Металлы диэлектрики. Металлы, диэлектрики и полупроводники: свойства и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Классификация твердых тел по электропроводности

Зонная теория твердого тела

Особенности зонной структуры металлов

Зонная структура диэлектриков

Особенности полупроводников

Поведение электронов в различных материалах

Поляризация диэлектриков

Применение различных типов материалов

Влияние температуры на электропроводность

Перспективные направления исследований

Как металл превращается в диэлектрик – Новости – Научно-образовательный портал IQ – Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории.

Металлы, диэлектрики и полупроводники

Диэлектрики — Гиперучебник по физике

Пластмассовые, металлические детали — Висконсин — Производство диэлектриков

Почему металлы хорошо проводят электрический ток?

Почему диэлектрики не проводят электрический ток?

Чем полупроводники отличаются от диэлектриков?

Где используются металлы?

Области применения диэлектриков

Где применяются полупроводники?

Изготовление прецизионных компонентов на заказ

основная идея

что здесь происходит

конденсаторы с диэлектриками

восприимчивость, диэлектрическая проницаемость, диэлектрическая проницаемость

пробой диэлектрика

пьезоэлектрический эффект

Чем отличаются металлы, диэлектрики и полупроводники. Как устроены энергетические зоны в этих материалах. Почему металлы проводят электрический ток, а диэлектрики — нет. Какие особенности имеют полупроводники. Где применяются эти типы материалов в электронике и технике.

Содержание

Твердые тела по своим электрическим свойствам делятся на три основных класса:

Металлы — обладают высокой электропроводностью (106-108 (Ом·м)-1)
Диэлектрики (изоляторы) — имеют очень низкую электропроводность (менее 10-8 (Ом·м)-1)
Полупроводники — занимают промежуточное положение по электропроводности между металлами и диэлектриками

Такие различия в электрических свойствах обусловлены особенностями энергетического спектра электронов в этих материалах.

Согласно зонной теории, энергетический спектр электронов в твердом теле имеет зонную структуру:

Разрешенные энергетические зоны, в которых могут находиться электроны

Запрещенные зоны между разрешенными, где электронов быть не может

Ширина и заполнение зон определяют электрические свойства материала.

В металлах верхняя энергетическая зона (зона проводимости) заполнена электронами лишь частично. Это позволяет электронам свободно перемещаться под действием электрического поля, обуславливая высокую электропроводность металлов.

Наличие частично заполненной зоны проводимости позволяет электронам в металлах легко переходить на более высокие энергетические уровни под действием даже слабого электрического поля. Это обеспечивает направленное движение электронов — электрический ток.

В диэлектриках верхняя заполненная зона (валентная) отделена от свободной зоны проводимости широкой запрещенной зоной:

Ширина запрещенной зоны более 3 эВ

Для алмаза — 5,2 эВ
Для оксида алюминия — 7 эВ

Широкая запрещенная зона не позволяет электронам переходить из валентной зоны в зону проводимости при обычных условиях. Поэтому в диэлектриках отсутствуют свободные носители заряда и электрический ток не возникает.

Полупроводники имеют зонную структуру, аналогичную диэлектрикам, но с более узкой запрещенной зоной:

Ширина запрещенной зоны менее 3 эВ
Для кремния — 1,12 эВ
Для германия — 0,66 эВ

Узкая запрещенная зона позволяет части электронов в полупроводниках переходить в зону проводимости при комнатной температуре или под действием света. Это обеспечивает наличие небольшого количества свободных носителей заряда и слабую собственную проводимость полупроводников.

Характер движения электронов в твердых телах под действием электрического поля существенно различается:

В металлах электроны свободно перемещаются по всему объему, как «собака на пастбище»
В диэлектриках электроны связаны с атомами и могут лишь слегка смещаться, как «собака на привязи»
В полупроводниках небольшая часть электронов может отрываться от атомов и перемещаться по кристаллу

При помещении диэлектрика в электрическое поле происходит его поляризация — смещение связанных зарядов:

Растяжение электронных оболочек атомов
Ориентация полярных молекул

Это приводит к ослаблению поля внутри диэлектрика и увеличению емкости конденсаторов.

Благодаря высокой электропроводности металлы применяются:

Для изготовления проводников
В качестве электродов в электронных компонентах

Для создания электромагнитных экранов

Диэлектрики используются как изоляторы в различных устройствах:

Изоляция проводов и кабелей
Диэлектрические слои в конденсаторах
Изоляторы на линиях электропередач

Уникальные свойства полупроводников позволяют создавать на их основе:

Транзисторы
Диоды
Интегральные микросхемы
Солнечные элементы
Светодиоды

Температура по-разному влияет на электропроводность различных материалов:

У металлов проводимость уменьшается с ростом температуры из-за усиления рассеяния электронов на колебаниях решетки
У полупроводников проводимость растет с температурой из-за увеличения концентрации свободных носителей заряда
Проводимость диэлектриков слабо зависит от температуры в широком диапазоне

Современные исследования в области физики твердого тела направлены на:

Создание новых полупроводниковых материалов с заданными свойствами
Разработку высокотемпературных сверхпроводников
Исследование квантовых эффектов в наноструктурах
Поиск материалов для квантовых компьютеров

Понимание фундаментальных свойств металлов, диэлектриков и полупроводников остается ключевым для развития современной электроники и создания новых функциональных материалов.

