Диэлектрики примеры. Диэлектрики в полупроводниковых микросхемах: виды, свойства и применение

Какие диэлектрические материалы используются в современных полупроводниковых микросхемах. Каковы их ключевые свойства и области применения. Как диэлектрики влияют на характеристики и производительность микросхем. Какие инновации происходят в сфере диэлектриков для микроэлектроники.

Роль диэлектриков в полупроводниковых микросхемах

Диэлектрические материалы играют критически важную роль в современных полупроводниковых микросхемах. Они выполняют несколько ключевых функций:

• Электрическая изоляция отдельных компонентов и слоев микросхемы
• Формирование подзатворного диэлектрика в полевых транзисторах
• Создание диэлектрических слоев в конденсаторах на кристалле
• Пассивация поверхности полупроводника
• Защита микросхемы от внешних воздействий

Правильный выбор диэлектрических материалов во многом определяет характеристики, надежность и долговечность интегральных микросхем. Рассмотрим основные виды диэлектриков, применяемых в полупроводниковой промышленности.

Основные виды диэлектриков в микроэлектронике

В производстве полупроводниковых микросхем используется несколько основных типов диэлектрических материалов:

Диоксид кремния (SiO2)

Диоксид кремния традиционно является одним из наиболее распространенных диэлектриков в микроэлектронике. Он обладает рядом важных преимуществ:

• Высокая диэлектрическая проницаемость (3.9)
• Хорошие изолирующие свойства
• Совместимость с кремниевой технологией
• Термическая стабильность
• Возможность получения очень тонких качественных слоев

SiO2 широко применяется в качестве подзатворного диэлектрика в МОП-транзисторах, межслойной изоляции, защитных покрытий.

Нитрид кремния (Si3N4)

Нитрид кремния также часто используется в полупроводниковых технологиях. Его ключевые свойства:

• Более высокая диэлектрическая проницаемость, чем у SiO2 (7-8)
• Хорошие барьерные свойства против диффузии примесей
• Высокая механическая прочность
• Устойчивость к окислению при высоких температурах

Si3N4 применяется для создания диэлектрических слоев в конденсаторах, пассивации поверхности, в качестве маски при локальном окислении кремния.

Высокодиэлектрические материалы (high-k)

С уменьшением размеров транзисторов возникла потребность в диэлектриках с более высокой диэлектрической проницаемостью, чем у традиционного SiO2. Это позволяет увеличить емкость подзатворного диэлектрика при сохранении его толщины. Основные high-k материалы:

• Оксид гафния (HfO2)
• Оксид циркония (ZrO2)
• Оксид алюминия (Al2O3)
• Оксид тантала (Ta2O5)

Диэлектрическая проницаемость этих материалов может достигать 20-40, что позволяет значительно уменьшить толщину подзатворного диэлектрика.

Low-k диэлектрики для межслойной изоляции

Для снижения паразитных емкостей между проводниками в многоуровневой металлизации применяются диэлектрики с низкой диэлектрической проницаемостью (low-k). К ним относятся:

• Фторированный диоксид кремния (FSG)
• Органосиликатные стекла (OSG)
• Пористые low-k материалы

Диэлектрическая проницаемость таких материалов может быть снижена до 2.0-2.5, что позволяет уменьшить задержки распространения сигналов в микросхеме.

Применение диэлектриков в различных структурах микросхем

Рассмотрим основные области применения диэлектрических материалов в современных интегральных микросхемах:

Подзатворный диэлектрик в МОП-транзисторах

Подзатворный диэлектрик играет ключевую роль в работе полевых транзисторов. Он должен обеспечивать:

• Высокую емкость затвора для эффективного управления каналом
• Минимальные токи утечки через диэлектрик
• Высокую подвижность носителей заряда в канале
• Термическую стабильность

В современных микросхемах в качестве подзатворного диэлектрика чаще всего используется комбинация тонкого слоя SiO2 и high-k материала (обычно HfO2).

Межслойная изоляция в многоуровневой металлизации

Для изоляции отдельных слоев металлизации применяются low-k диэлектрики. Они позволяют снизить паразитные емкости между проводниками и уменьшить задержки распространения сигналов. Основные требования к межслойным диэлектрикам:

• Низкая диэлектрическая проницаемость
• Хорошие изолирующие свойства
• Механическая прочность
• Совместимость с процессами химико-механической полировки

Диэлектрические слои в конденсаторах на кристалле

Для создания конденсаторов большой емкости в составе интегральных схем используются high-k диэлектрики. Это позволяет получить высокую удельную емкость при малых размерах конденсатора. Основные требования к диэлектрикам конденсаторов:

• Высокая диэлектрическая проницаемость
• Малые токи утечки
• Высокая электрическая прочность
• Низкие диэлектрические потери

Влияние диэлектриков на характеристики микросхем

Выбор диэлектрических материалов оказывает существенное влияние на ключевые параметры интегральных микросхем:

Быстродействие

Применение low-k диэлектриков для межслойной изоляции позволяет снизить паразитные емкости и уменьшить задержки распространения сигналов. Это приводит к повышению быстродействия микросхем.

Энергопотребление

Использование high-k диэлектриков в качестве подзатворного диэлектрика позволяет уменьшить токи утечки через затвор транзистора. Это снижает статическое энергопотребление микросхемы.

Плотность размещения элементов

Применение high-k диэлектриков позволяет уменьшить физические размеры транзисторов при сохранении их электрических характеристик. Это дает возможность повысить плотность размещения элементов на кристалле.

Надежность

Качество диэлектрических слоев во многом определяет надежность и долговечность микросхем. Наличие дефектов в диэлектриках может приводить к пробоям и отказам микросхем.

Перспективные направления развития диэлектриков для микроэлектроники

Развитие технологий производства полупроводниковых микросхем требует постоянного совершенствования диэлектрических материалов. Основные направления исследований:

• Поиск новых high-k материалов с еще более высокой диэлектрической проницаемостью
• Разработка low-k диэлектриков с улучшенными механическими свойствами
• Создание ультратонких качественных диэлектрических слоев
• Исследование двумерных диэлектрических материалов (например, нитрид бора)
• Разработка диэлектриков для новых типов транзисторов (например, на основе графена)

Совершенствование диэлектрических материалов остается одним из ключевых направлений развития микроэлектронных технологий.

Методы нанесения и контроля качества диэлектрических слоев

Качество диэлектрических слоев во многом определяет характеристики и надежность микросхем. Поэтому большое внимание уделяется методам их нанесения и контроля. Основные технологии получения тонких диэлектрических пленок:

• Термическое окисление кремния
• Химическое осаждение из газовой фазы (CVD)
• Атомно-слоевое осаждение (ALD)
• Магнетронное распыление

Для контроля качества диэлектрических слоев применяются различные методы:

• Эллипсометрия для измерения толщины и показателя преломления
• Электрические измерения емкости и токов утечки
• Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия для анализа состава
• Атомно-силовая микроскопия для исследования морфологии поверхности

Тщательный контроль параметров диэлектрических слоев на всех этапах производства позволяет обеспечить высокое качество и надежность микросхем.

Руководство по материалам электротехники для всех. Часть 4 / Хабр

Продолжение руководства по материалам электротехники. В этой части начинаем разбирать диэлектрики, часть полностью посвящена неорганическим диэлектрикам: фарфору, стеклу, слюде, керамике, асбесту, элегазу и воде.

