Диэлектрическая: ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ • Большая российская энциклопедия

Содержание

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ • Большая российская энциклопедия

  • В книжной версии

    Том 9. Москва, 2007, стр. 114-115

  • Скопировать библиографическую ссылку:


Авторы: И. Н. Грознов

ДИЭЛЕКТРИ́ЧЕСКАЯ ПРО­НИ­ЦА́­Е­МОСТЬ, ве­ли­чи­на $ε$ , ха­рак­те­ри­зую­щая по­ля­ри­за­цию ди­элек­три­ков под дей­ст­ви­ем элек­трич. по­ля на­пря­жён­но­стью $\boldsymbol E$. Д. п. вхо­дит в Ку­ло­на за­кон как ве­ли­чи­на, по­ка­зы­ваю­щая, во сколь­ко раз си­ла взаи­мо­дей­ст­вия двух сво­бод­ных за­ря­дов в ди­элек­три­ке мень­ше, чем в ва­куу­ме. Ос­лаб­ле­ние взаи­мо­дей­ст­вия про­ис­хо­дит вслед­ст­вие эк­ра­ни­ро­ва­ния сво­бод­ных за­ря­дов свя­зан­ны­ми, об­ра­зую­щи­ми­ся в ре­зуль­та­те по­ля­ри­за­ции сре­ды. Свя­зан­ные за­ря­ды воз­ни­ка­ют вслед­ст­вие мик­ро­ско­пического про­стран­ст­вен­но­го пе­ре­рас­пре­де­ле­ния за­ря­дов (элек­тро­нов, ионов) в элек­трически ней­траль­ной в це­лом сре­де.

Связь ме­ж­ду век­то­ра­ми по­ля­ри­за­ции $\boldsymbol P$, на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля $\boldsymbol E$ и элек­трич. ин­дук­ции $\boldsymbol D$ в изо­троп­ной сре­де в сис­те­ме еди­ниц СИ име­ет вид: $$\boldsymbol D=ε_0\boldsymbol E+\boldsymbol P=ε_0ε\boldsymbol E,$$где $ε_0$ – элек­три­че­ская по­сто­ян­ная. Вели­чи­на Д. п. $ε$ за­ви­сит от струк­ту­ры и хи­мич. со­ста­ва ве­ще­ст­ва, а так­же от дав­ле­ния, темп-ры и др. внеш­них ус­ло­вий (табл.). Для га­зов её ве­ли­чи­на близ­ка к 1, для жид­ко­стей и твёр­дых тел из­ме­ня­ет­ся от не­сколь­ких еди­ниц до не­сколь­ких де­сят­ков, у сег­не­то­элект­ри­ков мо­жет до­сти­гать 10

4. Та­кой раз­брос зна­че­ний $ε$ обу­слов­лен разл. ме­ха­низ­ма­ми по­ля­ри­за­ции, имею­щи­ми ме­сто в раз­ных ди­элек­три­ках.

Диэлектрическая проницаемость некоторых диэлектриков

Веществоε

 

H(нормальные условия)

CO2 (нормальные условия)

Пары́ H2O (110 °С)

Полиэтилен (20 °С)

NaCl

Спирт этиловый (15 °С)

Лёд (-5 °С)

Вода (20 °С)

CaTiO3

 

 

 

1,00026

1,0029

1,0126

2,3

5,62

26,8

73

81

130

 

 

 

Клас­сич. мик­ро­ско­пич. тео­рия при­во­дит к при­бли­жён­но­му вы­ра­же­нию для Д. п. не­по­ляр­ных ди­элек­три­ков:$$\varepsilon=1+\frac{\sum\limits_in_i\alpha_i}{\sum\limits_in_i\alpha_i\beta_i},$$ где $n_i$ – кон­цен­тра­ция $i$-го сор­та ато­мов, ио­нов или мо­ле­кул, $α_i$ – их по­ля­ри­зуе­мость, $β_i$ – т. н. фак­тор внутр. по­ля, обу­слов­лен­ный осо­бен­но­стя­ми струк­ту­ры кри­стал­ла или ве­ще­ст­ва. Для боль­шин­ст­ва ди­элек­три­ков с Д. п., ле­жа­щей в пре­де­лах 2–8, $β=1/3$. Обыч­но Д. п. прак­ти­че­ски не за­ви­сит от ве­ли­чи­ны при­ло­жен­но­го элек­трич. по­ля вплоть до элек­трич. про­боя ди­элек­три­ка. Вы­со­кие зна­че­ния $ε$ не­ко­то­рых ок­си­дов ме­тал­лов и др. со­еди­не­ний обу­слов­ле­ны осо­бен­но­стя­ми их струк­ту­ры, до­пус­каю­щей под дей­ст­ви­ем по­ля $\boldsymbol E$ кол­лек­тив­ное сме­ще­ние под­ре­шё­ток по­ло­жи­тель­ных и от­ри­цатель­ных ио­нов в про­ти­во­по­лож­ных на­прав­ле­ни­ях и об­ра­зо­ва­ние зна­чи­тель­ных свя­зан­ных за­ря­дов на гра­ни­це кри­стал­ла.

Про­цесс по­ля­ри­за­ции ди­элек­три­ка при на­ло­же­нии элек­трич. по­ля раз­ви­ва­ет­ся не мгно­вен­но, а в те­че­ние не­ко­то­ро­го вре­ме­ни τ (вре­ме­ни ре­лак­са­ции). Ес­ли по­ле $\boldsymbol E$ из­ме­ня­ет­ся во вре­ме­ни $t$ по гар­мо­нич. за­ко­ну с час­то­той $ω$, то по­ля­ри­за­ция ди­элек­три­ка не ус­пе­ва­ет сле­до­вать за ним и ме­ж­ду ко­ле­ба­ния­ми $\boldsymbol P$ и $\boldsymbol E$ по­яв­ля­ет­ся раз­ность фаз $δ$. При опи­са­нии ко­ле­ба­ний $\boldsymbol P$ и $\boldsymbol E$ ме­то­дом ком­плекс­ных ам­пли­туд Д. п. пред­став­ля­ют ком­плекс­ной ве­ли­чи­ной: $ε=ε′+iε″$, при­чём $ε′$ и $ε″$ за­ви­сят от $ω$ и $τ$, а от­но­ше­ние $ε″/ε′=\mathrm{tg}δ$ оп­ре­де­ля­ет ди­элек­три­че­ские по­те­ри в сре­де. Сдвиг фаз $δ$ за­ви­сит от со­от­но­ше­ния $τ$ и пе­рио­да по­ля $T=2π/ω$. При $τ≪T$ ($ω≪1/τ$, низ­кие час­то­ты) на­прав­ле­ние $\boldsymbol P$ из­ме­ня­ет­ся прак­ти­че­ски од­но­вре­мен­но с $\boldsymbol E$, т. е. $δ→ 0$ (ме­ха­низм по­ля­ри­за­ции «вклю­чён»). Со­от­вет­ст­вую­щее зна­че­ние $ε′$ обо­зна­ча­ют $ε_{(0)}$. При $τ≫T$ (вы­со­кие час­то­ты) по­ля­ри­за­ция не ус­пе­ва­ет за из­ме­нени­ем $Е, δ→π$ и $ε′$ в этом слу­чае обо­зна­ча­ют $ε_{(∞)}$ (ме­ха­низм по­ля­ри­за­ции «от­клю­чён»). Оче­вид­но, что $ε_{(0)}>ε_{(∞)}$, и в пе­ре­мен­ных по­лях Д. п. ока­зы­ва­ет­ся функ­ци­ей $ω$. Вбли­зи $ω=1/τ$ про­ис­хо­дит из­ме­не­ние $ε$′ от $ε_{(0)}$ до $ε_{(∞)}$ (об­ласть дис­пер­сии), а за­ви­си­мость $\mathrm{tg}δ(ω)$ про­хо­дит че­рез мак­си­мум.8$ Гц ле­жит про­цесс за­ряд­ки и раз­ряд­ки из­ме­ри­тель­но­го кон­ден­са­то­ра, за­пол­нен­но­го ис­сле­дуе­мым ди­элек­три­ком. При бо­лее вы­со­ких час­то­тах ис­поль­зу­ют­ся вол­но­вод­ные, ре­зо­нанс­ные, муль­ти­ча­стот­ные и др. ме­то­ды.

В не­ко­то­рых ди­элек­три­ках, напр. сег­не­то­элек­три­ках, про­пор­цио­наль­ная за­ви­си­мость ме­ж­ду $\boldsymbol P$ и $\boldsymbol E [\boldsymbol P=ε_0(ε- 1)\boldsymbol E]$ и, сле­до­ва­тель­но, ме­ж­ду $\boldsymbol D$ и $\boldsymbol E$ на­ру­ша­ет­ся уже в обыч­ных, дос­ти­гае­мых на прак­ти­ке элек­трич. по­лях. Фор­маль­но это опи­сы­ва­ет­ся как за­ви­си­мость $ε(Е)≠\mathrm{const}$. В этом слу­чае важ­ной элек­трич. ха­рак­те­ри­сти­кой ди­элек­три­ка яв­ля­ет­ся диф­фе­рен­ци­аль­ная Д. п.: $$ε_{диф}=dD/(ε_0dE).$$В не­ли­ней­ных ди­элек­три­ках ве­ли­чи­ну $ε_{диф}$ из­ме­ря­ют обыч­но в сла­бых пе­ре­мен­ных по­лях при од­но­вре­мен­ном на­ло­же­нии силь­но­го по­сто­ян­но­го по­ля, а пе­ре­мен­ную со­став­ляю­щую $ε_{диф}$ на­зы­ва­ют ре­вер­сив­ной ди­элек­три­че­ской про­ни­цае­мо­стью.

Диэлектрическая прочность, что это и как измеряется?

Диэлектрическая прочность, что это и как измеряется?

«>

Диэлектрическая Прочность

Согласно Википедии, диэлектрической прочности определяется следующим образом:

Электрическая прочность — характеристика диэлектрика, минимальная напряжённость электрического поля, при которой наступает электрический пробой. Все газы, а также все твёрдые и жидкие диэлектрики обладают конечной электрической прочностью. Когда напряжённость электрического поля превышает электрическую прочность, диэлектрик начинает проводить электрический ток.

