1. Чем обеспечивается проводимость твердых диэлектриков и в каких случаях важно знать их сопротивление изоляции?
Поляризационные процессы смещения любых зарядов в веществе, протекая во времени до момента установления равновесного состояния, обусловливают появление поляризационных токов в диэлектриках, иначе называемых токами смещения. (очень кратковременны)
Токи смещения при различных видах замедленной поляризации, наблюдаемые у многих технических диэлектриков, называют абсорбционными токами или токами абсорбции Iабс
При постоянном напряжении абсорбционные токи, меняя свое направление, проходят только в периоды включения и выключения напряжения. При переменном напряжении они имеют место в течение всего времени нахождения материала в электрическом поле.
Наличие в технических диэлектриках небольшого числа свободных зарядов, а также инжекция их из электродов приводят к возникновению небольших токов сквозной электропроводности, или сквозных токов.
Полная плотность тока в диэлектрике:
Јут = Јабс + Jскв
2. Назовите основные параметры диэлектриков, применяемых в качестве изоляторов между токоведущими элементами структур электронных компонентов, и напишите их определения.
Удельное объемное сопротивление pv численно равно сопротивлению куба с ребром в 1 м, мысленно выделенного из исследуемого материала, если ток проходит через две противоположные грани этого куба, Ом*м.
Удельное поверхностное сопротивление рѕ численно равно сопротивлению квадрата (любых размеров), мысленно выделенного на поверхности материала, если ток проходит через две противоположные стороны этого квадрата, Ом
Тангенс угла диэлектрических потерь (tan δ) характеризует электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящего в электрическом поле
Электрической прочностью называется минимальная напряжённость однородного электрического поля, приводящая к пробою диэлектрика.
3. Как изменяются потери мощности электромагнитных волн с ростом частоты при прохождении через диэлектрик, и с чем это связано?
Потери на электропроводность – уменьшаются
Релаксационные потери (на высоких частотах, для диэлектриков с замедленными видами поляризации) – Максимуму потерь соответствуют такие условия, при которых период изменения поля сравним со временем установления поляризации
Ионизационные потери (на ударную ионизацию) – имеет максимум при резонансной частоте
Резонансные потери – имеет максимум на частоте собственных колебаний осцилляторов (упруго связанных ионов и электронов)
Потери на гистерезис (только для сегнетоэлектриков) – пропорционально
4. Как изменяются потери мощности электромагнитных волн при прохождении через твердый диэлектрик с ростом температуры, и с чем это связано?
Потери на электропроводность – возрастают экспоненциально
Релаксационные потери (на высоких частотах, для диэлектриков с замедленными видами поляризации) – имеет максимум, при котором время релаксации приближается к периоду изменения поля.
Ионизационные потери (на ударную ионизацию) – увеличиваются
Резонансные потери – не зависит, но (наверное?) смещают резонансную частоту
Потери на гистерезис (только для сегнетоэлектриков) – потери высокие до точки кюри, потом исчезает доменная структура и резко уменьшаются потери. При дальнейшем нагревании возрастание потерь связано с потерями на электропроводность или ионно-релаксационную поляризацию.
5. Назовите и охарактеризуйте основные виды поляризации твердых диэлектриков.
Электронная – представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов или ионов под действием электрического поля. В свободном атоме или ионе центр электронного облака, усредненного во времени, совпадает с ядром (электрический момент атома равен нулю). В результате деформации электронных оболочек в каждом атоме (или ионе) индуцируется дипольный момент.
Ионная – возникает при индуцированном смещении упруго связанных ионов на расстояния, существенно меньшие периода кристаллической решетки. Внешнее электрическое поле стремится разделить кристаллическую решетку на катионы и анионы, однако упругие силы химической связи между ионами препятствуют этому разделению.