Добро пожаловать под кат (ТРАФИК)

Помимо проводников для производства электронной техники нужны диэлектрики. В зависимости от условий и задач, могут быть важны разные свойства диэлектрика: теплостойкость, тангенс угла потерь, гигроскопичность, механическая прочность и т. д.

Раздел руководства с полимерами еще более поверхностный. Дело в том, что свойства полимерного материала зависят от условий синтеза, введенных добавок, термообработки, последующей обработки. Таким образом, два образца полистирола могут весьма значительно отличаться по свойствам. Производители пластиков идут на различные ухищрения и манипуляции с составом, внося важные и не очень изменения. Это как с книгами, разные издания одного и того же произведения, где то на газетной бумаге с плохой версткой, а где то на качественной бумаге с цветными иллюстрациями от модного художника. И та и другая книга — «Властелин колец», но впечатления от использования могут отличаться. Поэтому приведены некоторые общие свойства разных видов полимеров, за более точными характеристиками нужно обращаться к справочнику.

Материалы, которые применяются в электронной технике меняются по мере прогресса. Так, ранее широко использовалось, к примеру, дерево, шелк, эбонит. Сегодня же многие материалы вытеснены более дешевыми, технологичными заменителями. В пособии есть описание в том числе исторических материалов, данных для общего развития. Также добавлена информация, необходимая для полноты раскрытия темы.

Неорганические диэлектрики

Фарфор

Фарфор — плотная прочная керамика, получаемая обжигом смеси каолина, кварца, полевого шпата и глины. Аналогичен фарфоровой чашке у вас на кухне, только реже покрывается глазурью.

Примеры применения

Высокотемпературные изоляторы. В виде фарфоровых бус для изоляции концов нагревательных спиралей. Чешуеподобная конструкция позволяет изгибаться не обнажая проводник.

Корпус ртутной дуговой лампы от светолучевого осциллографа. Рама из алюминиевого сплава, чёрный корпус — карболит, фарфоровые бусы изолируют проводники, которыми подключается лампа. Лампа очень сильно нагревается во время работы. Кучка фарфоровых бус от различных нагревателей.

Свечи зажигания от двигателя внутреннего сгорания. Центральный электрод изолирован фарфором. Ни один другой диэлектрик не способен выдержать длительное воздействие температуры, давления, горючего внутри камеры сгорания.

Детали электроизделий. Если заглянуть внутрь патрона для лампы, то часть, которая содержит ламели подключения скорее всего сделана из фарфора, он может длительное время работать при повышенной температуре лампы накаливания без потери свойств. Корпуса предохранителей, розеток, держатели контактов ламп — везде, где есть опасность нагрева, фарфор вне конкуренции.

Держатели ламелей розетки, патрона изготовлены из фарфора. Чёрный корпус патронов — карболит.

Мощные резисторы имеют основу из фарфоровой трубки. У зеленого резистора обмотка скрыта под эмалью.

Изоляторы на столбах. На фото изолятор со столба, ликвидированного в ходе реконструкции линии. 30 лет солнца, ветра, птичьего помета, дождей, морозов нисколько не повлияли на фарфор, он по прежнему выглядит как новенький, достаточно было помыть изолятор с мылом.

Фарфоровые изоляторы линий электропередач. Между фарфоровым изолятором и стальным крюком втулка из полиэтилена, для защиты фарфора от трещин. Дисковая форма изоляторов позволяет воде стекать не образуя сплошного слоя, замыкающего проводник на опору.

Недостатки

Хрупкий, как и все керамики. Перетянутый винт, удар — и фарфор осыпается.

Стекло

В зависимости от требований могут использоваться разные сорта стекол, от легкоплавких натриевых до тугоплавких кварцевых. Основной плюс стекла, помимо его термостойкости — прозрачность для видимого света (а кварцевое прозрачно еще и для ультрафиолета). Также немаловажный плюс — возможность визуально оценить целостность, трещины обычно видны.

Примеры применения

Корпуса радиоламп, осветительных ламп, предохранителей. Кварцевые трубки — корпуса нагревателей, электрогрилей.

Стеклянный и фарфоровый изолятор линий электропередач проработавший на улице более 30 лет.

Недостатки.

Хрупкое, не выносит ударов. Некоторые сорта стекла растрескиваются при резком неравномерном нагреве.

Типичный признак (но не обязательный!) кварцевого стекла — большое количество свилей в направлении экструзии стекла.

Интересные факты о стекле

Здесь стоит дополнительно сказать про сапфировое стекло, закаленное стекло и химически закаленное стекло. В рекламных описаниях множества электронных устройств для массового потребления можно встретить упоминания этих видов стекол.

• Сапфировое стекло формально стеклом не является (оно не аморфное, как стекла, а кристаллическое), но, в силу внешнего сходства, так именуется. Сапфировое стекло — это тонкие пластинки лейкосапфира (чистый Al
  2O₃ — оксид алюминия). Лейкосапфир тверже обычных стекол, поэтому используется для защиты оптики от пыли, абразивного истирания песчинками в военной технике, и в дорогих устройствах бытового назначения. Стекло наручных часов из сапфира дольше останется нецарапанным. При этом, получение сапфировых стекол большого размера по вменяемой цене затруднительно, поэтому планшеты с сапфировым стеклом мы увидим нескоро.
• Закаленное стекло. Стекло хорошо сопротивляется сжатию и плохо — растяжению. Повысить механическую прочность стекла можно его закалкой — стекло разогревают до высоких температур и резко и равномерно охлаждают. В результате в стекле образуются механические напряжения, которые увеличивают механическую прочность. Чаще всего закалку стекла делают для безопасности. Обычное стекло, если в него кинуть камнем, разбивается на несколько довольно крупных осколков, которые могут нанести серьезную травму. Закаленное стекло при разрушении дает много мелких осколков, которые значительно безопаснее. Поэтому все стекла в автомобиле, в торговых центрах, стеклянные полки мебели — закалены. Изделие из закаленного стекла обработке не подлежит, если попытаетесь стеклянную полочку для ванной подрезать, она с хлопком рассыпется в крошку, поэтому закалка производится после обработки. Демонстрацией свойств закаленного стекла являются батавские слезки.
• Химически закаленное стекло. Например, часто упоминаемое Gorilla glass. Для тонких пластинок стекла термический способ закалки не подходит, поэтому пластинки стекла обрабатывают в растворе, который, к примеру, замещает ион натрия на ион калия. Так как ион калия крупнее, то поверхностные слои стекла как бы «распирает» более крупными атомами в решетке, создавая как раз требуемые механические напряжения. Как итог — такое стекло прочнее, лучше сопротивляется царапинам.

Слюда

Слюда. Природный слоистый материал, обладает термостойкостью, прочностью, прекрасный диэлектрик. Слюды — большой класс слоистых минералов, из них в технике используется в основном мусковит и иногда биотит и флогопит.

По английски слюда — Mica, отсюда производные названия материалов на базе слюд — миканиты, микалента, микафолий, микалекс и т.д.

