сред.

Этот вид поляризации обычно возможен лишь на низких частотах в виде включ-го последовательно с емкостью активного сопротивления.

10)Описать процесс спонтанной поляризации в

диэлектриках.

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация – это вид поляризации возникает под влиянием внутренних процессов в диэлектрике, без внешних воздействий. Диэлектрики, в которых наблюдается спонтанная поляризация относятся к активным диэлектрикам.

Спонтанная поляризация нелинейно зависит от напряженности электрического поля (рис.11.19). При циклическом изменении Е имеет вид характерной замкнутой кривой (петли гистерезиса, рис.11.20). Диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией, получили название сегнетоэлектрики. Особенностью строения сегнетоэлектриков является наличие в них доменной структуры (подобно ферро- и ферримагнетикам).

Следовательно, наложение внешнего электрического поля способствует преимущественной ориентации электрических моментов в направлении поля, что дает эффект очень сильной поляризации. Спонтанная поляризация

керамика и т.д.), а также в неорганических

Возникает без внешних воздействий в активных

диэлектриках в виде доменов. Сегнетоэлектрики: сегнетова соль

NaKC4H4O6 4H2O;

титанат бария BaTiO3; нитрит натрия NaNO2 и т.д.

Наличие доменной структуры приводит к сильной поляризации во внешнем поле:ε>1000

11)Как определить диэлектрическую проницаемость диэлектрика, представляющего собой физическую смесь различных ингредиентов?

12)Виды поляризации диэлектриков.

В зависимости от агрегатного состояния и структуры диэлектриков различают следующие основные виды поляризации: электронную, ионную, ионно-

релаксационную, дипольно-релаксационную, миграционную, самопроизвольную.

Индуцированный, под действием приложенного электрического поля, суммарный электрический заряд обуславливается суммой различных видов поляризации. При этом в одном диэлектрике одновременно могут наблюдаться несколько механизмов поляризации. Гипотетический диэлектрик, обладающий всеми механизмами поляризации, может быть представлен эквивалентной схемой, в которой каждому механизму поляризации соответствует включенная параллельно источнику напряжения U емкость С (рис.11.11). Емкость С0 и заряд Q0 соответствуют геометрической емкости и заряду (между электродами находится вакуум).

13)Перечислите быстрые и медленные виды поляризации. Чем они отличаются?

Электронная и ионная поляризации называются

упругими или быстрыми видами поляризации, в

отличие от медленных или релаксационных видов

(ионно-релаксационную, дипольно-

релаксационную, миграционную,

самопроизвольную.), время установления которых намного больше.

14)В каких диэлектриках наблюдаются быстрые, а в каких – релаксационные виды поляризации?

Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков.Ионная поляризация характерна для

кристаллических диэлектриков ионного строения с плотной упаковкой ионов (NaCl, LiF и т.п.).

Дипольно-релаксационная поляризация проявляется в полярных газах, жидкостях; этот вид поляризации может наблюдаться также и в твердых диэлектриках.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в

ионных диэлектриках аморфного строения (стекла,

кристаллических диэлектриков с неплотной упаковкой

ионов (рыхлого строения).

• Миграционная (структурная) поляризация обусловлена наличием в технических диэлектриках проводящих и полупроводящих включений, слоев с различной проводимостью, а также в композиционных диэлектриках

15)Виды диэлектриков по видам поляризационных процессов.

1. нейтральные и слабополярные твёрдые (парафин, сера, полиэтилен), жидкие (бензол) и газообразные (азот, водород) диэлектрики, способные в основном к электронной поляризацией;

2.полярные органические жидкие, полужидкие и твёрдые вещества (масляно-канифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза), способные к электронной и дипольно-релаксационной поляризации;

3.ионные кристаллы с плотной упаковкой ионов

(кварц, слюда, каменная соль, корунд, рутил, первоскит), способные к электронной и ионной поляризации;

4.неорганические стёкла (фарфор, микалекс), в которых возможна электронная и ионнорелаксационная поляризация;

5.неоднородные диэлектрики, которые, в зависимости от состава, способны к любым видам поляризации.

6.В отдельный класс следует выделить активные

диэлектрики, к которым относятся сегнетоэлектрики, а также пьезоэлектрики, в которых поляризация возникает при приложении механической нагрузки (деформации) и пироэлектрики, в которых возникновение поляризации связано с однородным по всему объёму изменением температуры (нагреванием или охлаждением).

16) Назвать основные типы носителей заряда и механизм электропроводности в газообразных, жидких и твёрдых диэлектриках.

1Электропроводность газов

•Молекула газа должна распасться, чтобы образовались свободные носители заряда — ионы.

•Под действием радиационного воздействия, температуры – ежесекундно появляется 10–30 свободных ионов (чем выше температура, тем больше ионов).

•При поглощении энергии молекула газа теряет электрон и превращается в положительный ион. Высвобождаемый при этом электрон «прилипает» к нейтральной молекуле, образуя отрицательный ион.

•Через определенное время останутся одни ионы «+» и «-», которые рекомбинируют, общее количество

будет const, т.к. между процессами генерации и рекомбинации заряженных частиц устанавливается динамическое равновесие.

2Жидкости: ионы;

3Электропроводность ТВ. ДИЭЛ-В

•Электропроводность диэл-в в отличие от п/п-в чаще всего носит не электронный, а ионный характер. Это связано с тем, что ширина 33 в диэл-х ΔW>>kT (тепловой эн-и) и лишь ничтожное количество эл-в может отрываться от своих атомов за счет теплового движения.

•Ионы же часто оказываются слабо связанными в

узлах решетки, и энергия W, необходимая для их срыва, сравнима с kT.