В физике термин диэлектрическая прочность имеет следующие значения:
Максимальная электрическая нагрузка на диэлектрический материал, которую может выдержать без пробоя

Касаемо продуктов LPS Laboratories, особенно очистителей для контактов, мы проверяем сколько вольт требуется, чтобы продукт начал проводить электричество. Визуализировать тест на диэлектрическую прочность таким образом: в емкость наливаем очиститель для контактов, один контакт помещаем в жидкость, второй контакт в жидкость на противоположной стороне емкости, между двумя контактами нет прямого контакта, кроме как через жидкость. Постепенно повышаем напряжение до тех пор, пока напряжение не повысит диэлектрическое сопротивление жидкости, цепь замкнется, и лампочка загорится. Количество вольт, при котором цепь замыкается (электричество проходит между двумя контактами погруженными в жидкость) — это и есть диэлектрическая прочность жидкости. (См. диаграмму ниже).

Почему это важно? Если Вы электрик или техник в энергетике, зная напряжение на очищаемом оборудовании, и зная диэлектрическую прочность очистителя можно быть уверенным в безопасности операции. Например: бытовая розетка находится под напряжением 220 вольт. Для ее очистки требуется очиститель с диэлектрической прочностью более 220В. В линейке LPS есть много очистителей для контактов с диэлектрической прочностью от 9000В до более чем 45 000В. А Вы знаете, какой из очистителей контактов имеет диэлектрическую прочность 47,5 кВ (45 000В)?

Диэлектрическая проницаемость различных веществ, в т.ч. основных диэлектриков.

Диэлектрическая проницаемость различных веществ, в т.ч. основных диэлектриков.

Диэлектрик

ε

примечание

Алмаз, С 5,7  
Аммиак Nh4 (жид.)
16,90 22,4
(-33°С)
Анилин C6H7N 6,89  
Анизол C7H8O (метилфениловый эфир) 4,33  
Ацетофенон C8H8O 17,39  
Ацетонитрил C2h4N 38,0  
Бакелит 4,5  
Бальза (дерево) 1,4  
Бензин 2  
Бензол C6H6 2,23 — 2,27 (20°С — 25°С)
Бетон 4,5  
Битум 2,5 — 3  
Бумага 2,0 — 3,5  
Бумага конденсаторная 2,5 — 2,55  
Вода 81 при +20°C
Воздух 1,0001959  
Гексан C6h24 1,89  
Гетинакс 5 — 6  
Гидрат целлюлозы 6,0 (20°С)
Германий, Ge 16 — 16,4  
Дерево 2,04 — 7,3 В зависимости от типа древесины
1,4-Диоксан C4H8O2 2,21  
Каучук 2,4  
Кварц, Si02 3,5 — 4,5  
Керосин 2,1  
Кристаллическая сера 3,75 — 4,45 В соответствии с ориентацией
Kaмeнная соль, NaCl 6,3  
Кремний, Si 11,7  
Керамика конденсаторная 10 — 200 радиотехническая
Лёд, Н20 (водяной лед) 73 при -5°С
Масло Вазелиновое 2 Лампадное
Масло трансформаторное 2,2  
Масло касторовое 4,6 — 4,8  
Метанол Ch5O 32,63 метиловый спирт
Муравьиная кислота Ch3O2 57,0 (20°С) 58,0 (16°С)
Метатитанат бария 2000  
Мрамор 7,0 — 8  
Нитробензол C6H5O2N 34,85 (25°С) 34,82 (30°С)
Нитрометан Ch4O2N 38,6 (25°С) 35,9 (30°С)
Резина мягкая 2,5  
Резина 7,0  
Рутил, Ti02 170 вдоль оптической оси
Сегнетова соль 500  
Серная кислота h3SO4 101  
Сероуглерод CS2 2,64  
Силиконовая резина 2,8  
Скипидар 2,2  
Слюда 5,7 — 11,5  
Соль NaCl 5,9 монокристалл, Кулинарные соли
Стекло оконное = плавленый кварц 3,8  
Стекло 3,8 — 19 В зависимости от типа стекла
Стеклотекстолит 5,5  
Текстолит 7,5  
Тефлон = фторопласт 4 2,1  
Толуол C7H8 2,3 — 2,4  
Трихлорметан (хлороформ) CHCl3 4,81 — 4,64  
Триметилметанол C4h20O 9,3  
Трицианэтилцеллюлоза 13 (20°С )
Титанат бария, ВаТi03 4000 при 20°С перпендикулярно оптической оси
Оргстекло 3,5  
Полиэтилен 2,25 — 2,4  
Парафин 2,0 — 2,3  
Пенополистирол 1,03  
Полиамид 5,0  
Полипропилен 2,3  
Полиуретаны 6,7-7,5 (20°С)
Полистирол 2,4 — 2,6  
Полихлорвинил 2,9 — 3,0  
Плексиглас 3,4 — 3,5  
Шеллак 3,5  
Фанера 4,0  
Фарфор 4,4 — 4,7  
Фторид лития LiF 9 монокристалл
Формамид Ch4ON 110 (20°С)
Хлористый водород HCl 4,97 Газ
Хлорбензол C6H5Cl 5,62  
Хлористый водород HCl 4,97  
Целлулоид 3,0  
Цемент 2,0  
Циклогексан C6h22 2,0  
Эбонит 2,5 — 4,0  
Эпоксидные смолы отвержденные 4,4-4,8 (20°С)
Этанол C2H6O этиловый спирт 25,0 (20°С) 24,30 (25°С)
Эфир 1  
Янтарь 2,6 — 2,8  

(PDF) Диэлектрическая проницаемость биологических объектов

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ

ПРОНИЦАЕМОСТЬ

БИОЛОГИЧЕСКИХ

ОБЪЕКТОВ

639

33.

К. S.

Cole,

Science 79, 164 (1934).

34. D. Ρ ο 1 d e r, J. Η. V a n S a η t e n, Physica

12,

257 (1946).

35.

J. G. Κ i r k w ο ο d, J.

Chem.

Phys.

4, 592 (1936).

36. Η. Ρ a u 1 y, H. P. S с

h

w

a n, Z. Naturforsch. 14b, 125 (1959).

37. H.

Fricke,

J.

Appl.

Phys. 24, 644 (1953).

38.

K.

S с a t с h a r d, J. G.

Kirkwood,

E. I. С о h n, Ann. Rev.

Biochem.

4,

122 (1935).

39. J. Ρ ο 1 ο η s k у, P. D о

u

ζ ο η, С. S a d r ο η,

Compt.

rend.

250, 3414 (1960).

40. P. D о u ζ ο η, J. G. F г a n с q, J. Ρ ο 1 ο η s к у, С. S a d

г

о и,

Compt.

rend.

251,

976 (1960).

41.

J. L. Ο η

cl

е у, J. Am. Chem.

Soc.

60,

1115J(1938).

42. J. D. F e r r y, J. L. Ο η с 1 e у, J. Am. Chem. Soc. 63, 272 (1941).

43.

J.

Wiman,

Chem. Rev. 19, 213 (1936).

44. J. L. Ο η с

1

e у, J. D.

Ferry,

R.Shack,

Ann. N. Y. Acad. Sci.

40,

371 (1940).

45.

J. L. Ο η с 1

e

у, Crystalline Protein Molecules, Ann. N. Y. Acad. Sci. 41,

77 (1941).

46. E. J. С о

h

n, T. S. Ε d sa 1 1, Proteins,

Amino

Acids

and Peptides, New

York,

1943, стр. 460.

47. G. J u η g η e r, I.

lungner

and L. G. A

11

g e n, Nature

(Lond.)

163, 849

(1949); Acta Chem. Scand. 6, 1391 (1952).

48.

B. J а с о b s о n, Nature (Lond.) 172, 666 (1953).

49. B. J а с о Ь s ο η, J. Am. Chem. Soc. 77, 2919 (1955).

50. B. J а с о Ь s ο η, Nature (Lond.)

173,

772 (1954).

51.

J.

Jacob

so

η, Rev. Sci.

Instr.

24, 949 (1953).

52. R. P. A u t y, R. H. С о 1 e, J. Chem. Phys. 20, 1309 (1952).

53.

J. L. Ο η с I e у, Ε. Ε 1 1 e η Ь о g e η, J. Phys. Chem. 56, 85 (1952).

54. L. S. Ρ a 1

m

e r , А. С u η 1 i f f e, Nature (Lond.) 170, 796 (1952).

55.

H. M. D i η t ζ i s, J. L. Ο η с 1 e у,

Proc.

Natl.

Acad. Sci. U. S. 40, 62 (1954).

56. I.

Jungner,»

Acta Physiol. Scand. 20

(Suppl.),

69 (1950).

57. L. G. A

11

g e n, Acta Physiol. Scand. 22 (Suppl.), 76 (1950).

58.

S.

Bishop,

Am. J. Physiol. 89, 618 (1929).

59. Л. А. Б л

ю

м

е н

ф

е л ь д, Биофизика 4, 515 (1959).

60. Л. А. Б л ю

м

е н фе л ъ д, В. А. Б е н д е р»е к и й, А. Э. К а л м а н с о н, Био-

физика

6, 631 (1961).

61.

П. Α. Μ е л ь я

н

о в с к и й, С. А.

Михайяенко,

А. А.

Котенко,

Приб.

и

техн.

эксп.

4, 92 (1961).

62. Л. А.

Блюменфельд,

Изв. АН

СССР,

сер. биолог. 3, 255, 285 (1957).

63.

Т. М. S h a

w,

J. Chem. Phys. 10, 609 (1942).

64. Ε.

Newman,

Electrolytic Conduction, 1931.

65.

E.Warbugr,

Ann. d. Phys. 6, 125 (1901).

66. H. А. А л а д ж а л о в a, Η. Μ. Μ а с л о в, ДАН СССР 115, 407 (1957).

67. G. Η. Η а

г г

i s, Т. G. В и с h а η a

n,

J. В. Η a s t e d, Nature (Lond.) 167, 607

(1951).

68.

Т. G.

Buchanan,

G. H.

Harris,

J. B.

Hasted,

B. J.

Robinson,

Proc.

Roy. Soc. A212, 379 (1952).

69. W. A r η ο 1 d and R. К. С 1 а у t о n, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. 46, 769 (1960).

70. A. S ζ e η t-G у о

г

g i, Nature (Lond.) 148, 157 (1941).

71.

А.

Сент-Дьерди,

Биоэнергетика. М.,

Физматгиз,

1960.

72. Г. П. Μ и χ а й л о в, Т. И. Б о ρ и с о в а,

Усп.

хим. 30, 895 (1961).

73.

М.

Evans,

J. G e r g e 1 у, Biochim. et Biophys. Acta 3, 188 (1949).

74. D. D. Ε 1 e у, G. Ρ a r f i

11,

Trans. Far. Soc. 51, 1529 (1955).

75.

M.H.Cardew

and D. D. Ε 1 e y, Faraday Soc. Disc. 27, 115 (1959).

76. B.

Rosenberg,

Nature (Lond.) 193, 364 (1962).