Слюда, добытая в руднике, разбирается, сортируется. Крупные куски вручную расщепляются на пластинки — так получается щипаная слюда — прозрачные однородные пластинки. Такая слюда обладает самым высоким качеством и идет на ответственные применения — в вакуумной технике, окна ввода/вывода излучения и т.д. К сожалению, крупные однородные куски слюды без дефектов — редкость, поэтому пластинки из слюды разной формы склеивают воедино, так получается миканит. Если в качестве подложки для наклеивания пластинок слюды использовать ткань (стеклоткань, бумагу) получается микалента, микафолий, стекломиканит. Совсем мелкие отходы слюды размалываются, и в виде водной пульпы отливаются на сетку, также как бумага. После удаления воды частички слюды слипаются в единое полотно — получается слюдяная бумага (слюдинит, слюдопласт). Получившееся полотно для прочности может пропитываться органическим связующим. Гибкость слюдяной бумаги позволяет наматывать её в качестве изоляции. Также намоткой можно получить стержни, трубки. Если пропитать слюду расплавленным стеклом, то получившийся прочный материал называется микалекс.

Перемолотая в пыль слюда — компонент пигментов, благодаря своей «чешуйчастости» дает перламутровый эффект. В пигментах используется в основном биотит.

Синтетический материал — фторфлогопит (synthetic mica) — это слюда (флогопит) где -OH группы заменены фтором. Фторфлогопит более прочен и термически стоек, выглядит также как слюда, тоже слоистый но абсолютно прозрачный/белый, а не желтоватого оттенка, как природная слюда. Увы, пока с этим материалом живьем не сталкивался.

Примеры применения

Конструктивные элементы для удержания нагревательных элементов в фенах, калориферах, тепловентиляторах, паяльниках и т.д.

Нагреватели бытовых тепловентиляторов. Конструкция слева менее материалоемкая, но значительно менее надежная, особенно в условиях механических нагрузок.

Как защитное окошко выхода микроволнового излучения от магнетрона в микроволновках. (обычно попадая на слюду еда обугливается, и становясь проводником, начинает бурно искрить, от чего владельцы микроволновки со страху микроволновку выбрасывают, хотя достаточно вырезать из листа слюды и заменить окошко.)

Окошко вывода микроволнового излучения из слюды.

Благодаря тому, что тонкие пластинки слюды не пропускают газы, но пропускают энергичные заряженные частицы — слюдяные окошки используются в конструкциях счетчиков альфа и бета частиц.

Используется в конструкциях радиоламп — удерживает электроды на своих местах.

Восьмигранная пластинка изготовлена из слюды.

Используется как материал слюдяных конденсаторов. Слюда выступает диэлектриком, а электродами — проводящее напыление металла на пластинках слюды. Данный вид конденсаторов встречается всё реже и реже, вытесненный конденсаторами на базе полимерных пленок. Слюдяные конденсаторы могут работать при высокой температуре.

Слюдяные конденсаторы производства СССР полувековой давности.

Пластинки слюды в конденсаторе. Металлизация на пластинках формирует обкладки.

До появления и широкого распространения теплопроводящих изолирующих прокладок из полимерных материалов, вроде Номакон, слюдяные пластинки использовались для электрической изоляции компонентов при сохранении теплового контакта, например, когда необходимо на один радиатор закрепить несколько транзисторов, корпуса которых под разными напряжениями.

Пластинки природной щипаной слюды.

Интересные факты о слюде

Раньше, несколько веков назад, когда не умели делать тонкие оконные стекла, светопрозрачные конструкции делали расщепляя природную слюду. Так как большие куски слюды без дефектов были редкостью, то и окна принимали причудливую форму.

Природная слюда прозрачна. Слюдоматериалы полученные переработкой природной слюды как правило непрозрачны.

Окно со вставками из слюды из экспозиции красноярского краеведческого музея

Слюда — достаточно мягкий материал, слюдяная пластинка (как и большинство материалов на её базе) легко режется ножницами. В силу своей слоистой природы, склеивание слюды — занятие малонадежное, сила сцепления меж слоев невысокая, поэтому при производстве детали из слюды скрепляют механически- заклепки, люверсы, винты и т. д.

Электрические соединения с нагревательным элементом выполнены полыми заклепками.

Алюмооксидные керамики

Очень похожи по внешнему виду на фарфор, только лучше. Содержат практически чистый Al₂O₃. Более подробно неплохо описано в этой статье.

Твёрдая, прочная керамика, из которой изготавливают:

Корпуса микросхем, обычно ответственного применения.

Корпуса процессоров раньше делали керамическими, но рост тепловыделения и конкуренция по цене вынудили отказаться от этого материала. Именно с керамическим корпусом процессоров был связан анекдот про нового русского и плитку в ванной от Intel.

Корпуса электровакуумных приборов.

Корпус вакуумной колбы магнетрона изготовлен из меди и алюмооксидной керамики. Керамика видна на фото, фиолетовый поясок между колпачком и корпусом.

Алюмооксидная керамика очень твёрдая, обрабатывается как и многие керамики алмазным инструментом. Обломок керамического корпуса микросхемы — отличное орудие для написания посланий на лобовом стекле автомобиля, оставляет четкие ровные царапины не хуже стеклореза.

Данный вид керамики плотный, не впитывает влагу, удерживает вакуум, не трескается при резком перепаде температур и тепловом ударе. При этом сцепление металлических пленок с поверхностью высокое, позволяет делать на керамике дорожки, герметично приваривать металлические детали.

Асбест

Уникальный, непревзойденный материал. Природное волокно, «горный лен». Является огнестойким диэлектриком. Использовалось во множестве применений, начиная от армирующей добавки в полимеры, заканчивая изоляцией нагревательных приборов. Выпускается в виде листов, нити, пряжи. Чаще всего используется именно как теплоизолятор, как диэлектрик только в установках невысокого (до 1 кВ) напряжения.

Кусок асбестокартона и старый грязный асбестовый шнур. Асбест на ощупь очень мягкий и не колется как стеклоткани.

Широко применялся в строительстве. Шифер — это цемент, упрочненный волокнами асбеста, практически вечный материал. Высоко ценилась его дешевизна и огнестойкость. Но есть одно но:

Асбест — канцероген. Причем канцероген 1-го класса (от МАИР), наравне с мышьяком, формальдегидом. Длительное наблюдение показало, что изделия из асбеста пылят волокном, которое при вдыхании может провоцировать заболевание легких — асбестоз. Прежде всего в группе риска работники предприятий по добыче и переработке асбеста. В меньшей степени подвержены опасности те, кто ежедневно эксплуатируют изделия из асбеста. В остальных случаях нет причин для паники, если у вас на даче крыша покрыта шифером, а печь в бане прикрыта асбестокартоном, то вы скорее всего умрете не от асбеста, а от заболеваний сердечно-сосудистой системы (статистика смертности).

Асбест и изделия из асбеста до сих пор широко производятся, поскольку в некоторых задачах заменить асбест без потери свойств попросту нечем (или слишком дорого). Асбест отличный материал при конструировании экспериментальных устройств, содержащих нагреватели или раскаленные части. На куске асбестокартона можно спокойно газовой горелкой греть детали до 1000 °C, при этом он сохранит свою форму. Асбестовая нить удобна для стягивания нихрома в нагревателях.

Байка (из Википедии):

Давно существует легенда о том, как Акинфий Демидов привёз Петру I прекрасную белоснежную скатерть со своего уральского завода. Во время трапезы он демонстративно опрокинул на скатерть тарелку супа, вылил бокал красного вина, а затем скомкал скатерть и бросил её в камин. Затем, достав из огня, показал царю: на ней не осталось ни одного пятнышка. Эта скатерть была сделана из уральского хризотил-асбеста. И в самом деле, демидовские крепостные рабочие достигли совершенства в изготовлении асбестовых тканей.