• Ионная провод-ть оказывается больше электронной за счет значительно большей концентрации свободных ионов (хотя подвижность ионов меньше подвижности эл-в):

17)Виды электропроводности диэлектриков.

Электропроводность диэлектриков В зависимости от типа носителей зарядов в диэл-х могут наблюдаться следующие виды электропроводности:

•электронная – носители зарядов электроны;

•ионная – носители зарядов ионы;

•молоинная – носители зарядов молононы (группы

молекул, переносящие заряд в коллоидах: эмульсии и суспензии).

18)Механизмы собственной и примесной электропроводностей в диэлектриках.

В широком диапазоне температур зависимость логарифма удельной проводимости γ от обратной величины абсолютной температуры T должна состоять из двух прямолинейных участков с различными значениями угла наклона к оси абсцисс (рис. 11.6). При температуре выше точки излома A электропроводность определяется в основном собственными дефектами — это область высокотемпературной, или собственной, электропроводности. Ниже излома, в области низкотемпературной, или приемной электропроводности, зависимость более пологая. В отличие от трудновоспроизводимой низкотемпературной области электропроводности, определяемой в основном природой и концентрацией примесей, значение собственной удельной проводимости не зависит от примесей, хорошо воспроизводится и является физической характеристикой данного соединения.

Температура, при которой наблюдается излом зависимости lnγ=f(1/T), сильно зависит от степени чистоты и совершенства материала. При увеличении содержания примесей и дефектов примесная удельная проводимость растет и оказывается существенной при более высоких температурах (рисунок 11.6)

23)Зависимость электропроводности жидких

диэлектриков, не содержащих примеси, от температуры (объяснить зависимость).

24)Влияет ли увлажнение на элек-сть диэлектриков, если да, то как?

Увлажнение тв. ДИЭЛ-В:

• Присутствие в ДИЭЛ-ке даже малого кол-ва влаги увеличивает эл. проводимость на несколько порядков, т.к. сильно полярные молекулы воды и растворимые в воде примеси легко диссоциируют на ионы.

• Влага способствует так же диссоциации молекул основного вещества – результат – рост концентрации с.н.з. зависим-ьб элпроводности от температуры сух и увлаж диэл 22. Описать вольт-

амперную характеристику газов.

25)Электропроводность газов

• I участок – плотность тока линейно возрастает, т.к. подвижность, число рекомбинирующих ионов (проводимость)

const, справедлив в. Ома.

• II участок – наступает насыщение, плотность тока const, т.к.

все частицы совершают хаотическое тепловое движение, из-за возрастания скорости дрейфа ионов, вероятность их рекомбинации уменьшается, ионы устремятся к электродам.

• III участок – под действием сильной EE происходит разрыв молекул, увеличиваются свободные носити. заряда, вследствие процессов ударной ионизации молекул электронами в сильном эл. поле вплоть до пробоя газового промежутка.

30)Ток утечки в диэлектрике

32)Описать характер изменения электропроводности (проводимости) пористых увлажненных диэлектриков при изменении температуры

Твердые пористые диэлектрики при наличии в них влаги, даже в ничтожных количествах, резко увеличивают свою электропроводность. На участке АВ величина сопротивления снижается за счет изменения степени диссоциации молекул воды и

молекул диэлектрика в водном растворе на ионы. Участок ВС обусловлен процессами сушки, а на участке СD происходит диссоциация

молекул диэлектрика на ионы.

33)Описать характер изменения электропроводности (проводимости) непористого примесного диэлектрика при изменении температуры

См. вопрос №18

34)Зависимость относительной диэл. проницаемости от температуры для неполярных диэлектриков (электронная и ионная поляризации; объяснить приведенную зависимость)

Электронная поляризация – смещение электронных оболочек относительно ядра атома.

εописывает электрические свойства единицы объема вещества;

εнезначительно уменьшается, т.к. происходит термическое расширение вещества, уменьшается число поляризованных частиц в единице объема.

Ионная поляризация – смещение связанных ионов из положений равновесия.

ε увеличивается, т.к. происходит ослабление упругих сил в ионном диэл-ке и увеличивается амплитуда колебаний иона (ионы удаляются друг от друга).

26)Описать вольт-амперную характеристику

изоляции.

Пробивным напряжением Uпр называется минимальное приложенное к образцу диэлектрика напряжение, приводящее к его пробою В момент пробоя ток через диэлектрик резко

возрастает, так что dI/dU→0. В месте пробоя возникает искра или электрическая дуга. Вследствие образования плазменного сильно проводящего канала пробоя между электродами, образец оказывается короткозамкнутым, и напряжение на нем падает несмотря на рост тока (ток КЗ).

27)Зависимость плотности тока j от напряженности Е в газообразных диэлектриках

CM 22

28)Векторная диаграмма токов в диэлектрике конденсатора

дополняющий угол φ до 90 : δ=90 −φ/Угол δ называют углом диэлектрических потерь, а характеристикой материала или конструкции является тангенс угла диэлектрических потерь, который определяется как отноение активной и реактивной составляющих полного тока:

29)Описать характер изменения тока в диэлектрике при подаче на него неизменяющегося во времени напряжения

По сравнению с электропр-ю пр-в и п/п-ов электропрть диэлектриков имеет ряд характерных особенностей. Все диэлектрики под воздействием не изменяющегося во времени напряжения пропускают некоторый, хотя и весьма незначительный ток, называемый током утечки

I=Iv+Iабс+Is

I — ток утечки;

Iv — объемный ток;

Is — поверхностный ток;

Iабс — ток абсорбции — ток, обусловленный

перераспределением объемных зарядов, а также установлением медленных видов поляризации (релаксацию, миграцию);

Iск — скорость ионизации;

Iск=Iv+IsIск=Iv+Is — сквозной ток — не изменяющий.