МиКЭТ Экз билеты (каравашкина ставит автомат, если сдал все лабы, рефераты и был активным)

Электропроводность жидких диэлектриков

Характеризуется ионной электропроводностью.

Собственная ионная электропроводность обусловлена движением ионов, образованных вследствие диссоциации (распад вещества на ионы) основных молекул жидкости. Степень диссоциации тем выше, чем больше диэлектрическая проницаемость жидкой среды.

В неполярных и слабополярных жидкостях электропроводность в основном определяется примесями, так как диссоциация собственных молекул очень мала.

Проводимость сильно зависит от температуры. При нагревании возрастает подвижность ионов вследствие уменьшения вязкости среды, а также увеличивается степень диссоциации молекул.

Электропроводность твёрдых диэлектриков

Электропроводность обусловлена как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием свободных электронов. Ионы двигаются, вырываясь из узлов решётки в результате теплового возмущения. Направленное движение ионов происходит путём перескока по междоузлиями или по вакантным узлам решётки. Концентрация носителей заряда определяется концентрацией дефектов структуры.

Поверхностная электропроводность твёрдых диэлектриков обусловлена наличием влаги, загрязнениями и различными дефектами поверхности.

По характеру взаимодействия с влагой все вещества подразделяются на гидрофобные и гидрофильные материалы.

Гидрофобными называются вещества, поверхность которых не смачивается водой. В эту группу входят неполярные и слабополярные диэлектрики, поверхность которых не

21

заряжена, поэтому её взаимодействие с диполями воды оказывается слабым. Влага собирается в виде разрозненных капель, поэтому не происходит образование сплошной водяной плёнки на поверхности диэлектрика.

Гидрофильными называются материалы с малым углом смачивания. В условиях сильной влажности вода растекается по поверхности гидрофильного диэлектрика, образуя достаточно проводящую плёнку.

14.​ Активные диэлектрики. Классификация, параметры, применение.

Активные диэлектрики – это диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий для создания функциональных элементов.

Поляризация – состояние диэлектрика, характеризуемое наличием электрического момента у любого элемента его объёма. Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля и спонтанную (существует в отсутствие поля)

Характеристикой поляризации служит поляризованность – векторная величина, равная отношению электрического момента dp диэлектрика к его объёму dV

Способность материала поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε=E0/E – во сколько раз ослабляется напряжённость поля внутри диэлектрика E по сравнению с напряженностью в вакууме.

Классификация (по управляющему воздействию):

●​ Сегнетоэлектрики ●​ Пьезоэлектрики ●​ Пироэлектрики ●​ Электреты

●​ Оптически активные ○​ Электрооптические

○​ Магнитооптические ○​ Акустооптические

○​ Нейтральные оптические

22

○​ Термооптические ○​ Излучающие

Сегнетоэлектрики – это вещества, обладающие в определённом диапазоне температур и в отсутствие внешних электрических полей спонтанной поляризацией, т.е. дипольным моментом. Направление поляризации может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.

Изменение структуры неполярной (параэлектрической) фазы, приводящее её в полярную фазу, может происходить либо за счёт смещения ионов (фазовый переход типа смещение), либо за счёт упорядочения некоторых ионных групп (фазовый переход типа

порядок-беспорядок)

Домены – области структуры, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией. Направления электрических моментов у разных доменов различны, поэтому суммарная поляризованность образца может быть равна нулю.

Из-за наличия остаточной поляризации и переориентации доменов зависимость поляризации от направления поля имеет вид петли гистерезиса. Остаточную поляризацию можно свести к нулю, если приложить сильное поле с обратным знаком (коэрцитивное поле, коэрцитивная сила)

23

Для характеристики свойств нелинейного элемента используют понятия

дифференциальной, эффективной, реверсивной (характеризует изменение поляризации в переменном поле), начальной и других диэлектрических проницаемостей.

При нагревании сегнетоэлектрика выше некоторой температуры, точки Кюри, происходит фазовый переход из сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое.

При переходе в параэлектрическое состояние резко уменьшается δ, поскольку исчезают потери на гистерезис.

Антисегнетоэлектрики – диэлектрики с взаимно противоположной ориентацией доменов. В отсутствие поля остаточной поляризации нет из-за компенсации дипольных моментов

24

Пьезоэлектрики – вещества, в которых при приложении механических напряжений возникает поляризация, даже в отсутствие электрического поля (прямой пьезоэффект)

Обратный пьезоэффект заключается в возникновении механических деформаций под действием приложенного электрического поля

Пьезоэлектрическая константа – коэффициент пропорциональности между электрическими и механическими параметрами

Эффект электрострикции – деформация, пропорциональная квадратичной степени поля (проявляется в сильных полях)

Пироэлектрики – диэлектрики, которые обладают сильным пироэлектрическим эффектом.