77. Современные проблемы биофизики, т. 2. Μ., ИЛ, 1961, стр. 58 и след

78.

Е. А. Л и б е ρ м а

н,

Биофизика 6, 177 (1961).

79. К. G.

Sbulman,

W. Μ.

Walsh,

Biochem. and] Biophys. Res.

Comniun.

5,

52 (1961).

80.

R.

G.

Shulman,

W. M.

Walsh,

R. D. Η e i d e η r e i с h, Nature (Lond )

192, 1041 (1961).

V ‘

81.

А. А. А л е к с а н д ρ ο в, В. Ю. Г а в ρ и л о в, А. Г. К и с е л е в,

Ю.

С. Л а-

зуркин,

М. А.

Мокульский,

ДАН СССР 141, 1483 (1961).

82. W. А г η о 1 d, Η.

R.

Sherwood, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. 43, 105 (1957).

83.

A. S ζ e η t-G у о

г

g у i, Introduction to a Submolecular

Biology,

Acad. Press,

New

York,

1960.

84. G.

Jones

and S. M.

Christian,

J. Am. Chem. Soc. 57, 272 (1935)

85.

B.

Rosenberg,

J. Chem. Phys. 36, 816(1962).

86. S.

Takashima,

J. Polymer. Sci. 56, 257 (1962).

Особенности измерения диэлектрической проницаемости тонких пленок МДП-структур

%PDF-1.5 % 1 0 obj > endobj 5 0 obj /Author /Creator () /Subject /Keywords (http://sjs.tpu.ru) /Producer (PDF-XChange \(PDFTools4.exe v4.0.0186.0000\) \(Windows\)) >> endobj 2 0 obj > endobj 3 0 obj > endobj 4 0 obj > stream

  • Особенности измерения диэлектрической проницаемости тонких пленок МДП-структур
  • Воротилов Константин Анатольевич; Лучников Петр Александрович; Подгорный Юрий Владимирович; Серегин Дмитрий Сергеевич endstream endobj 6 0 obj > /Annots [16 0 R 17 0 R 18 0 R] /Parent 2 0 R /Contents [19 0 R 20 0 R 21 0 R] /MediaBox [0 0 595.32 841.92] /Resources > /Pattern > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /ExtGState > /XObject > >> /StructParents 139 >> endobj 7 0 obj > /Parent 2 0 R /Contents 39 0 R /MediaBox [0 0 595.32 841.92] /Resources > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /XObject > >> /StructParents 36 >> endobj 8 0 obj > /Parent 2 0 R /Contents 43 0 R /MediaBox [0 0 595.32 841.92] /Resources > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /XObject > >> /StructParents 142 >> endobj 9 0 obj > /Parent 2 0 R /Contents 47 0 R /MediaBox [0 0 595.32 841.92] /Resources > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /XObject > >> /StructParents 143 >> endobj 10 0 obj > /Parent 2 0 R /Contents 54 0 R /MediaBox [0 0 595.32 841.92] /Resources > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /XObject > >> /StructParents 37 >> endobj 11 0 obj > /Parent 2 0 R /Contents 62 0 R /MediaBox [0 0 595.32 841.92] /Resources > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /XObject > >> /StructParents 38 >> endobj 12 0 obj > /Parent 2 0 R /Contents 65 0 R /MediaBox [0 0 595.32 841.92] /Resources > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /XObject > >> /StructParents 39 >> endobj 13 0 obj > /Parent 2 0 R /Contents 71 0 R /MediaBox [0 0 595.32 841.92] /Resources > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] /XObject > >> /StructParents 144 >> endobj 14 0 obj > /Annots [81 0 R] /Parent 2 0 R /Contents 82 0 R /MediaBox [0 0 595.32 841.92] /Resources > /ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI] >> /StructParents 145 >> endobj 15 0 obj > endobj 16 0 obj > endobj 17 0 obj > /F 4 /BS > /Rect [87.15 573.44 171.12 584.94] /Subtype /Link /StructParent 140 /Type /Annot >> endobj 18 0 obj > /F 4 /BS > /Rect [119.64 435.45 184.17 446.95] /Subtype /Link /StructParent 141 /Type /Annot >> endobj 19 0 obj > stream x=k ?̗fLo6} /#}NpXkY[%9c,/z9X~v~շ/>?vw~՛z>~v/?L8~:JgFxd|mcWglN=odo4c҆GymcAw~r’&’ziK~w;3j=?3=$3npX~DznJ%X$_|=:|w0egϞC;৙;(fG ͣvSj+=|jڷS~)Z

    i sStJd}’zuV_ rZY 1l]n{6Wo>|xC’3#CG2W{nӉ)oE-{ҁNGM8Xܝ4dOQ-KAߖ\Z ?»+Ax»2Sr-[! }3Գ{_f*P;GQ{@NLh V,Y&n%q|o>;2L>vIsht P+UI𨑪!E5z(l_yEZ:9uw _ڠeנul# P

    /N32߳!́lu3DcA!Fht݉(jpVynI$qq Y%P0uuMO3rxVd´x\T1D n5Z4 l’\ľCb崑asL99 $Xh7q^*{6\fYqKx7l-8Gra_e$u9G\ЊD)wz.-C&Lj2NA!&3Nq\핐DA'»G]4+l00yWDr{ «!

    RF Измерение диэлектрической проницаемости | KPM Analytics

    В классическом подходе к диэлектрической модели материал состоит из атомов. Атомы состоят из точечного положительного заряда в центре, окруженного облаком отрицательного заряда. Облако отрицательного заряда связано с положительным точечным зарядом. Атомы разделены таким расстоянием, что они не взаимодействуют друг с другом. Это представлено в верхнем левом углу рисунка сбоку. Примечание: Помните, что модель не пытается ничего сказать о структуре материи.Это всего лишь попытка описать взаимодействие между электрическим полем и материей.

    В присутствии электрического поля облако заряда искажается, как показано в правом верхнем углу рисунка выше.

    Его можно свести к простому диполю, используя принцип суперпозиции. Диполь характеризуется своим дипольным моментом. Это векторная величина, и она показана синей стрелкой с надписью M. Это взаимосвязь между электрическим полем и дипольным моментом определяет поведение диэлектрика. Примечание: показано, что дипольный момент направлен в том же направлении, что и электрическое поле. Это не всегда правильно, но это серьезное упрощение, и оно подходит для многих материалов.

    При снятии электрического поля атом возвращается в исходное состояние.

    [час]

    Определение влажности путем измерения диэлектрической проницаемости

    Диэлектрическая проницаемость – это электрическое свойство материала, связанное с его поведением под действием электрического поля.На рис. 1 представлена ​​диэлектрическая модель материала. Диэлектрическая постоянная или относительная диэлектрическая проницаемость относится к легкости, с которой материал поляризуется относительно вакуума или, что более практично, воздуха. В таблице 1 показаны диэлектрические постоянные нескольких распространенных материалов. Как правило, твердые тела обладают относительно низкой диэлектрической проницаемостью. Исключения составляют диоксид титана (110) и многие титанаты. Вода обладает очень высокой диэлектрической проницаемостью; намного выше, чем у гипса и большинства других твердых материалов. Таким образом, измерение диэлектрической проницаемости может точно определить очень небольшое количество свободной воды.Диэлектрические испытания особенно подходят для определения содержания влаги в гипсокартоне и других изделиях из гипса. Диэлектрический показатель для самого гипса варьируется. Это функция кристаллической структуры и, в случае готовой плиты, функция плотности. Для конкретного продукта эти значения обычно строго контролируются.

    МАТЕРИАЛ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ Вакуум1,00Воздух1,00054Бумага3,5Гипс2,5–6,0Бетон4,5–6,0Силикат3,0–5,0Вода80 при 25°C Насыщенный солевой раствор
    (Рассол)81.5 @ 25°C

    Таблица 1

    Рисунок для раствора соли показывает, насколько мало на диэлектрическую проницаемость влияет концентрация ионов. Обратите внимание, что для жидкостей диэлектрическая проницаемость дается для определенной температуры. Влияние температуры на твердые вещества обычно незначительно, но на жидкости оно может быть значительным. Внутренняя температура гипсокартона после сушки в 1-й зоне должна быть очень постоянной около 100°C, при условии, что плита не пересушена. Таким образом, температурная компенсация не требуется для применения в гипсокартонных плитах.

    Чтобы проиллюстрировать, как диэлектрическая проницаемость относится к влаге в готовой гипсокартонной плите, мы примем типичное значение диэлектрической проницаемости гипса: x 80) = 3,308
    Гипсокартон, содержащий 0,5% свободной влаги = (0,995 x 3,0) + (0,005 x 80) = 3,385

    Модель ST-2200 легко может измерять диэлектрические характеристики с разрешением 0,01, что эквивалентно приблизительно Влажность гипсокартона 0,013%.

    [час]

    Измерение диэлектрической проницаемости на резонансной частоте

    Для определения диэлектрической проницаемости материала использовались многочисленные методы. Радиочастота часто используется из-за ее способности проникать в материал на значительную глубину и иметь возможность проводить измерения без контакта с материалом. Компания Sensortech Systems разработала и запатентовала особый метод определения диэлектрической проницаемости с использованием радиочастоты. Это известно как метод резонансной частоты.

    Рисунок 2(a) Конденсатор с параллельными пластинами
    с воздушной средой

    Рисунок 2(b) Конденсатор с параллельными пластинами
    с диэлектрической средой Как уже говорилось ранее, диэлектрик — это свойство материала, влияющее на его поведение в электрическом поле.Конденсатор с параллельными пластинами показан на рисунке 2 (а). Если среда, разделяющая пластины, представляет собой воздух или вакуум, емкость определяется как:

    Кл = (εo ⋅ A) / d

    Где:
    εo = диэлектрическая проницаемость свободного пространства = 8,854 x 10-12
    A = площадь пластины
    d = расстояние между пластинами

    Когда диэлектрическая среда разделяет пластины, как показано на рисунке 2(b), емкость становится: константа

    Таким образом, емкость прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости материала в электрическом поле.

    C = K ⋅ εr

    Емкостные датчики с параллельными пластинами редко используются в промышленности; предпочтение отдается односторонним датчикам.

    Рисунок 3(a)

    Рисунок 3(b)

    Рисунок 3(a) представляет собой схематическое изображение конденсатора с параллельными пластинами, показывающее однородные линии электрического потока, за исключением краев, где возникает окантовка. Краевое поле, как правило, нежелательно в конденсаторе, но в одностороннем емкостном датчике это единственное полезное поле.