Ионно-релаксационная – может проявляться только в твердых диэлектриках с ионным характером химической связи. В отличие от упругой ионной поляризации она играет определяющую роль в веществах с явно выраженными нерегулярностями структуры. Основную роль в рассматриваемом механизме поляризации играют слабо связанные ионы, которые при тепловом возбуждении могут срываться с мест закрепления и перемещаться на значительные расстояния, превышающие межатомные промежутки. При упрощенном описании такого процесса полагают, что слабо связанные ионы могут иметь несколько эквивалентных положений равновесия, разделенных потенциальным барьером.
Электронно-релаксационная – может возникать в кристаллических диэлектриках при тепловом возбуждении слабосвязанных электронов. Во многом подобна ионно-релаксационной поляризации. Слабосвязанные электроны, локализованные на примесных ионах или собственных точечных дефектах структуры, тоже могут иметь несколько эквивалентных устойчивых позиций, разделенных потенциальным барьером. Приложение внешнего электрического поля стимулирует однонаправленность электронных переходов, которая и является причиной появления электрического момента в диэлектрике.
Миграционная (при наличии макроскопических неоднородностей структуры) – при воздействии на материал электрического поля происходит направленное перемещение свободных электронов и ионов в пределах каждого проводящего и полупроводящего включения, что приводит к образованию электрического момента в макро-объеме вещества. В этом случае замкнутая фазовая неоднородность с разделенными зарядами становится подобной гигантской поляризованной молекуле.
Резонансная – наблюдается, когда частота электрического поля близка к собственной частоте колебаний упруго связанных ионов или электронов.
Доменная поляризация – наблюдается только в сегнетоэлектриках и связана с перестройкой их доменной структуры под действием электрического поля.
6. Назовите и охарактеризуйте основные виды поляризации жидких диэлектриков.
Электронная
Ионная (у кого химическая связь ионная)
Дипольно-релаксационная – Внешнее электрическое поле вызывает поворот диполей и стимулирует их преимущественную ориентацию в направлении силовых линий.
Резонансная
7. Назовите и охарактеризуйте основные виды поляризации газообразных диэлектриков.
Электронная
Ионная (у кого химическая связь ионная)
Резонансная
8. Какой физический смысл имеет тангенс угла диэлектрических потерь и в каких случаях его необходимо знать?
Тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ) – это показатель, который характеризует потери энергии в диэлектрике при прохождении через него переменного электрического поля. Он определяется как отношение потерь энергии в диэлектрике к энергии, которая хранится в нем. Тангенс δ является мерой эффективности диэлектрика, т.е. чем меньше значение тангенса δ, тем более эффективным является диэлектрик
Углом диэлектрических потерь δ называется угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз ф между током и напряжением в емкостной цепи.
9. Что такое диэлектрическая проницаемость диэлектрика и на какие параметры она оказывает влияние?
Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью эпс.
Эпс = E/E0 (E – напряженность в диэлектриком, Е0 – в вакууме)
Эпс = С/С0 (С – емкость с диэлектриком, С0 – емкость с воздухом)
10. Что такое пробивное напряжение и от чего оно зависит?
Минимальное приложенное к диэлектрику напряжение, приводящее к его пробою, называется пробивным напряжением Uпр.
Предпробойное состояние диэлектрика характеризуется резким возрастанием тока, отступлением от закона Ома в сторону увеличения проводимости. Формально за пробивное принимают такое напряжение, при котором dI/dU= ∞
Значение пробивного напряжения зависит от толщины диэлектрика һ и формы электрического поля, обусловленной конфигурацией электродов и самого диэлектрика. Поэтому оно характеризует не столько свойства материала, сколько способность конкретного образца противостоять сильному электрическому полю. Для сравнения свойств различных материалов более удобной характеристикой является электрическая прочность. Электрической прочностью называется минимальная напряженность однородного электрического поля, приводящая к пробою диэлектрика: Епр = Uпр/h.
11. Что такое электрическая прочность диэлектрика и от чего она зависит?