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

17.​ Диэлектрические потери. Способы оценки и причины возникновения.

Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.

Для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь, а также тангенс этого угла

Углом диэлектрических потерь δ называется угол, дополняющий до 90 градусов угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи.

ε δ = ε'' – коэффициент диэлектрических потерь ε͠= ε' − ε'' – комплексная диэлектрическая проницаемость

31

Виды диэлектрических потерь:

●​ Потери на электропроводность​

Обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объёмную или поверхностную.

●​ Релаксационные потери​

Характерны для диэлектриков с замедленными видами поляризации и проявляются в области высоких частот, когда сказывается отставание поляризации от изменения поля

●​ Ионизационные потери​

Свойственны газообразным веществам и твердым диэлектрикам, содержащим газовые включения (поры). При высоких напряжённостях в газообразной среде развиваются процессы ударной ионизации. Ионизация газа связана с поглощением энергии поля, вследствие чего δ резко возрастает.

●​ Резонансные потери​

Связаны с резонансной поляризацией и проявляются , когда частота поля совпадает с собственной частотой колебаний осцилляторов (упруго связанных ионов или электронов)

●​ Потери на гистерезис​

Характерны только для сегнетоэлектриков и обусловлены присущей им доменной поляризацией.

18.​ Электрическая прочность и пробой диэлектриков.

Явление образования проводящего канала в диэлектрике под воздействием электрического поля называется пробоем.

Пробивное напряжение – это минимальное напряжение, приводящее к пробою. Оно зависит от толщины диэлектрика и формы электрического поля.

Электрическая прочность – это минимальная напряжённость однородного электрического поля, приводящая к пробою.

Газообразные диэлектрики после снятия напряжения восстанавливают свою электрическую прочность. Жидкие, как правило, тоже, но часто восстановление неполное.

32

Пробой газов ●​ Лавинный пробой

Большую роль играет ионная бомбардировка катода, приводящая к выбиванию вторичных электронов (ионная ударная ионизация). Вновь рождаемые электроны, ускоряясь полем, образуют новые, более интенсивные лавины. Последовательное наложение нескольких электронных и ионных лавин сопровождается нарастанием тока и приводит к насыщению межэлектродного пространства – газ переходит в проводящее состояние. Для этого процесса должно быть мало общее число молекул в разрядном промежутке.

●​ Лавинно-стримерный пробой

Стример – область скопления заряженных частиц, которая по степени ионизации существенно превосходит прилегающие области межэлектродного пространства

Часть электронов, ускоренных полем, при столкновении с молекулами газа не ионизируют их, а переводят в возбуждённое состояние. В следующий момент времени такая возбуждённая частица, возвращается в основное состояние, испуская фотон. Фотоны высокой энергии легко поглощаются другими атомами или молекулами. Фотопоглощение сопровождается ионизацией частиц. В результате возникают новые электроны и обусловленные ими новые очаги ионизации.

Отдельные лавины нагоняют друг друга и сливаются в сплошной канал ионизированного газа

●​ В случае очень высокого вакуума пробой объясняется холодной эмиссией электронов с катода

●​ В неоднородном поле главной особенностью пробоя газа является возникновение частичного разряда – короны. Она возникает в местах максимальной

33

неоднородности поля, где его значение достигает критических значений (вблизи острия или острой кромки электрода)

●​ Лазерный (оптический) пробой происходит под действием мощного лазерного излучения. Происходит сложение энергий фотонов, и в результате многофотонного поглощения некоторые из молекул газа ионизируются – возникают первичные электроны. Под действием сильного электрического поля световой волны электроны ускоряются и при столкновениях с молекулами газа производят их ударную ионизацию.

Пробой жидких диэлектриков

Электрическая прочность жидкостей в значительной мере зависит от их чистоты. Пробой тщательно очищенных жидкостей обусловлен процессами ударной

ионизации. Начальные электроны, образующие лавину, возникают вследствие их инжекции с катода.

Если в жидкости присутствуют твердые достаточно проводящие микровключения, то под действием поля они поляризуются, притягиваются друг к другу и образуют “мостики”, замыкающие электроды. По этим мостикам проходит электрический разряд.

Схожий процесс происходит с растворёнными в неполярной жидкости капелек полярных жидкостей. В сильном поле они теряют сферическую форму, вытягиваются в микродиполи и, взаимодействуя между собой, формируют межэлектродные мостики с повышенной проводимостью.

При повышении температуры сплошной канал могут образовывать образовавшиеся

газовые пузырьки при их слиянии.

Пробой твёрдых диэлектриков Электрический пробой. Основную роль играет ударная ионизация. Начальные

электроны появляются в результате инжекции с электродов или вследствие стимулированного полем освобождения носителей заряда с ловушек.

Тепловой пробой. Диэлектрические потери вызывают разогрев материала. Если количество тепловой энергии, выделяющийся в диэлектрике за счёт потерь, превышает

34

количество отводимого тепла, то начинается прогрессирующий разогрев изолятора вплоть до полной потери им электрической прочности.