    На рис. 3(b) показано поперечное сечение плоского датчика, наиболее часто используемого для гипсокартона. Центральный элемент распространяет электрическое поле на заземленные боковые пластины. Небольшая часть поля находится непосредственно между электродами, но большая часть представляет собой краевое поле, используемое для проникновения через плату. На рис. 4 представлена ​​фотография планарного датчика.

    Рисунок 4

    Электрически датчик, иногда называемый антенной, представляет собой просто конденсатор. Электрическая аналогия гипсового изделия сама по себе представляет собой емкость с параллельным сопротивлением.Сопротивление или проводимость представляет собой ионную проводимость или диэлектрические потери в плате.

    Рисунок 5(a)

    Рисунок 5(b)

    На рисунке 5(a) показана электрическая схема изделия, соединенного с емкостным датчиком. Емкость воздушного зазора (Ca) соединяет продукт (Cp) с датчиком (Cs) и поэтому должна поддерживаться постоянной. Установка датчика между роликами конвейера, расположенными примерно на 6 мм ниже плоскости роликов, обеспечивает постоянную емкость связи при условии, что ролики достаточно верны.Емкости могут быть объединены в одну (CT), которая, хотя и некорректна с математической точки зрения, может быть упрощенно представлена ​​как CT = Cs + Cp.

    Рисунок 5(b) иллюстрирует резонансную сеть, образованную емкостью датчика параллельно емкости продукта, а также параллельно катушке индуктивности (L). Эта сеть имеет уникальную резонансную частоту, при которой индуктивное сопротивление компенсирует емкостное сопротивление, а полное сопротивление сети достигает максимума. Импеданс при резонансе на самом деле является сопротивлением (Rp).

    Рисунок 6(a)

    Рисунок 6(b)

    Резонансная цепь управляется подходящим радиочастотным сигналом через чистый постоянный резистор (Ro), как показано на рисунке 6(a).При увеличении частоты сеть становится в первую очередь индуктивной с опережающим фазовым углом. При резонансе все реактивные компоненты компенсируются, и цепь становится чисто резистивной. При резонансе амплитуда сигнала через резонансную цепь зависит только от Ro, Rp и амплитуды управляющего сигнала. Ro и Rp ведут себя как простой делитель потенциала.

    Использование прецизионного контура фазовой автоподстройки частоты для регулировки частоты сигнала для поддержания нулевого фазового угла на резисторе Ro гарантирует, что сеть всегда находится в резонансе.

    Резонансная частота определяется как:

    fo = 1 / [2π√(L x CT)]

    ST-2200 измеряет эту частоту с 32-битным разрешением. Запатентованный алгоритм измерения объединяет частоту датчика с двумя эталонными частотами для получения значения диэлектрической проницаемости, которое практически не зависит от температуры окружающей среды и старения компонентов.

    Можно увидеть, что полученный необработанный диэлектрик зависит от емкости датчика (с произведением) и прецизионных эталонных конденсаторов. Индуктивность и паразитная емкость исключены.

    Влажность прямо пропорциональна сырому диэлектрику.

    Учитывая линейную зависимость, теперь прибор можно откалибровать по аналитическим данным, чтобы он соответствовал линейной функции вида:

    Влажность = a x D + b

    необходимо для устранения влияния емкости датчика. Это достигается путем измерения емкости датчика при отсутствии продукта (Dz) и вычитания ее из будущих измерений аналогично тарированию весов.Это действие называется «Предобнуление» и должно выполняться периодически, чтобы компенсировать изменения антенны и накопление продукта на антенне.

    Диэлектрические материалы (все содержимое)

    Примечание. Учебно-обучающие пакеты DoITPoMS предназначены для интерактивного использования на компьютере! Эта версия TLP для печати предоставляется для удобства, но не отображает все содержимое TLP.Например, отсутствуют какие-либо видеоролики и ответы на вопросы. Форматирование (разрывы страниц и т. д.) печатной версии непредсказуемо и сильно зависит от вашего браузера.

    Содержимое

    Основные страницы

    • Цели
    • Прежде чем начать
    • Введение
    • Электрические диполи
    • Механизмы поляризации
    • Конденсаторы
    • Диэлектрическая проницаемость
    • Изменение диэлектрической проницаемости в переменных полях
    • Влияние структуры на диэлектрическую проницаемость
    • Влияние температуры на диэлектрическую проницаемость
    • Потери в диэлектриках
    • Пробой диэлектрика
    • Применение диэлектриков
    • Резюме
    • Вопросы
    • Идем дальше

    Дополнительные страницы

    • Диэлектрическая проницаемость и показатель преломления

    Цели

    По завершении этого TLP вы должны:

    • Понимать значение терминов диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери и диэлектрический пробой.
    • Признать, что свойства диэлектриков обусловлены поляризацией, и понять, как эта поляризация возникает в микроскопическом масштабе.
    • Понять, как структура материала, температура и частота влияют на свойства диэлектриков.
    • Помните о некоторых практических применениях диэлектрических материалов.

    Прежде чем начать

    Для этого TLP нет особых требований.

    Введение

    Диэлектрический материал — это любой материал, который поддерживает заряд, не проводя его в значительной степени.В принципе все изоляторы являются диэлектриками, хотя способность поддерживать заряд сильно различается у разных изоляторов по причинам, которые будут рассмотрены в этом TLP.

    Диэлектрические материалы используются во многих приложениях, от простой электрической изоляции до датчиков и компонентов цепей.

    Электрические диполи

    Диэлектрик поддерживает заряд, приобретая поляризацию в электрическом поле, в результате чего на одной поверхности появляется суммарный положительный заряд, а на противоположной поверхности возникает суммарный отрицательный заряд.Это стало возможным благодаря наличию электрических диполей — двух противоположных зарядов, разделенных определенным расстоянием — в микроскопическом масштабе.

    Математическое описание дипольного момента можно найти в TLP по сегнетоэлектрикам. Для целей данного TLP стоит отметить, что диполь можно рассматривать двумя способами:

    1. Если две дискретные заряженные частицы противоположного заряда разнести на определенное расстояние, возникает дипольный момент μ .

    2.Если центр положительного заряда в данной области и центр отрицательного заряда в той же области не находятся в одном и том же положении, возникает дипольный момент мк . Например, на диаграмме ниже центр положительного заряда 8 показанных катионов находится в точке X, а центр отрицательного заряда расположен на некотором расстоянии от аниона.


    Второе представление о дипольном моменте более полезно, поскольку его можно применять к большой площади, содержащей много зарядов, для нахождения чистого дипольного момента материала, а также его можно использовать в ситуациях, когда нецелесообразно учитывать заряды. как принадлежащие дискретным частицам – e.грамм. в случае электронного облака, окружающего ядро ​​в атоме, которое должно описываться волновой функцией.

    Обратите внимание, что в уравнении для дипольного момента r является вектором (соглашение о знаках состоит в том, что r указывает от отрицательного заряда к положительному), поэтому дипольный момент μ также является вектором. Поляризация материала — это просто полный дипольный момент для единицы объема.

    \[P = \frac{{\sum \mu}}{V}\], где V — общий объем образца.

    Поскольку Σ μ является векторной суммой, материал может содержать диполи без какой-либо результирующей поляризации, поскольку дипольные моменты могут компенсироваться.

    Механизмы поляризации

    В диэлектрическом материале могут возникать три основных механизма поляризации: электронная поляризация, ионная поляризация (иногда называемая атомной поляризацией) и ориентационная поляризация. Анимация ниже иллюстрирует, как работает каждый из этих механизмов в микроскопическом масштабе.

    Все непроводящие материалы способны к электронной поляризации, поэтому все изоляторы в той или иной степени являются диэлектриками. Напротив, ионные и ориентационные моды доступны только для материалов, содержащих ионы и постоянные диполи соответственно.

    Другим вкладом в поляризацию является объемный заряд или накопление мобильных зарядов на структурных поверхностях и границах раздела. Это не прямое свойство материала, а только характеристика гетероструктур, и поэтому здесь больше не обсуждается.

    Конденсаторы

    Конденсатор — это устройство, используемое для накопления заряда. Обычно он состоит из двух проводящих пластин с диэлектрическим материалом между ними, хотя в некоторых приложениях также может использоваться «пустой конденсатор» — конденсатор с вакуумом между пластинами.

    Каждый конденсатор имеет емкость С, стандартными единицами которой являются фарады (Ф). Емкость определяется соотношением Q = C V, где Q – заряд на каждой пластине конденсатора, а V – напряжение между пластинами конденсатора.Следовательно, 1 F = 1 CV -1 .



    На емкость влияют различные факторы, такие как геометрия конденсатора, однако здесь мы будем иметь дело только с влиянием диэлектрического материала, выбранного для заполнения пространства между пластинами.

    Увеличение емкости таким образом желательно, так как это позволяет сохранять больший электрический заряд для данной напряженности поля.

    Диэлектрическая проницаемость

    Диэлектрическая проницаемость материала служит мерой его воздействия на конденсатор.Это отношение емкости конденсатора, содержащего диэлектрик, к емкости такого же, но пустого конденсатора.

    Альтернативное определение диэлектрической проницаемости относится к диэлектрической проницаемости материала. Диэлектрическая проницаемость — это величина, описывающая влияние материала на электрическое поле: чем выше диэлектрическая проницаемость, тем больше материал стремится ослабить любое создаваемое в нем поле. Поскольку диэлектрический материал уменьшает поле, становясь поляризованным, полностью эквивалентным определением является то, что диэлектрическая проницаемость выражает способность материала поляризоваться в ответ на приложенное поле.Диэлектрическая проницаемость (иногда называемая «относительной диэлектрической проницаемостью») представляет собой отношение диэлектрической проницаемости диэлектрика к диэлектрической проницаемости вакуума, поэтому чем больше поляризация, развиваемая материалом в приложенном поле заданной силы, тем больше диэлектрическая проницаемость. будет.

    Стандартного символа для диэлектрической проницаемости не существует — вы можете встретить его как κ , ε , ε ′ или ε r . В этом TLP κ следует использовать во избежание путаницы с абсолютной диэлектрической проницаемостью, которая также может обозначаться символом ε .

    Два определения диэлектрической проницаемости показаны на диаграмме ниже (зеленые стрелки представляют электрическое поле).


    В целом, чем более доступными механизмами поляризации обладает материал, тем больше будет его результирующая поляризация в заданном поле и, следовательно, тем больше будет его диэлектрическая проницаемость.