Из них делали ажурные дамские шляпки, перчатки, кошельки, сумочки и кружева. Они не требовали стирки, их кидали в огонь, и через несколько минут после охлаждения их можно было снова носить. При своей эластичности асбестовая ткань прочнее стальной проволоки на разрыв.

Вода

Это абсолютно контринтуитивно, но этот пункт включен сюда, чтобы взорвать вам мозг. Вода практически не проводит ток! (UPD: пока готовилась публикация, появилась статья про это.) Везде учат, что вода хороший проводник электричества, и обычно это так. Но очень чистая деионизированная вода, которая не содержит ничего кроме H₂O ток не проводит — её удельное сопротивление 18 МОм⋅см. Та вода, которая проводит ток — недостаточно чистая. Измерение электрической проводимости — довольно простой способ оценки качества и чистоты воды.

Бутылка деионизированной воды из радиомагазина. Печатные платы электронных устройств стоит промывать только дистилированной или деионизированной водой, иначе соли, содержащиеся в воде, могут наделать бед.

Имея сильно полярные и подвижные молекулы, вода не только изолятор, но и имеет очень высокую диэлектрическую проницаемость — около 81 при комнатной температуре (у большинства обычных диэлектриков она не превышает 20-30). На этом основаны емкостные измерители влажности: небольшое количество воды между обкладками конденсатора резко повышает его емкость.

К сожалению, вода — прекрасный растворитель, а растворенные в ней вещества обычно образуют электролиты. Стоит постоять дистиллированной воде на воздухе, и она растворяет в себе углекислый газ, образуя электролит — слабый раствор угольной кислоты. Вода способна растворять и стенки сосуда, в котором находится. Малейшая примесь солей, особенно хлоридов и сульфидов натрия, калия, кальция, резко повышает проводимость воды. Поэтому на практике в роли диэлектрика вода никуда не годится.

Элегаз

Диэлектрики могут быть газообразными. Сухой воздух — хороший диэлектрик, но в некоторых задачах его электроизоляционные свойства недостаточны. Пример газообразного диэлектрика — гексафторид серы или «элегаз», он тяжелее воздуха и имеет пробивное напряжение в несколько раз выше, чем у воздуха, что позволяет сделать электрическую машину компактнее.

Довольно забавный опыт, когда вдохнув гелия голос человека становится выше с элегазом выглядит иначе — голос становится ниже. Другое видео: Пара гелий — гексафторид серы. Так как элегаз тяжелее воздуха, в нем может плавать легкая лодка.

Ссылки на части руководства:

1: Проводники: Серебро, Медь, Алюминий.
2: Проводники: Железо, Золото, Никель, Вольфрам, Ртуть.
3: Проводники: Углерод, нихромы, термостабильные сплавы, припои, прозрачные проводники.
4: Неорганические диэлектрики: Фарфор, стекло, слюда, керамики, асбест, элегаз и вода.
5: Органические полусинтетические диэлектрики: Бумага, щелк, парафин, масло и дерево.
6: Синтетические диэлектрики на базе фенолформальдегидных смол: карболит (бакелит), гетинакс, текстолит.
7: Диэлектрики: Стеклотекстолит (FR-4), лакоткань, резина и эбонит.
8: Пластики: полиэтилен, полипропилен и полистирол.
9: Пластики: политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат и силиконы.
10: Пластики: полиамиды, полиимиды, полиметилметакрилат и поликарбонат. История использования пластиков.
11: Изоляционные ленты и трубки.
12: Финальная

МАГНИТНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ • Большая российская энциклопедия

Авторы: А. П. Пятаков

МАГНИ́ТНЫЕ ДИЭЛЕ́КТРИКИ, маг­нит­ные ве­ще­ст­ва с низ­кой элек­тро­про­вод­но­стью. К М. д. от­но­сят­ся фер­ри­ты-шпи­не­ли, фер­ри­ты-гра­на­ты, ман­га­ни­ты, фер­ро­бо­ра­ты, га­ло­ге­ни­ды пе­ре­ход­ных ме­тал­лов и др. В от­ли­чие от маг­нит­ных ме­тал­лов, в М.  д. взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду маг­нит­ны­ми ио­на­ми осу­ще­ст­в­ля­ет­ся по­сред­ст­вом свя­зую­щих анио­нов (ли­ган­дов), а не че­рез элек­тро­ны про­во­ди­мо­сти. При та­ком кос­вен­ном ха­рак­те­ре об­мен­но­го взаи­мо­дей­ст­вия на­ря­ду с фер­ро­маг­не­тиз­мом на­блю­да­ют­ся так­же др. ви­ды маг­нит­но­го упо­ря­до­че­ния: боль­шин­ст­во ан­ти­фер­ро­маг­не­ти­ков и фер­ри­маг­не­ти­ков яв­ля­ют­ся имен­но ди­элек­три­ка­ми. Осо­бен­но­стью ок­сид­ных М. д. в по­ли­кри­стал­лич. фор­ме яв­ля­ет­ся бо́льшая ве­ли­чи­на ста­тич. ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­сти (до 10⁵), что свя­за­но с осо­бым ме­ха­низ­мом элек­трич. по­ля­ри­за­ции – ско­п­ле­ни­ем за­ря­дов на гра­ни­цах кри­стал­ли­тов. М. д. ис­поль­зу­ют там, где нуж­но умень­шить по­те­ри на вих­ре­вые то­ки: в ка­че­ст­ве сер­деч­ни­ков в ка­туш­ках ин­дук­тив­но­сти, маг­ни­то­про­во­дов в транс­фор­ма­то­рах и т. п.

Ис­кусств. маг­нит­ные ди­элек­трич. ма­те­риа­лы, пред­став­ляю­щие со­бой ком­по­зит­ные сре­ды, со­стоя­щие из маг­нит­но­го по­рош­ка и не­про­во­дя­щей связ­ки (напр. , по­ли­сти­ро­ла, па­ра­фи­на или ре­зи­ны), на­зы­ва­ют маг­ни­то­ди­элек­три­ка­ми.

В отд. класс мож­но вы­де­лить раз­бав­лен­ные М. д. – не­про­во­дя­щие со­еди­не­ния (как пра­ви­ло, ок­си­ды ZnO, TiO₂) с при­ме­сью маг­нит­ных ме­тал­лов Fe, Co, Cr, Mn, V и др. Ме­ха­низм взаи­мо­дей­ст­вия ме­ж­ду маг­нит­ны­ми ио­на­ми в них, как и в др. М. д., не свя­зан с элек­тро­на­ми про­во­ди­мо­сти (в от­ли­чие от раз­бав­лен­ных маг­нит­ных по­лу­про­вод­ни­ков). Осо­бен­но­стью раз­бав­лен­ных М. д. яв­ля­ет­ся очень силь­ная за­ви­си­мость их маг­нит­но­го упо­ря­до­че­ния от разл. ро­да де­фек­тов (ва­кан­сий и меж­до­узель­ных вклю­че­ний), иг­раю­щих роль по­сред­ни­ков при кос­вен­ном об­мен­ном взаи­мо­дей­ст­вии ме­ж­ду ио­на­ми маг­нит­ных при­ме­сей. Это, с од­ной сто­ро­ны, за­труд­ня­ет ис­сле­до­ва­ние раз­бав­лен­ных М. д., с дру­гой – по­зво­ля­ет в пер­спек­ти­ве на­де­ять­ся на соз­да­ние ма­те­риа­лов с ре­гу­ли­руе­мы­ми маг­нит­ны­ми свой­ст­ва­ми.