Исследователи из Высшей школы экономики и Наноцентра университета Ювяскуля (Финляндия) впервые экспериментально продемонстрировали квантовый размерный эффект в металлическом нанопроводе. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature: Quantum Materials в статье Quantum size phenomena in single-crystalline bismuth nanostructures. Обнаруженный эффект универсален и должен приниматься во внимание при проектировании наноэлектронных систем сверхмалых размеров.

Предел минимализма

Процессоры с каждым годом становятся все меньше и меньше, но вместе с тем, производительнее. Однако всё больше специалистов, занимающихся разработкой и производством электронных компонентов, а также представителей ученого сообщества, склоняются к тому что, в промежутке с 2018 по 2022 годы будет достигнут потолок в миниатюризации этих самых компонентов.

Параллельно ведётся очень много исследований и разработок, которые стараются не обойти эти возникшие ограничения, а наоборот, использовать их во благо науки. В частности, ученые уже давно понимали, что в объектах сверхмалых размеров должны проявляться качественно новые физические явления. Такое изменение привычных свойств вещества называют квантово-размерным эффектом. Изменяться могут различные характеристики, такие как электрическое сопротивление, теплопроводность, оптические свойства и т. д.

В исследовании, проведенном под руководством профессора департамента электронной инженерии МИЭМ ВШЭ Константина Арутюнова, показано, как электрическое сопротивление металлического нанопровода из висмута в процессе уменьшения его диаметра немонотонно меняется и затем резко возрастает, переводя объект в диэлектрическое (изолирующее) состояние.

По мнению ученых, квантово-размерные эффекты связаны с фундаментальным явлением — квантованием энергетического спектра электронов. И наблюдать его можно только в объектах исключительно малых размеров.

«Носителем заряда является, как правило, электрон, и чёткое его положение определить невозможно, однако мы знаем вероятность его нахождения в определённой области. Эта вероятность описывается квантовомеханической волновой функцией, а у каждой волны есть свой характерный масштаб — длина волны, — поясняет Егор Седов. — Так вот, если мы изготовим проводник, размеры которого будут сравнимы с длиной этой волны, произойдёт качественное изменение свойств системы».

В таком случае говорят о квантовании энергетических уровней, то есть расщеплении непрерывного спектра на четко определённые уровни. Кроме этого, есть так называемый, уровень Ферми, который отделяет заполненные энергетические состояния от незаполненных. При уменьшении размеров проводника энергетические уровни начинают сдвигаться относительно этого порогового значения, и в момент, когда последний заполненный уровень пересекает уровень Ферми, образец переходит из металлического в диэлектрическое состояние. Это и есть суть квантового размерного эффекта в данном случае.

Испытание для нанопровода

В качестве «испытуемых» были выбраны нанопровода, так как провод является основой любой электрической цепи. Также для примера исследовалась тонкая плёнка. Есть несколько методов изучения квантовых размерных эффектов (КРЭ). В первом — последовательно уменьшается размер одного и того же образеца; во втором — используют несколько образцов разного размера.

Исследователи выбрали первый, так как, по их мнению, он соответствовал более «чистому» эксперименту. Основной проблемой при этом стала задача уменьшить структуру так, чтобы не повредить ее. Уменьшались размеры наноструктур травлением направленным пучком ионов инертного газа (аргона), тем самым «стачивая» поверхность. Эту задачу решал Кари-Пека Риконен. Был найден оптимальный режим обработки, при котором шероховатость поверхности составляла примерно 1 нанометр (около двух атомных слоев). При этом самый маленький диаметр провода составлял около 40 нм, а стартовый диаметр — порядка 300 нм. Сами образцы изготавливались при использовании достаточно стандартного процесса электроннолучевой литографии и направленного вакуумного напыления. После изготовления образцов и тщательной их проверки, лучшие отбирались для измерений. Затем многократно повторялся цикл ионного травления и измерений до того момента, когда структура утончалась до такого предела, что просто выходила из строя (т.е. рвалась).

Висмут был выбран исследователями, так как квантовый размерный эффект проявляется в нем на бо́льших масштабах, нежели в других металлах. Но как подчеркивают ученые, описанный в статье эффект проявляется не только в висмуте, но и в любых других металлах, он является универсальным и с ним необходимо будет считаться в устройствах нового поколения сверхмалых размеров.