Пироэлектрическим эффектом называется изменение спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры.

Сегнетоэлектрики проявляют пироэлектрические свойства только в монодоменизированном состоянии. В полидоменном образце суммарная поляризованность равна нулю, и поэтому пироэффект отсутствует.

Электрооптические материалы – материалы, у которых оптические свойства существенно изменяются под действием электрического поля (в частности, показателя преломления)

25

Акустооптические материалы. Акустооптическим эффектом называется явление дифракции, отражения или рассеяния света на локальных неоднородностях упругой среды, возникающих при прохождении через неё акустической (звуковой) волны.

Магнитооптические материалы – материалы, оптические свойства которых можно существенно изменять с помощью магнитного поля. Например, эффект Фарадея – вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света при его распространении в намагниченной среде.

Твердотельный лазер – лазер, в котором активной средой служит кристаллический или аморфный диэлектрик, равномерно легированный активными ионами, называемыми активаторами люминесценции. Все процессы излучения и поглощения света связаны с переходами электронов между уровнями активных ионов, при этом диэлектрическая матрица (должна быть оптически прозрачна как для излучения накачки, так и для излучения ионов) играет пассивную роль.

Электреты – это диэлектрики, длительное время сохраняющие электризованное состояние после окончания внешнего воздействия, вызвавшего электризацию.

15.​ Пассивные диэлектрики. Классификация, параметры, применение.

26

удельное сопротивление >10^8 Ом*м Поляризация – состояние диэлектрика, характеризуемое наличием электрического

момента у любого элемента его объёма. Различают поляризацию, возникающую под действием внешнего электрического поля и спонтанную (существует в отсутствие поля)

Характеристикой поляризации служит поляризованность – векторная величина, равная отношению электрического момента dp диэлектрика к его объёму dV

Способность материала поляризоваться в электрическом поле характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε=E0/E – во сколько раз ослабляется напряжённость поля внутри диэлектрика E по сравнению с напряженностью в вакууме.

Пассивные (электроизоляционные и конденсаторные) диэлектрики характеризуются отсутствием зависимости относительной диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля

Классификация: ●​ Линейные

●​ Композиционные порошковые пластмассы ●​ Слоистые пластинки и лакоткани ●​ Компаунды, лаки, заливочные материалы ●​ Эластомеры ●​ Волокнистые материалы ●​ Стекла

●​ Стеклокерамика ●​ Керамика ●​ Монокристаллы

●​ Тонкие пленки Используются как изоляционные материалы (корпусы, оплётки и тд); тонкие

плёнки широко применяются для создания плёночных конденсаторов и МДП-структур, в качестве изоляции элементов интегральных схем

Широко используются аморфные диэлектрики. Их свойства не зависят от состояния границ между зёрнами, и, в сравнении с кристаллическими, менее чувствительны к примесям

27

16.​ Поляризация диэлектриков. Виды и особенности.

Поляризация – состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического момента у любого элемента его объёма. Может быть вызвана электрическим полем, оптическим излучением, изменением температуры, деформацией

Диэлектрическая проницаемость ε характеризует способность поляризоваться в электрическом поле

Виды (механизмы) поляризации:

●​ Электронная (любые диэлектрики) 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 (для диэлектриков с ионной связью) – 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.

28

●​ Дипольно-релаксационная (Жидкости) – внешнее электрическое поле вызывает поворот диполей и стимулирует их преимущественную ориентацию в направлении силовых линий.

●​ Ионно-релаксационная (Твёрдые) – 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 (твёрдые) – 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

29

стимулирует однонаправленность электронных переходов, которая и является причиной появления электрического момента в диэлектрике.

●​ Миграционная (твёрдые 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 (любые диэлектрики) – наблюдается, когда частота электрического поля близка к собственной частоте колебаний упруго связанных ионов или электронов. По мере приближения к резонансной частоте резко возрастает поглощение электромагнитной энергии. [БОЛЬШЕ В УЧЕБНИКЕ НИЧЕГО ЛОЛ]

●​ Доменная – наблюдается только в сегнетоэлектриках и связана с перестройкой их доменной структуры под действием электрического поля. Особенностью является существование температурного порога (точка Кюри) и наличие диэлектрического гистерезиса.

30