    Диэлектрическая проницаемость материала и его показатель преломления тесно связаны уравнением κ = n 2  (нажмите здесь, чтобы получить вывод).Однако следует соблюдать осторожность при применении этого уравнения. Он является строго точным только тогда, когда диэлектрическая проницаемость и показатель преломления измеряются в одних и тех же условиях. В частности, поскольку диэлектрическая проницаемость может значительно меняться в зависимости от частоты (по причинам, обсуждаемым в следующем разделе этого TLP), мы должны измерять диэлектрическую проницаемость при переменном токе на той же частоте, на которой мы измеряем показатель преломления – частоте видимого света. , ~10 15 Гц.Однако указанные значения диэлектрической проницаемости обычно относятся к статической диэлектрической проницаемости, то есть диэлектрической проницаемости при постоянном токе. Часто это сильно отличается от значения диэлектрической проницаемости при 10 15 Гц.

    Исключение составляют материалы, обладающие только электронной поляризацией. Для этих материалов диэлектрическая проницаемость существенно не изменяется с частотой ниже видимых частот, и κ S n 2  , где κ S — статическая диэлектрическая проницаемость.

    Подводя итог: уравнение κ = n 2  можно применять только к статическим диэлектрическим проницаемостям неполярных материалов или к высокочастотным диэлектрическим проницаемостям любого диэлектрика.

    Изменение диэлектрической проницаемости в переменных полях

    Мы знаем, что диэлектрик поляризуется в электрическом поле. Теперь представьте изменение направления поля. Направление поляризации также изменится, чтобы соответствовать новому полю.Это не может произойти мгновенно: требуется некоторое время для движения зарядов или вращения диполей.

    Если поле переключается, существует характерное время, которое требуется для адаптации ориентационной поляризации (или средней ориентации диполя), называемое временем релаксации. Типичные времена релаксации составляют ~10 -11 с. Следовательно, если электрическое поле меняет направление на частоте выше ~10 11 Гц, ориентация диполя не может «поспевать» за переменным полем, направление поляризации не может оставаться на одной линии с полем, и этот механизм поляризации прекращается. способствовать поляризации диэлектрика.

    В переменном электрическом поле как ионный, так и электронный механизмы поляризации можно рассматривать как управляемые затухающие гармонические осцилляторы (подобно массе на пружине), а частотная зависимость определяется явлениями резонанса. Это приводит к пикам на графике зависимости диэлектрической проницаемости от частоты на резонансных частотах ионной и электронной поляризационных мод. Провал появляется на частотах чуть выше каждого резонансного пика, что является общим явлением для всех затухающих резонансных откликов, что соответствует отклику системы, не совпадающему по фазе с движущей силой (здесь мы не будем вдаваться в математическое доказательство этого). .При этом в областях провалов поляризация отстает от поля. На более высоких частотах движение заряда не успевает за переменным полем, и механизм поляризации перестает вносить вклад в поляризацию диэлектрика.

    По мере увеличения частоты чистая поляризация материала падает, поскольку каждый механизм поляризации перестает вносить свой вклад, и, следовательно, его диэлектрическая проницаемость падает. Анимация ниже иллюстрирует эти эффекты.

    На достаточно высоких частотах (выше ~10 90 255 15 90 256 Гц) ни один из механизмов поляризации не может переключаться достаточно быстро, чтобы оставаться в ногу с полем.Материал больше не обладает способностью поляризоваться, а диэлектрическая проницаемость падает до 1 — такой же, как у вакуума.

    Резонансы ионного и электронного механизмов поляризации показаны ниже.

    Влияние структуры на диэлектрическую проницаемость

    Мы уже видели, что чем более доступными механизмами поляризации обладает материал, тем больше будет его диэлектрическая проницаемость. Например, материалы с постоянными диполями имеют большую диэлектрическую проницаемость, чем аналогичные неполярные материалы.

    Кроме того, чем легче могут действовать различные механизмы поляризации, тем больше будет диэлектрическая проницаемость. Например, среди полимеров чем подвижнее цепи (т.е. чем ниже степень кристалличности), тем выше будет диэлектрическая проницаемость.

    Для полярных структур величина диполя также влияет на величину достижимой поляризации и, следовательно, на диэлектрическую проницаемость. Кристаллы с нецентросимметричной структурой, такие как титанат бария, имеют особенно большие спонтанные поляризации и, соответственно, большие диэлектрические постоянные.И наоборот, полярный газ, как правило, имеет меньшие диполи, а его низкая плотность также означает, что поляризовать меньше, поэтому полярные газы имеют более низкую диэлектрическую проницаемость, чем полярные твердые тела или жидкости. Аргумент плотности также применим для неполярных газов по сравнению с неполярными твердыми телами или жидкостями.

    Влияние температуры на диэлектрическую проницаемость

    Для материалов, которые обладают постоянными диполями, наблюдается значительное изменение диэлектрической проницаемости в зависимости от температуры.Это связано с влиянием тепла на ориентационную поляризацию.

    Однако это не означает, что диэлектрическая проницаемость будет постоянно увеличиваться при понижении температуры. При изменении температуры наблюдается несколько скачков диэлектрической проницаемости. Во-первых, резко изменится диэлектрическая проницаемость на границах фаз. Это связано с тем, что структура изменяется при фазовом переходе и, как мы видели выше, диэлектрическая проницаемость сильно зависит от структуры.Будет ли κ увеличиваться или уменьшаться при заданном изменении фазы, зависит от того, какие именно две фазы участвуют.

    Также наблюдается резкое уменьшение κ при температуре несколько ниже точки замерзания. Давайте теперь рассмотрим причину этого.

    В кристаллическом твердом теле существуют только определенные ориентации, разрешенные решеткой. Для переключения между этими различными ориентациями молекула должна преодолеть определенный энергетический барьер ΔE.

     


    Когда приложено электрическое поле, потенциальная энергия ориентаций, выровненных с полем, снижается, а энергия ориентаций, выровненных против поля, повышается.Это означает, что требуется меньше энергии для переключения на ориентацию, выровненную с полем, и больше энергии требуется для переключения на ориентацию, выровненную против поля.

    Поэтому со временем молекулы выровняются по полю. Однако для этого они все равно должны преодолеть энергетический барьер. Если молекула обладает энергией меньше высоты любого энергетического барьера, она не может преодолеть энергетический барьер, следовательно, не может изменить свою ориентацию. Следовательно, ориентационная мода «замораживается» и больше не может вносить вклад в общую поляризацию, что приводит к падению диэлектрической проницаемости.

    Эти эффекты представлены на графике ниже.

    Потери в диэлектриках

    Эффективный диэлектрик поддерживает переменный заряд с минимальным рассеиванием энергии в виде тепла. Есть две основные формы потерь, которые могут рассеивать энергию внутри диэлектрика. При потере проводимости поток заряда через материал вызывает рассеяние энергии. Диэлектрические потери — это рассеяние энергии за счет движения зарядов в переменном электромагнитном поле при изменении направления поляризации.

    Диэлектрические потери особенно высоки вокруг релаксационных или резонансных частот механизмов поляризации, поскольку поляризация отстает от приложенного поля, вызывая взаимодействие между полем и поляризацией диэлектрика, что приводит к нагреву. Это показано на диаграмме ниже (напомним, что диэлектрическая проницаемость падает, поскольку каждый механизм поляризации становится неспособным идти в ногу с переключающимся электрическим полем).

    Диэлектрические потери, как правило, выше в материалах с более высокой диэлектрической проницаемостью.Это обратная сторона использования этих материалов в практических приложениях.

    Диэлектрические потери используются для нагрева пищи в микроволновой печи: частота используемых микроволн близка к частоте релаксации механизма ориентационной поляризации в воде, а это означает, что любая присутствующая вода поглощает много энергии, которая затем рассеивается в виде тепла. Точная используемая частота немного отличается от частоты, при которой в воде происходят максимальные диэлектрические потери, чтобы гарантировать, что микроволны не все поглощаются первым слоем воды, с которым они сталкиваются, что обеспечивает более равномерный нагрев пищи.

    Пробой диэлектрика

    В сильных электрических полях материал, который обычно является электрическим изолятором, может начать проводить электричество, т. е. перестать действовать как диэлектрик. Это явление известно как пробой диэлектрика.

    Механизм пробоя диэлектрика лучше всего можно понять с помощью зонной теории. Подробное объяснение этого можно найти в TLP по полупроводникам, хотя не все из них имеет отношение к содержанию этого TLP, поэтому здесь представлены аспекты зонной теории, необходимые для понимания диэлектрического пробоя.

    Для каждого материала существует характерная напряженность поля, необходимая для того, чтобы вызвать пробой диэлектрика. Это называется полем пробоя или диэлектрической прочностью. Обычно значения диэлектрической прочности лежат в диапазоне 10 6 – 10 9 В·м -1 . Точное значение диэлектрической прочности зависит от многих факторов, наиболее очевидным из которых является размер энергетической щели, а также геометрия и микроструктура образца, а также условия, которым он подвергается.

    Явление пробоя диэлектрика используется в зажигалках и подобных устройствах, где для воспламенения топлива необходимо произвести искру. «Искровой промежуток» представляет собой небольшой воздушный зазор между двумя электродами. Заряд накапливается на электродах по обе стороны от искрового промежутка до тех пор, пока напряженность поля в искровом промежутке не превысит диэлектрическую прочность воздуха (механизм, используемый для создания этого поля, не имеет прямого отношения к этой TLP, но заинтересованные читатели могут найти объяснение этому здесь).В этот момент воздух внутри искрового промежутка становится способным к проводимости, что приводит к возникновению искры.

    Применение диэлектриков

    В основном диэлектрики используются для изготовления конденсаторов. У них много применений, включая накопление энергии в электрическом поле между пластинами, фильтрацию шума из сигналов как часть резонансного контура и подачу импульса мощности на другой компонент.

    Чем больше диэлектрическая проницаемость, тем больший заряд может хранить конденсатор в данном поле, поэтому обычно используют керамику с нецентросимметричной структурой, например титанаты металлов 2 группы.На практике материал конденсатора часто представляет собой смесь нескольких таких керамических материалов. Это связано с изменением диэлектрической проницаемости в зависимости от температуры, о чем говорилось ранее. Обычно желательно, чтобы емкость была относительно независимой от температуры; поэтому современные конденсаторы сочетают в себе несколько материалов с разными температурными зависимостями, в результате чего емкость демонстрирует лишь небольшие, примерно линейные изменения в зависимости от температуры.

    Конечно, в некоторых случаях низкие диэлектрические потери более важны, чем высокая емкость, и поэтому для таких ситуаций можно использовать материалы с более низкими значениями κ и, соответственно, более низкими диэлектрическими потерями.