Схематичное представление энергетического спектра висмута. Сплошные линии соответствуют массивному объекту, пунктирные линии отражают дискретность энергетического спектра с учетом квантового размерного эффекта.

«Главным результатом работы стало доказательство того, что этот заветный переход металл-диэлектрик существует не только в расчетах теоретиков, но и может экспериментально наблюдаться», — говорит Константин Арутюнов.

В более ранних работах такой результат был достигнут на тонких плёнках, также были попытки сделать это и в нанопроводах, но не слишком успешные. Так что можно сказать, что данная работа — одна из первых, в которой экспериментально продемонстрирован квантовый размерный эффект в металлическом проводнике. Квантовый размерный эффект — универсальное явление, которое должно присутсвовать абсолютно в любых системах достаточно малых размеров. «Таким образом, наши исследования позволяют определить фундаментальные ограничения на миниатюризацию элементов (нано)электронных цепей», — отметил Арутюнов.

АВТОРЫ ИССЛЕДОВАНИЯ:

Константин Арутюнов, профессор департамента электронной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ.

Егор Седов, магистрант МИЭМ НИУ ВШЭ.

Кари-Пека Риконен, сотрудник Наноцентра факультета физики Университета Ювяскуля (Финляндия).

Автор текста: Мезенцева Людмила Викторовна, 26 апреля, 2017 г.

Все материалы автора

Физика физика

⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 11

Зонная теория позволила с единой точки зрения истолковать существование металлов, диэлектриков и полупроводников, объясняя различие в их электрических свойствах, во-первых, неодинаковым заселением электронами разрешенных зон, и во-вторых, шириной запрещенных зон.

Рассматривая заполнение электронами разрешенных зон необходимо использовать два правила: 1) Электроны стремятся занять самые низкие энергетические уровни. 2) Принцип Паули: на одном энергетическом уровне не может быть более двух электронов. Эти электроны должны иметь разные спины.

Степень заполнения электронами энергетических уровней в зоне определяется заполнением соответствующего атомного уровня. Если уровень атома полностью заполнен, то и зона полностью заполнена. Из незанятых уровней образуются свободные зоны, из частично заполненных – частично заполненные зоны. В общем случае можно говорить о валентной зоне, которая полностью заполнена и образовалась из энергетических уровней внутренних электронов свободных атомов и о зоне проводимости (свободной зоне), которая либо частично заполнена, либо свободна и образована из энергетических уровней внешних коллективизированных электронов изолированных атомов (рис.2).

Самая верхняя зона целиком занятая электронами (при Т=0 К) называется валентной. Зона, заполненная электронами частично (при Т = 0 К), называется зоной проводимости. Определим изменение энергии электрона, находящегося на некотором уровне в разрешенной зоне, под действием внешнего поля с напряженностью .

Энергия приобретаемая электроном на длине свободного пробега , где — средняя длина свободного пробега электрона в кристалле равная примерно 10^-8м в электрическом поле с напряженностью В/м, которая соответствует обычным источникам тока, эВ.

Рис.2.

Это означает, что возможны только внутризонные переходы, так как междузонные переходы имеют много большую энергию. Необходимым условием электрической проводимости является наличие в разрешенной зоне свободных энергетических уровней на которые электрическое поле сторонних сил могло бы перевести электроны. В зависимости от степени заполнения зон электронами и ширины запрещенной зоны возможны три случая, изображенных на рис.3.

(а) (б) (в)

Рис.3

3а). Зона проводимости заполнена лишь частично., то есть в ней имеются вакантные уровни. В этом случае электроны, получив сколь угодно малую энергетическую добавку ( от поля или теплового движения) переходят на более высокий энергетический уровень той же зоны, то есть они участвуют в проводимости. Такой переход возможен, так как 1 К = 10^-4 эВ, что много больше расстояния между уровнями равному 10^-22 эВ. Таким образом, если в твердом теле имеется зона, лишь частично заполненная электронами, то это тело всегда будет проводником электрического тока. Именно это свойственно металлам.

3б). Возможно также такое перераспределение электронов между зонами, возникающими из уровней различных атомов, которое привело к тому, что вместо двух частично заполненных зон кристалла окажется одна целиком заполненная (валентная) зона и одна свободная зона (зона проводимости). Твердые тела, у которых энергетический спектр электронных состояний состоит только из валентной зоны и зоны проводимости, являются диэлектриками или полупроводниками в зависимости от ширины запрещенной зоны. Если ширина запрещенной зоны кристалла порядка нескольких электрон –вольт, то тепловое движение не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости и кристалл является диэлектриком, оставаясь им при всех реальных температурах.