М. д., в ко­то­рых, на­ря­ду с маг­нит­ным, су­ще­ст­ву­ет сег­не­то­элек­трич. упо­ря­до­че­ние, на­зы­ва­ют сег­не­то­маг­не­ти­ка­ми. Они яв­ля­ют­ся ча­ст­ным слу­ча­ем бо­лее об­ще­го клас­са муль­ти­фер­рои­ков, со­че­таю­щих в се­бе разл. ви­ды упо­ря­до­че­ний (маг­нит­ное, сег­не­то­элек­трич., сег­не­то­эла­стич. и др.). Сег­не­то­элек­трич. упо­ря­до­че­ние мо­жет иметь как соб­ст­вен­ный, так и не­соб­ст­вен­ный (маг­ни­то­ин­ду­ци­ро­ван­ный) ха­рак­тер. Взаи­мо­связь маг­нит­ной и элек­трич. под­сис­тем в М. д. мо­жет про­яв­лять­ся в ви­де за­ви­си­мо­сти ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­сти от на­пря­жён­но­сти маг­нит­но­го по­ля (т. н. маг­ни­то­ди­элек­три­че­ский эф­фект), а так­же в ря­де маг­ни­то­элек­трич. яв­ле­ний (см. Маг­ни­то­элек­три­че­ский эф­фект).

Композитные магнитные диэлектрики с магнитоэлектрическими свойствами: а – жидкокристаллическая ячейка со взвешенными наночастицами Ni продолговатой формы; б – переориентация молекул и связ…

Прак­тич. ин­те­рес пред­став­ля­ет осо­бый класс М. д. – ком­по­зит­ные маг­ни­то­элек­трич. ма­те­риа­лы. Они мо­гут быть соз­да­ны в фор­ме слои­стых струк­тур из пье­зо­элек­трич. и маг­ни­то­ст­рик­ци­он­ных сло­ёв. Др. кон­цеп­ция маг­ни­то­элек­трич. сре­ды, пред­ло­жен­ная ни­дерл. учё­ным Б. Тел­ле­ге­ном (1948), пред­по­ла­га­ет на­ли­чие в ма­те­риа­ле сво­бод­но вра­щаю­щих­ся час­тиц, об­ла­даю­щих маг­нит­ным и элек­трич. ди­поль­ны­ми мо­мен­та­ми. Она толь­ко на­чи­на­ет на­хо­дить своё во­пло­ще­ние в тех­но­ло­гии элек­трон­ных чер­нил и жид­кок­ри­стал­лич. дис­плей­ных эле­мен­тов с вне­дрён­ны­ми маг­нит­ны­ми на­но­час­ти­ца­ми (рис.).

Маг­ни­то­элек­трич. ма­те­риа­лы об­ла­да­ют боль­шим по­тен­циа­лом прак­тич. при­ло­же­ний в об­лас­ти энер­го­сбе­ре­гаю­щих тех­но­ло­гий: маг­нит­ные сен­со­ры, ём­ко­ст­ные элек­тро­маг­ни­ты, эле­мен­ты маг­нит­ной па­мя­ти, не­вза­им­ные СВЧ-фильт­ры и др. уст­рой­ст­ва, не пред­по­ла­гаю­щие про­те­ка­ния по­сто­ян­ных элек­трич. то­ков и со­пря­жён­ных с ни­ми те­п­ло­вых по­терь.

Диэлектрические материалы для полупроводниковых микросхем

Диэлектрические материалы для полупроводников чипсы

Немного информации о диэлектрическом материале:

Диэлектрический материал с очень низким электрическим электропроводность (одна миллионная мОм/см), при которой электрическое поле может поддерживаться с минимальной утечкой. Он может хранить электрическую энергию/заряд.

Электрически чувствительные молекулы внутри диэлектрика материал, называемый полярными молекулами, выравнивается по образцу всякий раз, когда подается внешнее электрическое напряжение. Полярные молекулы выравниваются с полем так, чтобы положительные заряды накапливались на одной стороне диэлектрика и отрицательные заряды на другое лицо.

Сухой воздух является хорошим примером диэлектрического материала, но является плохим диэлектриком. Большинство диэлектрических материалов твердые, такие как фарфор (керамика), стекло, слюда, пластмассы, и оксиды различных металлов. Некоторые жидкости и газы может также иметь хорошие диэлектрические свойства, вакуум и перегонку вода также является диэлектрическим материалом.

Диэлектрический материал обычно используется в конденсаторах для уменьшить размер конденсатора. Керамика и пластик пленочные конденсаторы являются хорошим примером. Еще одно важное приложение диэлектрических материалов в полупроводниковых чипах для изоляции транзисторы друг от друга. Диэлектрические материалы также используется в различных других электрических и электронных компонентах.

Почему в конденсаторе используется диэлектрический материал?

Диэлектрический материал обеспечивает механическую прочность
По фактору? емкость увеличена
«пробой диэлектрика», или максимальное электрическое поле до того, как начнется проводимость между пластинами, может быть выше, чем для воздуха, допуская высокие номинальные напряжения
Отрыв пластины может быть небольшим, что также увеличивает емкость

Диэлектрическая прочность может быть определена как максимальный потенциал градиент, которому может подвергаться материал без изоляции поломка, то есть

 

Где DS — диэлектрическая прочность в кВ/мм, VB — пробойная напряжение и d толщина.

Диэлектрическая проницаемость – это отношение количества хранимой электрическая энергия при приложении потенциала, относительная к диэлектрической проницаемости вакуума.

ПОЛУПРОВОДНИКИ Применение
За счет улучшения диэлектрических характеристик материала используется в полупроводниковых устройствах, производительность полупроводниковых устройства, такие как энергопотребление, скорость и размер, улучшаются. Также полупроводниковые чипы могут интегрировать высокую емкость конденсаторы внутри чипа, чтобы сохранить схему от использования внешние развязывающие конденсаторы между питанием и наземные самолеты.
Эти развязывающие конденсаторы уменьшат переходное напряжение на напряжении, которые вызваны скачками тока которые возникают, когда транзисторы в полупроводниковой схеме включить или выключить.

С середины 1990-х годов микроэлектронная промышленность инновационные high- и low-k диэлектрики (k — диэлектрическая константа материала) для непрерывного сокращения обоих горизонтальные и вертикальные размеры интегральных схем (ИС). Из-за использования материала с низким K ток утечки затвора и тепловыделение может быть снижено. Низкокалиевые материалы предлагают меньшую задержку распространения и меньшие перекрестные помехи, что позволяет устройства для работы на более высоких частотах, т.е. в диапазоне гигагерц.