    Некоторые области применения диэлектриков полагаются на их электроизоляционные свойства, а не на способность накапливать заряд, поэтому здесь наиболее желательными свойствами являются высокое удельное электрическое сопротивление и низкие диэлектрические потери. Наиболее очевидным из этих применений является изоляция проводов, кабелей и т. д., но есть также применения в сенсорных устройствах. Например, можно изготовить своего рода тензорезистор, напылив небольшое количество металла на поверхность тонкого листа диэлектрического материала.

    Электроны могут перемещаться по металлу за счет нормальной проводимости и через промежуточный диэлектрический материал за счет явления, известного как квантовое туннелирование. Математическая обработка этого явления выходит за рамки данного TLP; просто обратите внимание, что он позволяет частицам перемещаться между двумя «разрешенными» областями, которые разделены «запрещенной» областью, и что степень туннелирования резко уменьшается по мере увеличения расстояния между разрешенными областями.В этом случае разрешенными областями являются затвердевшие капли металла, а запрещенной — высокоомный диэлектрический материал.

    Если диэлектрический материал натянут, он будет изгибаться, что приведет к изменению расстояния между металлическими островками. Это оказывает большое влияние на степень, в которой электроны могут туннелировать между островками, и, таким образом, наблюдается большое изменение тока. Таким образом, описанное выше устройство является эффективным тензодатчиком.

    Резюме

    • Диэлектрики — это электрические изоляторы, поддерживающие заряд.
    • Свойства диэлектриков обусловлены поляризацией.
    • Существуют три основных механизма возникновения поляризации в микроскопическом масштабе: электронный (искажение электронного облака в атоме), ионный (движение ионов) и ориентационный (вращение постоянных диполей).
    • Конденсатор — это устройство, накапливающее заряд, обычно с помощью диэлектрического материала. Его емкость определяется как Q = C V 90 145
    • Диэлектрическая проницаемость κ указывает на способность диэлектрика поляризоваться.Его можно определить как отношение диэлектрической проницаемости диэлектрика к диэлектрической проницаемости вакуума.
    • Каждый из механизмов поляризации имеет характерную релаксационную или резонансную частоту. В переменном поле на каждой из этих (зависящих от материала) частот диэлектрическая проницаемость будет резко падать.
    • На диэлектрическую проницаемость также влияет структура, поскольку она влияет на способность материала поляризоваться.
    • Полярные диэлектрики демонстрируют снижение диэлектрической проницаемости при повышении температуры.
    • Диэлектрические потери — это поглощение энергии движением зарядов в переменном поле, и они особенно высоки в области релаксационных и резонансных частот механизмов поляризации.
    • Электрические поля достаточной силы могут привести к пробою диэлектрика и переходу материала в проводящее состояние.

    Вопросы

    Быстрые вопросы

    Вы без труда сможете ответить на эти вопросы после изучения этого TLP.Если нет, то вы должны пройти через это снова!

    1. Катион Ca 2+ и анион O 2- разделены расстоянием 2,4 Å. Вычислите результирующий дипольный момент. (Заряд электрона = 1,6 × 10 -19 Кл)

    2. Рассмотрим конденсатор в блоке питания компьютера, обладающий емкостью 2200 мкФ. Если к этому конденсатору приложить напряжение 10 В, каков будет заряд на положительной пластине? (2 знака инжира)

    3. В каком из приведенных ниже случаев А имеет более высокую статическую диэлектрическую проницаемость, чем В, если предположить, что и А, и В являются диэлектриками? (обратите внимание, что правильных ответов может быть несколько)

    4. При каких условиях показатель преломления связан с диэлектрической проницаемостью как κ ≈ n 2  ?

    5. На полярную жидкость действует переменный ток частотой 50 Гц.Затем текущая частота увеличивается чуть выше частоты релаксации ориентационной моды поляризации. Какой из них лучше всего описывает поведение диэлектрической проницаемости при увеличении частоты?

    6. И что лучше всего описывает поведение диэлектрических потерь при увеличении частоты?

    7. Вам нужно сделать конденсатор, который будет работать при низкой напряженности электрического поля и хранить большое количество заряда.Энергоэффективность не обязательно должна быть высокой (т. е. допустимы потери). Что из следующего вы, скорее всего, поместите между пластинами конденсатора?

    Идем дальше

    Веб-сайт

    Книги

    • Диэлектрики , P. J. Harrop, 1972 (Butterworths)
      Содержит более математическую трактовку диэлектриков, а также информацию о многих других возможных применениях.
    • Твердотельный , второе издание, H.M. Rosenberg, 1978 (OUP)
      Глава 13, «Диэлектрические свойства», дает хороший обзор многих обсуждаемых здесь вопросов и содержит последнюю часть вывода для связи между диэлектрической проницаемостью и показателем преломления.
    • Electronic and Magnetic Behavior of Materials , A. Nussbaum, 1967 (Prentice-Hall) pp.70-77
      Обеспечивает более подробное рассмотрение того, как свойства диэлектриков возникают в результате их микроскопической поляризации.

    Диэлектрическая проницаемость и показатель преломления

    Показатель преломления материала n определяется как отношение скорости света в вакууме к скорости света в этом материале.

    $$n = {c \over {{c_{\rm{m}}}}}$$ , где c — скорость света в вакууме, а cm — скорость света в материале.

    Можно вывести еще одно уравнение для скорости света, на этот раз в терминах электрической (ε) и магнитной проницаемости (μ) материала.Для этого нам понадобятся уравнения Максвелла.

    $$\nabla \times {\bf{E}} = — {{\partial {\bf{B}}} \over {\partial t}}$$        (1)
    $$\nabla \times {\ bf{B}} = \mu \varepsilon {{\partial {\bf{E}}} \over {\partial t}}$$      (2)

    Взятие завитка с обеих сторон (1) позволяет нам объединить (1) и (2):

    $$\выравнивание{ \nabla \times (\nabla \times {\bf{E}}) = & — {{\partial (\nabla \times {\bf{B}})} \over {\partial t}} \cr = & — \mu \varepsilon {{{\partial ^2}{\bf{E}}} \over {\partial {t^2}}} \cr} $$

    Вообще для любого вектора а:

    $$\nabla \times (\nabla \times {\bf{a}}) = — {\nabla ^2}{\bf{a}} + \nabla \cdot (\nabla \cdot {\bf{a} }})$$

    Теперь в вакууме \(\nabla \cdot {\bf{E}} = 0\).{{\raise0.7ex\hbox{$1$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {1 2}}\право.\kern-0em} \!\lower0.7ex\hbox{$2$}}}} \cr} $$

    Наконец, вспомним предыдущее определение диэлектрической проницаемости через диэлектрическую проницаемость:

    $$\каппа = {\varepsilon \over {{\varepsilon _0}}}$$

    Следовательно, κ = n2 .



    Консультант по академическим вопросам: Зои Барбер (Кембриджский университет)
    Разработка контента: Анна Калоркоти
    Веб-разработка: Лиэнн Саллоуз и Дэвид Брук

    DoITPoMS финансируется Великобританией Центр материального образования и кафедра Материаловедения и металлургии, Кембриджский университет

    Диэлектрические порошки

    COG — Диэлектрические порошки класса 1

    Ferro является ведущим мировым поставщиком диэлектрических порошков EIA класса I, предназначенных для использования в производстве керамических компонентов типа COG, таких как однослойные конденсаторы (SLC), многослойные керамические конденсаторы (MLCC), многокристальные модули и другие устройства, где температурная компенсация и требуется расширенная частотная характеристика.

    Являясь предпочтительным отраслевым поставщиком, Ferro предлагает широкий ассортимент оптимальных систем диэлектрических материалов для конкретных конструкций компонентов и требований к обработке. Этот портфель включает диэлектрики, совместимые с драгоценными металлами (PME) и неблагородными металлами (BME).

    В дополнение к диэлектрическим порошкам Ferro часто может поставлять согласованные электродные и концевые чернила, предназначенные для сокращения циклов разработки продукта и оптимизации характеристик электронных компонентов.


    FERRO EIA КЛАСС I COG ТИПА СОСТАВЛЕННЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОРОШКИ

    Диэлектрические порошки типа COG с высокой огнестойкостью
    Наши порошки типа COG с высокой огнестойкостью совместимы с проводниками из драгоценных металлов и воздушным огнем в диапазоне температур от 1280°C до 1340°C. Состав внутреннего электрода варьируется от 100 % Pd до 30 % Ag/70 % Pd.
    Диэлектрические порошки типа COG с низким уровнем воспламенения
    Наши порошки типа COG с низким уровнем воспламенения совместимы с проводниками из драгоценных металлов и воздушным огнем в диапазоне температур от 1100 до 1150°C.Типичный состав внутреннего электрода: 70% Ag/30% Pd.
    Диэлектрические порошки типа COG сверхнизкого пламени
    Наши порошки типа COG сверхнизкого пламени (ULF) совместимы с проводниками из драгоценных металлов и воздушным огнем в диапазоне температур от 860°C до 990°C. Состав внутреннего электрода варьируется от 90 % Ag/10 % Pd до 100 % Ag.
    Большинство диэлектрических порошков типа COG составлены и обработаны в соответствии с требованиями RoHS и REACH.
    Диэлектрические порошки типа COG для электродов из неблагородных металлов (BME)
    Наши диэлектрические порошки BME COG совместимы со 100% Ni внутренними электродами и воспламеняются в атмосфере с низким pO2 в диапазоне от 1200 до 1225°C.После обжига требуется повторное окисление/отжиг.
    Все диэлектрические порошки типа BME COG разработаны и обработаны в соответствии с требованиями RoHS и REACH.


    ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСЛУГИ
    Компания Ferro гордится своей репутацией в области предоставления клиентам превосходного технического обслуживания и производственной поддержки. Наши высококвалифицированные технические специалисты сочетают в себе многолетний опыт работы с обширными лабораторными и технологическими ресурсами, что позволяет нам обеспечивать превосходную поддержку и обслуживание клиентов.

    Разработка пользовательских систем материалов
    Мы помогаем нашим клиентам удовлетворять меняющиеся потребности в производстве электронных компонентов. Это включает в себя выполнение требований к конструкции компонентов, которые просто невозможно удовлетворить с использованием традиционных керамических диэлектрических составов. Мы тесно сотрудничаем с нашими клиентами для разработки инновационных систем диэлектрических и проводниковых материалов, адаптированных для достижения конкретных целевых показателей.

    Чтобы узнать больше о наших возможностях в области разработки диэлектрических материалов 

    КОНТАКТЫ >>

    Платное производство и обработка на заказ  
    Наши обширные и гибкие производственные возможности помогают нашим клиентам производить высококачественную продукцию в различных количествах и составах.Инженерно-технологические и эксплуатационные группы Ferro готовы помочь нашим клиентам быстрее выйти на рынок, предоставив полный спектр индивидуального контрактного производства, совместные программы разработки и возможности обработки платы за проезд.