Электрохимический пробой. Обусловлен химическими реакциями, протекающими под действием электрического поля в объёме и на поверхности диэлектрика и приводящими к необратимому ухудшению его свойств (электрическое старение материала).

Одной из фундаментальных причин является ионная электропроводность, которая связана с переносом массы, приводящая к постепенному изменению химического состава вещества.

Поверхностный пробой. Электрическая прочность диэлектрика не нарушается; наблюдается явление пробоя жидкости/газа вблизи поверхности твёрдого диэлектрика.

19.​ Пьезопреобразователи энергии электрических сигналов.

см вопрос 14

20.​ Сегнетоэлектрики.

см. вопрос 14

21.​ Диэлектрические среды для генерации когерентного излучения и преобразования частоты.

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 играет пассивную роль.

35

Рабочее тело, как правило, изготавливают в виде цилиндрического стержня, торцевые поверхности которого обрабатывают с высокой степенью гладкости. Параллельность торцов выдерживают с точностью нескольких угловых секунд. Для возбуждения активных ионов применяют оптическую накачку с помощью мощных газоразрядных ламп.

Вещество основы должно соответствовать требованиям:

●​ Матрица должна быть оптически прозрачной как для излучения накачки, так и для активных ионов, вводимых в матрицу

●​ Вещество должно обладать высокой теплопроводностью, чтобы эффективно рассеивать энергию, выделяющуюся при безызлучательных переходах

●​ Матрица должна быть оптически однородной, чтобы избежать паразитных поглощений и рессеяний энергии

●​ Высокая нагревостойкость и механическая прочность ●​ Устойчивость к действию излучения ламп накачки

Требования к активатору:

36

●​ Ионы активатора должны иметь широкие полосы поглощения и узкие полосы излучения. Чем шире полоса поглощения, чем большая часть излучения накачки используется для возбуждения активных ионов

●​ Активатор должен создавать возбуждённые метастабильные уровни, т.е. уровни с большим временем жизни, на которых можно накопить значительное число электронов

●​ Ионы активатора должны вводиться в матрицу без нарушения её оптической однородности, механической прочности и термостойкости

22.​ Намагниченность и магнитная проницаемость ферромагнетиков. Ферромагнетики в переменных магнитных полях.

К магнитным материалам относятся вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью при температуре магнитного упорядочения

Намагниченность – суммарный магнитный момент единицы объёма Основой магнитных свойств являются внутренние скрытые формы движения

зарядов, представляющие собой элементарные круговые токи, обладающие магнитными моментами

Температура магнитного упорядочения: точка Кюри для ферромагнетиков и

точка Нееля для антиферромагнетиков. Выше этой точки вещества становятся парамагнитными (нарушается упорядоченность в расположении магнитных моментов и связанная с ней доменная структура за счёт тепловых колебаний атомов)

Магнитная проницаемость µ характеризует реакцию среды на воздействия внешнего магнитного поля.

Ферромагнетики – вещества с большой восприимчивостью, зависящей от температуры и поля. Им присуща внутренняя спонтанная магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов.

Важнейшей особенностью ферромагнетиков является способность намагничиваться до насыщения в относительно слабых полях, а также существование магнитного гистерезиса

37

Магнитная анизотропия – зависимость магнитных свойств магнетика от выделенного направления в образце. Мерой является работа намагничивания , необходимая для поворота вектора намагниченности в новое положение из положения лёгкого намагничивания

38

Магнитострикция – изменение размеров и формы магнитных тел при намагничивании

Спонтанная магнитострикция возникает при переходе вещества из парамагнитного в ферромагнитное состояние в процессе охлаждения до температуры ниже точки Кюри.

Линейная (индуцированная) магнитострикция связана с искажениями кристаллической решётки под действием внешнего поля

Антиферромагнетики – вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решётки

Перемагничивание ферромагнетиков в переменных полях сопровождается потерями энергии, вызывающими нагрев материала.

Потери на гистерезис в единице объёма определяются площадью статической петли гистерезиса (т.е. петли, полученной при медленном изменении магнитного потока).

Вихревые токи возникают в проводящей среде под действием ЭДС самоиндукции, пропорциональной скорости изменения магнитного потока.

39

Потери на магнитное последействие обусловлены отставанием магнитной индукции от изменения напряжённости магнитного поля.

23.​ Намагниченность и магнитная проницаемость ферримагнетиков.

см вопрос 22. + Ферриманетики – вещества с магнитными свойствами, обусловленными

нескомпенсированным антиферромагнетизмом

При нагревании ферримагнетика из-за усиливающегося теплового движения ослабляется ориентирующее влияние обменных сил на магнитные моменты катионов, что приводит к уменьшению намагниченности каждой из подрешёток.

У некоторых ферритов разностная намагниченность двух подрешёток может обращаться в нуль при температуре ниже точки Кюри. Таким образом, объясняется появление точки компенсации. При температуре компенсации феррит превращается в антиферромагнетик, а при дальнейшем нагревании вновь появляется отличная от нуля спонтанная намагниченность.

40