Диэлектрические материалы Low K:

Как по вертикали, так и по горизонтали уменьшение расстояние между металлическими межсоединениями создало потребность в материалы с низким k, которые служат межуровневыми диэлектриками для компенсировать увеличение времени распространения сигнала между транзисторами, известная как RC-задержка (R — сопротивление металлического провода, а C — межуровневое сопротивление). диэлектрическая емкость). Для выполнения этих требований на Узлы производства ИС 32 нм и меньше, инновации в области диэлектриков материалы необходимы, если плотность устройства ИС должна продолжаться по закону Мура. Материалы Low K используются в многоуровневых межсоединений, межслойных диэлектриков и для пассивации слои.

Некоторые примеры диэлектрических материалов с низким значением K: Нанопористый диоксид кремния, гидрогенсилсесквиоксаны (HSQ), тефлон-AF (Политетрафторэтилен или ПТФЭ), оксифторид кремния (FSG). Нынешняя тенденция в настоящее время заключается в использовании диэлектрика с K менее чем 2.

Диэлектрические материалы High K :

Диэлектрические материалы High K необходимы для хранения конденсаторы и устройства энергонезависимой статической памяти. Где бы требуется высокая емкость, используется материал high-K.

Между затвором и затвором используется диэлектрический материал

High K. кремний в КМОП-транзисторах для увеличения емкости металла и кремния.

http://yuekuo.tamu.edu/Hkgd.htm

Обычные материалы, такие как термический и химический пар осаждение (CVD) SiO2 заменяется новыми материалами такие как диэлектрики с высоким k затвора и легированный углеродом SiO2 для межуровневые диэлектрики с низким k.

Некоторые из новейших диэлектрических материалов с высоким k включают:

— SiNx с 4 < k < 10
— Ta2O5, Al2O3, ZrO2 и HfO2 с 10 < k < 100
— ЦТС с k<100

Чтобы найти диэлектрическую проницаемость для тысяч химических соединений и элементы посетите сайт http://www. clippercontrols.com/info/dielectric_constants.html
И
http://www.kayelaby.npl.co.uk/general_physics/2_6/2_6_5.html

19.5 Конденсаторы и диэлектрики – Колледж физики главы 1-17

19 Электрический потенциал и электрическое поле

Резюме

• Опишите действие конденсатора и определите емкость.
• Расскажите о конденсаторах с плоскими пластинами и их емкости.
• Обсудите процесс увеличения емкости диэлектрика.
• Определить емкость при данных заряде и напряжении.

Конденсатор — это устройство, используемое для накопления электрического заряда. Применение конденсаторов варьируется от фильтрации статического электричества в радиоприеме до накопления энергии в сердечных дефибрилляторах. Как правило, коммерческие конденсаторы имеют две проводящие части, расположенные близко друг к другу, но не соприкасающиеся, как показано на рис. 1. (Большую часть времени между двумя пластинами используется изолятор для обеспечения разделения — см. обсуждение диэлектриков ниже.) Когда клеммы батареи подключены к изначально незаряженному конденсатору, равные количества положительного и отрицательного заряда, [латекс]\boldsymbol{+Q}[/латекс] и [латекс]\boldsymbol{-Q}[/латекс], разделены на его две тарелки. Конденсатор в целом остается нейтральным, но в этом случае мы называем его хранящим заряд [латекс]\boldsymbol{Q}[/латекс].

Конденсатор

Конденсатор — это устройство, используемое для накопления электрического заряда.

Рисунок 1. Оба конденсатора, показанные здесь, были изначально разряжены перед подключением к батарее. Теперь у них есть отдельные заряды + Q и – Q на две половины. а) Конденсатор с плоскими пластинами. (b) Свернутый конденсатор с изоляционным материалом между двумя его проводящими листами.

Сумма заряда [латекс]\boldsymbol{Q}[/латекс] a , который может хранить конденсатор , зависит от двух основных факторов: приложенного напряжения и физических характеристик конденсатора, таких как его размер.

Количество заряда

Q  Конденсатор может хранить

Количество заряда [латекс]\boldsymbol{Q}[/latex], которое может хранить конденсатор , зависит от двух основных факторов: приложенного напряжения и емкости конденсатора. физические характеристики, например размер.

Система, состоящая из двух одинаковых параллельных проводящих пластин, разделенных расстоянием, как показано на рисунке 2, называется конденсатором с параллельными пластинами. Легко увидеть взаимосвязь между напряжением и накопленным зарядом для плоского конденсатора, как показано на рисунке 2. Каждая линия электрического поля начинается с отдельного положительного заряда и заканчивается отрицательным, так что поле будет больше. линии, если есть больше заряда. (Рисовать одну силовую линию для каждого заряда — это только для удобства. Мы можем нарисовать много силовых линий для каждого заряда, но их общее число пропорционально количеству зарядов.) Таким образом, напряженность электрического поля прямо пропорциональна [латексной ]\boldsymbol{Q}[/латекс]

Рисунок 2. Силовые линии электрического поля в этом конденсаторе с плоскими пластинами, как всегда, начинаются с положительных зарядов и заканчиваются с отрицательными зарядами. Поскольку напряженность электрического поля пропорциональна плотности силовых линий, она также пропорциональна количеству заряда на конденсаторе.

Поле пропорционально заряду:

[латекс]\boldsymbol{E \propto Q},[/латекс]

, где символ [латекс]\жирныйсимвол{\пропто}[/латекс] означает «пропорционально». Из обсуждения в главе 19.2 Электрический потенциал в однородном электрическом поле, мы знаем, что напряжение на параллельных пластинах равно [латекс]\boldsymbol{V = Ed}[/латекс]. Таким образом,

[латекс]\boldsymbol{V \propto E}.[/латекс]

Отсюда следует, что [латекс]\boldsymbol{V \propto Q}[/латекс], и наоборот,

[латекс]\boldsymbol{Q \propto V}.[/латекс]

В общем случае это верно: чем больше напряжение, приложенное к любому конденсатору, тем больший заряд в нем хранится.

Различные конденсаторы сохраняют различное количество заряда при одном и том же приложенном напряжении в зависимости от их физических характеристик. Мы определяем их емкость [латекс]\boldsymbol{C}[/latex] так, чтобы заряд [латекс]\boldsymbol{Q}[/латекс], хранящийся в конденсаторе, был пропорционален [латекс]\boldsymbol{C}[ /латекс]. Заряд, хранящийся в конденсаторе, равен 9.0006

[латекс]\boldsymbol{Q = CV}.[/латекс]

Это уравнение выражает два основных фактора, влияющих на количество накопленного заряда. Этими факторами являются физические характеристики конденсатора, [латекс]\boldsymbol{C}[/латекс], и напряжение, ВВ . Преобразовывая уравнение, мы видим, что емкость [латекс]\boldsymbol{C}[/латекс]  – это количество заряда, накопленного на вольт, или

[латекс]\boldsymbol{C =}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{Q}{V}}.[/латекс]

Емкость

Емкость [латекс]\boldsymbol{C}[/латекс] — это количество заряда, накопленного на вольт, или

[латекс]\жирный символ{С =}[/латекс] [латекс]\жирныйсимвол{\фракция {Q}{V}}. [/латекс]

Единицей измерения емкости является фарад (Ф), названный в честь Майкла Фарадея (1791–1867), английского ученого, внесшего вклад в области электромагнетизма и электрохимии. Поскольку емкость — это заряд на единицу напряжения, мы видим, что фарад — это кулон на вольт, или

.

[латекс]\boldsymbol{1 \;\textbf{F} =}[/latex] [латекс]\boldsymbol{\frac{1 \;\textbf{C}}{1 \;\textbf{V}}} .[/латекс] 9{-3} \;\textbf{F})}[/latex].