    Разница между диэлектриком и конденсатором

    Конденсатор — это электрическое устройство, в котором накапливается электрический заряд, а диэлектрик — это материал, который не пропускает ток. Диэлектрики часто называют изоляторами, поскольку они противоположны проводникам.Все электроны в диэлектрическом материале тесно связаны со своим родительским ядром, поэтому нет свободных электронов, способных переносить ток. Таким образом, электропроводность диэлектриков очень низкая. Давайте внимательно посмотрим, как они связаны друг с другом и чем они отличаются по функциям, свойствам и использованию.

     

    Что такое диэлектрик?

    Диэлектрик – это изоляционный материал, который плохо проводит электрический ток, но эффективно поддерживает электростатические поля.Это среда или вещество, способное выдерживать сильное электрическое напряжение без заметной проводимости. При приложении напряжения энергия в виде электрического заряда удерживается диэлектриком. Большая часть этой энергии сохраняется при снятии напряжения. Диэлектрический материал представляет собой более или менее изолирующий материал, который поляризуется при контакте с электрическим полем. Как и любой материал, диэлектрик представляет собой совокупность ионов с положительным и отрицательным зарядом, баланс которых обеспечивает электрическую нейтральность.Из-за диэлектрической поляризации положительные заряды смещаются в направлении электрического поля, а отрицательные заряды смещаются в противоположном направлении поля.

     

    Что такое конденсатор?

    Конденсатор представляет собой двусторонний электрический компонент, состоящий из пары проводников, разделенных диэлектрическим изолятором. Это один из самых фундаментальных пассивных компонентов, способных накапливать электрическую энергию в электрическом поле. Именно их способность накапливать электрическую энергию делает их такими особенными.Конденсатор является одним из трех основных компонентов цепи, наряду с резисторами и катушками индуктивности. Он удерживает электрический заряд, когда на него подается напряжение, и высвобождает заряд по мере необходимости. Конденсаторы повсеместно используются на высокоскоростных печатных платах, но инженеры часто не до конца понимают их электрические характеристики. Хотя конденсаторы различаются по размеру и форме, основная конфигурация остается неизменной, то есть два проводника несут одинаковые, но противоположные заряды. Конденсаторы в основном характеризуются материалом, используемым для их диэлектрика: переменный воздух, бумага, слюда, керамика, пластик, оксид титана и электролит.

     

    Разница между диэлектриком и конденсатором

    1. Основы диэлектрических стихов Конденсатор

     – Диэлектрик — это изоляционный материал, который плохо проводит электрический ток, но эффективно поддерживает электростатические поля. Это среда или вещество, способное выдерживать сильное электрическое напряжение без заметной проводимости.

    Конденсатор, с другой стороны, является двусторонним электрическим компонентом, состоящим из пары проводников, разделенных диэлектрическим изолятором.Это один из самых фундаментальных пассивных компонентов, способных накапливать электрическую энергию в электрическом поле. Конденсатор является одним из трех основных компонентов цепи, наряду с резисторами и катушками индуктивности.

    1. Функция диэлектрика вместо конденсатора

     – Конденсаторы используются в большинстве электрических цепей для хранения электроэнергии и при необходимости возвращают энергию в цепь. Проще говоря, основной функцией конденсатора является накопление энергии.Существуют различные формы конденсаторов, которые можно использовать для выполнения различных функций в различных цепях.

    Диэлектрические материалы имеют очень высокое удельное сопротивление по сравнению с проводниками, поэтому они используются для разделения проводников с разным потенциалом, таких как пластины конденсаторов или линии электропередач. Когда диэлектрик помещается между заряженными пластинами, емкость системы увеличивается.

    1. Свойства диэлектрика по сравнению с конденсатором

    – Диэлектрики представляют собой неметаллические материалы с высоким удельным сопротивлением и очень большой энергетической щелью.Диэлектрическая проницаемость материала определяет способность конденсатора накапливать энергию при приложении к нему напряжения. Все электроны в диэлектрическом материале тесно связаны со своим родительским ядром. Без свободных электронов, несущих ток, электропроводность становится очень низкой.

    Свойство конденсаторов заключается в накоплении энергии в электрическом поле, а также в увеличении и усилении эффекта емкости. Емкость — это свойство конденсатора сопротивляться изменению напряжения на нем.

    1. Применение диэлектриков и конденсаторов

    – Конденсаторы чаще всего используются для хранения энергии. Конденсаторы обычно используются в электронных схемах для различных задач, таких как обеспечение гибких параметров фильтрации, сглаживание, накопление энергии, снижение шума, настройка схемы и многое другое. Конденсаторы дополнительно используются в приложениях кондиционирования питания, соединения или развязки сигналов, дистанционного зондирования и сглаживания источника питания.

    В основном диэлектрики используются для изготовления конденсаторов.Диэлектрический материал имеет очень высокое удельное сопротивление, поэтому используется для разделения проводников с разным потенциалом, таких как обкладки конденсатора или линии электропередач.

    Диэлектрик и конденсатор: сравнительная таблица

     

    Резюме диэлектрических стихов Конденсатор

    Конденсатор является одним из наиболее фундаментальных пассивных компонентов, способных накапливать электрическую энергию в электрическом поле. Свойство конденсаторов состоит в том, чтобы накапливать энергию в электрическом поле и увеличивать и усиливать действие емкости.Он состоит из двух проводящих пластин, разделенных изолирующим материалом, называемым диэлектриком. Диэлектрик — это просто еще один термин для изолятора. Как и любой материал, диэлектрик представляет собой совокупность ионов с положительным и отрицательным зарядом, баланс которых обеспечивает электрическую нейтральность. Основным свойством диэлектрического материала является его способность выдерживать высокое электрическое напряжение при минимальном рассеивании энергии в виде тепла.

     

    Сагар Хиллар — плодовитый автор контента/статей/блогов, работающий старшим разработчиком контента/писателем в известной фирме по обслуживанию клиентов, базирующейся в Индии.У него есть стремление исследовать разносторонние темы и разрабатывать высококачественный контент, чтобы сделать его лучше всего читаемым. Благодаря своей страсти к писательству, он имеет более 7 лет профессионального опыта в написании и редактировании текстов на самых разных печатных и электронных платформах.

    Вне своей профессиональной деятельности Сагар любит общаться с людьми из разных культур и происхождения. Можно сказать, что он любопытен по натуре. Он считает, что каждый — это опыт обучения, и это приносит определенное волнение, своего рода любопытство, чтобы продолжать идти.Сначала это может показаться глупым, но через какое-то время это расслабит вас и вам будет легче начать разговор с совершенно незнакомыми людьми — вот что он сказал». : Если вам понравилась эта статья или наш сайт. Пожалуйста, распространите информацию. Поделитесь им с друзьями/семьей.

    См.
    APA 7
    Хиллар, С. (2019, 10 июня). Разница между диэлектриком и конденсатором. Разница между похожими терминами и объектами.http://www.differencebetween.net/science/physics-science/difference-between-dielectric-and-capacitor/.
    MLA 8
    Хиллар, Сагар. «Разница между диэлектриком и конденсатором». Разница между похожими терминами и объектами, , 10 июня 2019 г., http://www.differencebetween.net/science/physics-science/difference-between-dielectric-and-capacitor/.

    Диэлектрик — Энциклопедия Нового Света

    Различные типы конденсаторов. Каждый конденсатор состоит из пары проводящих пластин, разделенных диэлектриком.

    Диэлектрик или электрический изолятор представляет собой материал с высокой устойчивостью к протеканию электрического тока. Диэлектрические материалы могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Кроме того, вакуум является отличным диэлектриком.

    Важным применением диэлектриков является разделение пластин конденсаторов. Способность конденсатора накапливать электрический заряд зависит от диэлектрика, разделяющего его пластины.

    Пояснение

    При взаимодействии диэлектрической среды с приложенным электрическим полем происходит перераспределение зарядов внутри ее атомов или молекул.Это перераспределение меняет форму приложенного электрического поля как внутри диэлектрической среды, так и в близлежащей области.

    При движении двух электрических зарядов через диэлектрическую среду энергии взаимодействия и силы между ними уменьшаются. Когда электромагнитная волна проходит через диэлектрик, ее скорость уменьшается, а длина волны укорачивается.

    Когда электрическое поле первоначально прикладывается к диэлектрической среде, протекает ток. Полный ток , протекающий через реальный диэлектрик, состоит из двух частей: тока проводимости и тока смещения.В хороших диэлектриках ток проводимости будет крайне мал. Ток смещения можно рассматривать как упругую реакцию диэлектрического материала на любое изменение приложенного электрического поля. По мере увеличения величины электрического поля протекает ток смещения, и дополнительное смещение накапливается в диэлектрике в виде потенциальной энергии. Когда электрическое поле уменьшается, диэлектрик высвобождает часть накопленной энергии в виде тока смещения. Электрическое смещение можно разделить на вакуумное и диэлектрическое.

    D = ε0E + P = ε0E + ε0χE = ε0E (1 + χ), {\ displaystyle \ mathbf {D} = \ varepsilon _ {0} \ mathbf {E} + \ mathbf {P} = \ varepsilon _ { 0}\mathbf {E} +\varepsilon _{0}\chi \mathbf {E} =\varepsilon _{0}\mathbf {E} \left(1+\chi \right),}

    , где P — поляризация среды, E — электрическое поле, D — плотность электрического потока (или смещения) и его электрическая восприимчивость.Отсюда следует, что относительная диэлектрическая проницаемость и восприимчивость диэлектрика связаны: εr = χ + 1 {\ displaystyle \ varepsilon _ {r} = \ chi +1}.

    Диэлектрическая проницаемость

    Диэлектрическая проницаемость (или статическая диэлектрическая проницаемость) материала (при данных условиях) является мерой степени, в которой материал концентрирует электростатические линии потока. На практике она измеряется как «относительная диэлектрическая проницаемость», которая определяется как отношение количества электрической энергии, запасенной в изоляторе, когда на него наложено статическое электрическое поле, к диэлектрической проницаемости вакуума (который имеет диэлектрическая проницаемость 1).

    Относительная диэлектрическая проницаемость представлена ​​​​как ε r (или иногда κ{\ displaystyle \ kappa}, K или Dk). Математически это определяется как:

    εr = εsε0 {\ displaystyle \ varepsilon _ {r} = {\ frac {\ varepsilon _ {s}} {\ varepsilon _ {0}}}}

    , где ε с — статическая диэлектрическая проницаемость материала, а ε 0 — диэлектрическая проницаемость вакуума. Диэлектрическая проницаемость вакуума определяется из уравнений Максвелла путем связывания напряженности электрического поля E с плотностью электрического потока D .В вакууме (свободном пространстве) диэлектрическая проницаемость ε равна всего лишь ε 0 , поэтому диэлектрическая проницаемость равна единице.