На рис. 3 показаны некоторые распространенные конденсаторы. Конденсаторы в основном изготавливаются из керамики, стекла или пластика, в зависимости от назначения и размера. Как обсуждается ниже, в их конструкции обычно используются изоляционные материалы, называемые диэлектриками.

Рисунок 3. Некоторые типовые конденсаторы. Размер и значение емкости не обязательно связаны. (кредит: Уинделл Оскей)

Конденсатор с параллельными пластинами, показанный на рисунке 4, имеет две одинаковые проводящие пластины, каждая из которых имеет площадь поверхности [латекс]\boldsymbol{A}[/латекс], разделенную расстоянием [латекс]\boldsymbol{d}[/латекс] ( без материала между пластинами). Когда к конденсатору прикладывается напряжение [latex]\boldsymbol{V}[/latex], он накапливает заряд [latex]\boldsymbol{Q}[/latex], как показано на рисунке. Мы можем увидеть, как его емкость зависит от [латекс]\boldsymbol{A}[/латекс] и [латекс]\boldsymbol{d}[/латекс], рассматривая характеристики кулоновской силы. Мы знаем, что одинаковые заряды отталкиваются, разноименные притягиваются, а сила между зарядами уменьшается с расстоянием. Поэтому кажется вполне разумным, что чем больше пластины, тем больше заряда они могут хранить, потому что заряды могут распространяться дальше. Таким образом, [латекс]\boldsymbol{C}[/latex] должен быть больше для больших [латекс]\boldsymbol{A}[/латекс]. Точно так же, чем ближе пластины друг к другу, тем сильнее притяжение к ним противоположных зарядов. Так что [латекс]\boldsymbol{C}[/латекс] должен быть больше для меньшего [латекс]\жирныйсимвол{d}[/латекс].

Рисунок 4. Конденсатор с параллельными пластинами с пластинами, разделенными расстоянием d . 2}[/latex]. Небольшое числовое значение [латекс]\boldsymbol{{\varepsilon}_0}[/латекс] связано с большим размером фарады. Плоский конденсатор должен иметь большую площадь, чтобы иметь емкость, приближающуюся к фарадам. (Обратите внимание, что приведенное выше уравнение справедливо, когда параллельные пластины разделены воздухом или свободным пространством. Когда между пластинами помещается другой материал, уравнение модифицируется, как описано ниже.) 93 \;\textbf{V}}[/latex] применяется к нему?

Стратегия

Нахождение емкости [латекс]\boldsymbol{C}[/latex] является прямым применением уравнения [латекс]\boldsymbol{C = {\varepsilon}_0 A/d}[/latex] . Как только [латекс]\boldsymbol{C}[/латекс] найден, накопленный заряд можно найти с помощью уравнения [латекс]\жирныйсимвол{Q = CV}[/латекс].

Решение для (a)

Ввод данных значений в уравнение для емкости плоского конденсатора дает 9{-9} \;\textbf{F} = 8,85 \;\textbf{nF}}. \end{array}[/latex]

Обсуждение для (a)

Это маленькое значение емкости показывает, насколько сложно сделать устройство с большой емкостью. Помогают специальные методы, такие как использование тонкой фольги очень большой площади, расположенной близко друг к другу.

Решение для (b)

Заряд, хранящийся в любом конденсаторе, определяется уравнением [латекс]\boldsymbol{Q = CV}[/латекс]. Ввод известных значений в это уравнение дает 96 \;\textbf{V} / \textbf{m}}[/latex], на этом конденсаторе нельзя накопить больше заряда за счет увеличения напряжения.

Еще один интересный биологический пример, связанный с электрическим потенциалом, обнаружен в плазматической мембране клетки. Мембрана отделяет клетку от окружающей среды, а также позволяет ионам избирательно входить и выходить из клетки. На мембране существует разность потенциалов около -70 мВ. Это связано с наличием в клетке в основном отрицательно заряженных ионов и преобладанием положительно заряженного натрия (Na 96 \;\textbf{V} / \textbf{m}}.[/latex]

Этого электрического поля достаточно, чтобы вызвать пробой воздуха.

Предыдущий пример подчеркивает сложность сохранения большого количества заряда в конденсаторах. Если [латекс]\boldsymbol{d}[/латекс] уменьшить для получения большей емкости, то максимальное напряжение должно быть уменьшено пропорционально, чтобы избежать пробоя (поскольку [латекс]\жирный символ{E = V/d}[/латекс ]). Важное решение этой проблемы состоит в том, чтобы поместить изолирующий материал, называемый диэлектриком, между пластинами конденсатора и позволить [латексу]\boldsymbol{d}[/латексу] быть как можно меньше. Мало того, что меньший [латекс]\boldsymbol{d}[/латекс] увеличивает емкость, многие изоляторы могут выдерживать более сильные электрические поля, чем воздух, прежде чем разрушиться.

Использование диэлектрика в конденсаторе имеет еще одно преимущество. В зависимости от используемого материала емкость больше, чем указанная уравнением [латекс]\boldsymbol{C = {\varepsilon}_0 \frac{A}{d}}[/latex], на коэффициент [латекс]\boldsymbol {\kappa}[/latex] , называемая диэлектрической проницаемостью . Емкость плоского конденсатора с диэлектриком между пластинами равна

.

[латекс]\boldsymbol{C = \kappa {\varepsilon}_0}[/latex] [латекс]\boldsymbol{\frac{A}{d}}[/latex] [латекс]\boldsymbol{(\textbf{ плоскопараллельный конденсатор с диэлектриком})}.[/latex]

Значения диэлектрической проницаемости [латекс]\boldsymbol{\kappa}[/латекс] для различных материалов приведены в таблице 1. Обратите внимание, что [латекс]\жирныйсимвол{\каппа}[/латекс] для вакуума ровно 1, а поэтому приведенное выше уравнение справедливо и в этом случае. Если используется диэлектрик, например, путем помещения тефлона между пластинами конденсатора в примере 1, то емкость увеличивается в [латекс]\жирныйсимвол{\каппа}[/латекс], что для тефлона составляет 2,1.

Самостоятельный эксперимент: создание конденсатора

Насколько большой конденсатор можно сделать из обертки от жевательной резинки? Пластины будут алюминиевой фольгой, а перегородка (диэлектрик) между ними будет бумагой.

Материал	Диэлектрическая проницаемость [латекс]\boldsymbol{\kappa}[/латекс]	Диэлектрическая прочность (В/м)
Вакуум	1. 6}[/латекс] 96}[/латекс]
Вода	80	—
Таблица 1. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая прочность для различных материалов при 20ºC

Также обратите внимание, что диэлектрическая проницаемость воздуха очень близка к 1, так что конденсаторы, заполненные воздухом, действуют так же, как конденсаторы с вакуумом между пластинами , за исключением , что воздух может стать проводящим, если напряженность электрического поля становится слишком большой . (Напомним, что [латекс]\boldsymbol{E = V/d}[/латекс] для конденсатора с плоскими пластинами.) В таблице 1 также показаны максимальные значения напряженности электрического поля в В/м, называемые диэлектрической прочностью, для нескольких материалов. Это поля, выше которых материал начинает разрушаться и проводить. Диэлектрическая прочность накладывает ограничение на напряжение, которое может быть приложено для данного разделения пластин. 4 \;\textbf{V})} \\[1em] & \boldsymbol{ 1.1 \;\textbf{mC}.} \end{массив}[/latex]

Это в 42 раза больше заряда того же воздушного конденсатора.