    Диэлектрическая проницаемость

    Диэлектрическая проницаемость — это физическая величина, описывающая, как электрическое поле влияет на диэлектрическую среду, и определяется способностью материала поляризоваться в ответ на поле и, таким образом, уменьшать поле внутри материала. Таким образом, диэлектрическая проницаемость относится к способности материала пропускать (или «разрешать») электрическое поле.

    Непосредственно связан с электрической восприимчивостью. Например, в конденсаторе повышенная диэлектрическая проницаемость позволяет сохранять тот же заряд при меньшем электрическом поле (и, следовательно, меньшем напряжении), что приводит к увеличению емкости.

    Диэлектрическая прочность

    Термин диэлектрическая прочность может быть определен следующим образом:

    • Для изоляционного материала диэлектрическая прочность представляет собой максимальную напряженность электрического поля, которую материал может выдержать без разрушения, то есть без потери своих изоляционных свойств.
    • Для данной конфигурации диэлектрического материала и электродов диэлектрическая прочность представляет собой минимальное электрическое поле, вызывающее пробой.

    Теоретическая диэлектрическая прочность материала является неотъемлемым свойством сыпучего материала и зависит от конфигурации материала или электродов, с которыми приложено поле. При пробое электрическое поле освобождает связанные электроны. Если приложенное электрическое поле достаточно сильное, свободные электроны могут разгоняться до скоростей, которые могут высвободить дополнительные электроны во время столкновений с нейтральными атомами или молекулами в процессе, называемом лавинным пробоем.Пробой происходит довольно резко (обычно за наносекунды), что приводит к образованию электропроводящей дорожки и пробивному разряду через материал. Для твердых материалов пробой серьезно ухудшает или даже разрушает их изоляционную способность.

    Напряженность поля пробоя

    Напряженность поля, при которой происходит пробой в данном случае, зависит от соответствующей геометрии диэлектрика (изолятора) и электродов, к которым приложено электрическое поле, а также от скорости нарастания электрического поля.Поскольку диэлектрические материалы обычно содержат незначительные дефекты, практическая диэлектрическая прочность будет составлять часть внутренней диэлектрической прочности, наблюдаемой для идеального материала без дефектов. Диэлектрические пленки обладают большей диэлектрической прочностью, чем более толстые образцы того же материала. Например, диэлектрическая прочность пленок диоксида кремния толщиной от нескольких сотен нм до нескольких микрон составляет примерно десять МВ/см. Несколько слоев тонких диэлектрических пленок используются там, где требуется максимальная практическая диэлектрическая прочность, например, в высоковольтных конденсаторах и импульсных трансформаторах.

    Диэлектрическая прочность различных распространенных материалов
    Материал Диэлектрическая прочность (МВ/м)
    Воздух 3
    Кварц 8
    Титанат стронция 8
    Неопреновый каучук 12
    Нейлон 14
    Стекло пирекс 14
    Силиконовое масло 15
    Бумага 16
    Бакелит 24
    Полистирол 24
    Тефлон 60

    Диэлектрики в плоскопараллельных конденсаторах

    Электроны в молекулах смещаются к положительно заряженной левой пластине.Затем молекулы создают направленное влево электрическое поле, которое частично нейтрализует поле, создаваемое пластинами. (Воздушный зазор показан для наглядности; в реальном конденсаторе диэлектрик обычно находится в непосредственном контакте с пластинами.)

    Помещение диэлектрического материала между пластинами конденсатора с параллельными пластинами вызывает увеличение емкости пропорционально к , относительной диэлектрической проницаемости материала:

    C = kϵ0Ad {\ displaystyle C = {\ frac {k \ epsilon _ {0} A} {d}}}
    , где ϵ0{\displaystyle \epsilon _{0}} — диэлектрическая проницаемость свободного пространства, A — площадь, покрытая конденсаторами, а d — расстояние между пластинами.

    Это происходит потому, что электрическое поле поляризует связанные заряды диэлектрика, создавая концентрации заряда на его поверхности, которые создают электрическое поле, противоположное (антипараллельное) полю конденсатора. Таким образом, данное количество заряда создает более слабое электрическое поле между пластинами, чем без диэлектрика, что снижает электрический потенциал. Если рассматривать этот аргумент в обратном порядке, этот аргумент означает, что в случае диэлектрика заданный электрический потенциал заставляет конденсатор накапливать большую поляризацию заряда.

    Приложения

    Использование диэлектрика в конденсаторе дает несколько преимуществ. Самый простой из них заключается в том, что проводящие пластины можно размещать очень близко друг к другу без риска контакта. Кроме того, если подвергнуть воздействию очень сильного электрического поля, любое вещество ионизируется и становится проводником. Диэлектрики более устойчивы к ионизации, чем сухой воздух, поэтому конденсатор, содержащий диэлектрик, может подвергаться более высокому рабочему напряжению. Слои диэлектрика обычно включаются в промышленные конденсаторы для обеспечения более высокой емкости в меньшем пространстве, чем конденсаторы, использующие только воздух или вакуум между их пластинами, и термин диэлектрик относится к этому приложению, а также к изоляции, используемой в силовых и радиочастотных кабелях. .

    Некоторые практические диэлектрики

    Диэлектрические материалы могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Кроме того, высокий вакуум также может быть полезным диэлектриком без потерь, даже если его относительная диэлектрическая проницаемость равна всего единице.

    Твердые диэлектрики, пожалуй, наиболее часто используемые диэлектрики в электротехнике, и многие твердые тела являются очень хорошими изоляторами. Некоторые примеры включают фарфор, стекло и большинство пластмасс. Воздух, азот и гексафторид серы являются тремя наиболее часто используемыми газообразными диэлектриками.

    • Промышленные покрытия, такие как парилен, обеспечивают диэлектрический барьер между подложкой и окружающей средой.
    • Минеральное масло широко используется внутри электрических трансформаторов в качестве жидкого диэлектрика и для охлаждения. Диэлектрические жидкости с более высокой диэлектрической проницаемостью, такие как касторовое масло электротехнического качества, часто используются в высоковольтных конденсаторах, чтобы помочь предотвратить коронный разряд и увеличить емкость.
    • Поскольку диэлектрики сопротивляются потоку электричества, поверхность диэлектрика может удерживать скрученных избыточных электрических зарядов.Это может произойти случайно при трении диэлектрика (трибоэлектрический эффект). Это может быть полезно, как в генераторе Ван де Граафа или электрофоре, или потенциально разрушительно, как в случае электростатического разряда.
    • Специально обработанные диэлектрики, называемые электретами, могут сохранять избыточный внутренний заряд или «замороженную» поляризацию. Электреты имеют полупостоянное внешнее электрическое поле и являются электростатическим эквивалентом магнитов. Электреты имеют множество практических применений в быту и промышленности.
    • Некоторые диэлектрики могут генерировать разность потенциалов при механическом воздействии или изменять физическую форму, если к материалу приложено внешнее напряжение. Это свойство называется пьезоэлектричеством. Пьезоэлектрические материалы представляют собой еще один класс очень полезных диэлектриков.
    • Некоторые ионные кристаллы и полимерные диэлектрики обладают спонтанным дипольным моментом, который можно изменить на противоположное с помощью приложенного извне электрического поля. Такое поведение называется сегнетоэлектрическим эффектом.Эти материалы аналогичны тому, как ферромагнитные материалы ведут себя во внешнем магнитном поле. Сегнетоэлектрические материалы часто имеют очень высокие диэлектрические проницаемости, что делает их весьма полезными для конденсаторов.

    См. также

    Ссылки

    Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

    • Бетчер, Карл Йохан Фридрих. 1980. Теория электрической поляризации: диэлектрическая поляризация . Эльзевир Наука. ISBN 0444415793
    • Рамбл, Джон (изд.). 2017. CRC Справочник по химии и физике , 98-е изд. Бока-Ратон: CRC Press. ISBN 978-1498784542
    • Фон Хиппель, Артур Р. 1994. Диэлектрики и волны . Артек Печать по требованию. ISBN 978-08

      038

    Внешние ссылки

    Все ссылки получены 8 мая 2018 г.

    Кредиты

    New World Encyclopedia автора и редактора переписали и дополнили статью Wikipedia в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства. Упоминание должно быть выполнено в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

    История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

    Примечание. На использование отдельных изображений, лицензированных отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.

    Диэлектрик — Часто задаваемые вопросы по технике

    Диэлектрик — это материал, ограничивающий протекание тока. Диэлектрики определяются их диэлектрической проницаемостью, током утечки и напряжением пробоя. Они в основном используются в конденсаторах, позволяя накапливать заряд на проводящих пластинах. Изолятор — это диэлектрик, способный выдерживать сильное электрическое поле, не пропуская через себя ток.

    Диэлектрическая проницаемость

    Когда материал окружен электростатическим полем, электроны в каждом атоме смещаются в положительную сторону и удаляются от ядра.Это создает дипольный момент в атоме и поляризует материал, уменьшая напряженность электрического поля внутри него. Диэлектрическая проницаемость — это мера того, насколько электрическое поле может поляризовать материал.

    Чем выше диэлектрическая проницаемость диэлектрика, тем слабее напряженность электрического поля внутри него и тем выше напряженность поля, которую он может выдержать без разрушения. Диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью используются в конденсаторах, потому что они обеспечивают большее накопление заряда и дают большее значение емкости.

    Диэлектрическая проницаемость

    Диэлектрическая проницаемость является мерой относительной статической диэлектрической проницаемости материала. Он определяется как статическая диэлектрическая проницаемость, деленная на электрическую постоянную. Электрическая постоянная — это диэлектрическая проницаемость вакуума, поэтому вакуум имеет диэлектрическую проницаемость, равную единице. Диэлектрические материалы имеют константы больше единицы, а проводящие материалы имеют константы меньше единицы. К материалам с низкой константой относятся воздух, тефлон, бумага, резина и соль. К материалам с высокой константой относятся графит, вода, серная кислота и керамика.

    Напряжение утечки и пробоя

    Все диэлектрики имеют конечное сопротивление и имеют небольшую утечку заряда. Разность потенциалов, при которой эта утечка внезапно возрастает, называется напряжением пробоя, а процесс пробоя — лавинным. Электростатическое поле настолько сильное, что сбивает электроны с их орбит, позволяя току течь свободно.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.