Диэлектрическая прочность

Максимальная напряженность электрического поля, выше которой изоляционный материал начинает разрушаться и проводить ток, называется диэлектрической прочностью.

Каким образом диэлектрик увеличивает емкость под микроскопом? В этом виновата поляризация изолятора. Чем легче он поляризуется, тем больше его диэлектрическая проницаемость [латекс]\boldsymbol{\kappa}[/латекс]. Вода, например, является полярной молекулой, потому что один конец молекулы имеет небольшой положительный заряд, а другой конец имеет небольшой отрицательный заряд. Полярность воды приводит к тому, что она имеет относительно большую диэлектрическую проницаемость, равную 80. Эффект поляризации можно лучше всего объяснить с точки зрения характеристик кулоновской силы. На рис. 5 схематично показано разделение заряда в молекулах диэлектрического материала, помещенного между заряженными пластинами конденсатора. Кулоновская сила между ближайшими концами молекул и зарядом на пластинах притягивает и очень велика, так как они очень близко друг к другу. Это притягивает к пластинам больше заряда, чем если бы пространство было пустым, а противоположные заряды находились на расстоянии [латекс]\boldsymbol{d}[/латекс].

Рис. 5. (а) Молекулы изоляционного материала между пластинами конденсатора поляризуются заряженными пластинами. Это создает слой противоположного заряда на поверхности диэлектрика, который притягивает больше заряда к пластине, увеличивая ее емкость. (b) Диэлектрик снижает напряженность электрического поля внутри конденсатора, что приводит к меньшему напряжению между пластинами при том же заряде. Конденсатор сохраняет тот же заряд при меньшем напряжении, что означает, что он имеет большую емкость из-за диэлектрика.

Другой способ понять, как диэлектрик увеличивает емкость, — рассмотреть его влияние на электрическое поле внутри конденсатора. На рис. 5(b) показаны силовые линии электрического поля с установленным диэлектриком. Поскольку силовые линии заканчиваются на зарядах в диэлектрике, их меньшее количество проходит от одной стороны конденсатора к другой. Таким образом, напряженность электрического поля меньше, чем если бы между пластинами был вакуум, хотя на пластинах находится тот же заряд. Напряжение между пластинами равно [латекс]\boldsymbol{V = Ed}[/латекс], так что диэлектрик тоже снижает его. Таким образом, существует меньшее напряжение [латекс]\boldsymbol{V}[/латекс] для того же заряда [латекс]\boldsymbol{Q}[/латекс]; поскольку [латекс]\boldsymbol{C = Q/V}[/латекс], емкость [латекс]\boldsymbol{C}[/латекс] больше.

Диэлектрическая проницаемость обычно определяется как [латекс]\boldsymbol{\kappa = E_0/E}[/латекс] или отношение электрического поля в вакууме к электрическому полю в диэлектрическом материале и тесно связано с поляризуемость материала.

Великие и малые вещи

Субмикроскопическое происхождение поляризации

Поляризация — это разделение зарядов внутри атома или молекулы. Как уже отмечалось, планетарная модель атома изображает его как имеющее положительное ядро, вращающееся вокруг отрицательно заряженных электронов, подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Хотя эта модель не совсем точна, она очень полезна для объяснения широкого круга явлений и будет уточнена в другом месте, например, в главе 30 «Атомная физика». Субмикроскопическое происхождение поляризации можно смоделировать, как показано на рис. 6.9.0006 Рис. 6. Представление художника о поляризованном атоме. Орбиты электронов вокруг ядра немного смещены внешними зарядами (показаны преувеличенно). Возникающее в результате разделение зарядов внутри атома означает, что он поляризован. Обратите внимание, что противоположный заряд теперь ближе к внешним зарядам, вызывая поляризацию.

В главе 30 «Атомная физика» мы найдем, что орбиты электронов правильнее рассматривать как электронные облака с плотностью облака, связанной с вероятностью нахождения электрона в этом месте (в отличие от определенных местоположений и путей планет в их орбиты вокруг Солнца). Это облако смещается кулоновской силой так, что атом в среднем имеет разделение заряда. Хотя атом остается нейтральным, теперь он может быть источником кулоновской силы, поскольку заряд, поднесенный к атому, будет ближе к одному типу заряда, чем к другому.

Некоторым молекулам, например молекулам воды, присуще разделение зарядов, поэтому их называют полярными молекулами. На рис. 7 показано разделение заряда в молекуле воды, имеющей два атома водорода и один атом кислорода [латекс]\boldsymbol{\textbf{H}_2 \textbf{O}}[/latex]. Молекула воды несимметрична — атомы водорода отталкиваются в одну сторону, придавая молекуле форму бумеранга. Электроны в молекуле воды более сконцентрированы вокруг более сильно заряженного ядра кислорода, чем вокруг ядер водорода. Это делает кислородный конец молекулы слегка отрицательным, а водородный конец оставляет слегка положительным. Присущее полярным молекулам разделение зарядов облегчает их согласование с внешними полями и зарядами. Поэтому полярные молекулы проявляют больший поляризационный эффект и имеют большую диэлектрическую проницаемость. Те, кто изучает химию, обнаружат, что полярная природа воды имеет множество эффектов. Например, молекулы воды намного эффективнее собирают ионы, потому что они имеют электрическое поле и разделение зарядов для притяжения зарядов обоих знаков. Кроме того, как показано в предыдущей главе, полярная вода обеспечивает защиту или экранирование электрических полей в сильно заряженных молекулах, представляющих интерес в биологических системах.

Рисунок 7. Представление художника о молекуле воды. Существует неотъемлемое разделение зарядов, поэтому вода является полярной молекулой. Электроны в молекуле притягиваются к ядру кислорода и оставляют избыток положительного заряда вблизи двух ядер водорода. (Обратите внимание, что схема справа представляет собой грубую иллюстрацию распределения электронов в молекуле воды. На ней не показано фактическое количество протонов и электронов, участвующих в структуре.)

PhET Explorations: Capacitor Lab

Узнайте, как работает конденсатор! Измените размер пластин и добавьте диэлектрик, чтобы увидеть влияние на емкость. Измените напряжение и увидите заряды на пластинах. Наблюдайте за электрическим полем в конденсаторе. Измерьте напряжение и электрическое поле.

Рис. 8. Конденсаторная лаборатория

• Конденсатор — это устройство, используемое для накопления заряда.
• Количество заряда [латекс]\boldsymbol{Q}[/латекс], которое может хранить конденсатор, зависит от двух основных факторов: приложенного напряжения и физических характеристик конденсатора, таких как его размер.
• Емкость [латекс]\boldsymbol{C}[/латекс] представляет собой количество накопленного заряда на вольт , или

  [латекс]\boldsymbol{C} =[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{Q}{V}}. [\латекс]

• Емкость конденсатора с параллельными пластинами равна [латекс]\boldsymbol{C = {\varepsilon}_0 \;\frac{A}{d}}}[/латекс], когда пластины разделены воздухом или свободным пространством. [латекс]\boldsymbol{{\varepsilon}_0}[/латекс] называется диэлектрической проницаемостью свободного пространства.