3в). Если запрещенная зона достаточно узка ( эВ), то переход электронов из валентной зоны в зону проводимости может быть осуществлен сравнительно легко путем теплового возбуждения, либо за счет внешнего источника, способного передать электронам энергию , и кристалл является полупроводником.

Различие между металлами и диэлектриками с точки зрения зонной теории состоит в том, что при 0 К в зоне проводимости металлов имеются электроны, а в зоне проводимости диэлектриков они отсутствуют. Различие же между диэлектриками и полупроводниками определяется шириной запрещенных зон: для диэлектриков она довольно широка (например для NaCl =6 эВ), а для полупроводников достаточно узка (для германия =0,72 эВ). При температурах близких к 0 К полупроводники ведут себя как диэлектрики, то есть переброс электронов в зону проводимости не происходит.

Сущность зонной теории проводимости заключается в следующем:

1). При объединении атомов в кристалл твердого тела возникают энергетические зоны.

2). Ширина запрещенных зон и характер заполнения электронами разрешенных зон обуславливают электрические свойства твердого тела – оно может быть или металлом, или полупроводником, или диэлектриком.

Лекция 16
Электропроводность полупроводников. Термоэлектрические явления.

⇐ Предыдущая234567891011

Твердые тела делятся на металлы, диэлектрики и полупроводники прежде всего по величине удельной электропроводности. Для типичных металлов эта величина составляет 10⁸…10⁶ (Ом • м)^-1. В диэлектриках удельная электропроводность ничтожно мала: < 10^-8 (Ом • м)^-1. Для хороших диэлектриков удельная электропроводность достигает величины 10^-11 (Ом • м)^-1. Твердые тела с промежуточной электропроводностью относят к полупроводникам. Оказывается, что столь большие различия в электрических свойствах твердых тел связаны со структурой и степенью заполнения электронами энергетических зон в этих телах.

Несмотря на то, что энергетические зоны квазинепрерывны, они состоят пусть из очень большого, но конечного числа энергетических уровней. Число этих уровней определяется числом атомов N, объединенных в кристалл, и орбитальным квантовым числом l:

(2.15)

В каждой энергетической зоне могут располагаться в соответствии принципом Паули не более 2(2l + 1) электронов — по два с противоположными спинами на каждом уровне. Число электронов в кристалле также конечно и зависит как от числа атомов N, так и от количества электронов в атоме. Поскольку электроны стремятся занять энергетические уровни с наинизшей энергией, то в кристалле нижние энергетические зоны оказываются полностью заполненными, а самые верхние заполнены либо частично, либо совершенно свободны.

Частично заполненная зона образуется, например, у кристалла натрия. Этот элемент имеет полностью заполненные 1s-, 2s- и 2p-уровни, на которых располагается в общей сложности 10 электронов. В кристалле Na соответствующие 1s-, 2s- и 2p-зоны также будут полностью заполнены. Одиннадцатый валентный электрон в атоме Na располагается на 3s-уровне, на котором могут располагаться 2 электрона. Следовательно, 3s-зона кристаллического натрия будет заполнена лишь наполовину. Зонная структура Na приведена на рис. 2.8,a. Заполненные электронами зоны и часть 3s-зоны заштрихованы. E_g— ширина запрещенной зоны.

Часто частично заполненная зона образуется в результате перекрытия полностью заполненной зоны со следующей совершенно свободной. Пример такой зонной структуры приведен на рис. 2.8,б для бериллия, у которого перекрываются заполненная 2s- и свободная 2p-зоны.

Большую группу составляют кристаллы, у которых над целиком заполненным зонами располагаются совершенно пустые зоны, причем ширина запрещенной зоны варьируется у них от нескольких десятков эВ до единиц эВ. Типичные примеры этой группы кристаллов показаны на рис. 2.8, в, г. Это углерод в модификации алмаза и кремний.

Структура энергетических зон кристалла оказывает решающее влияние на величину его электропроводности. Поскольку электрический ток есть направленное движение зарядов (в металлах — электронов), то возникновение электрического тока связано с увеличением импульса электронов вдоль направления действующей на него силы. Вместе с импульсом электрона меняется его волновой вектор. Поскольку энергия и волновой вектор электрона — две взаимосвязанные величины, связь между которыми определяется дисперсионным соотношением, то увеличение волнового числа должно обязательно сопровождаться увеличением энергии электрона. Нетрудно оценить, каково увеличение энергии электрона за счет его ускорения в электрическом поле, вызывающим электрический ток в проводниках. Если величина напряженности электрического поля равна 10⁴В/м, то на расстоянии, равном средней длине свободного пробега электрона в кристалле, а она обычно составляет ~10^-8 м, электрон приобретает энергию приблизительно 10^-4 эВ. Понятно, что эти значения энергии позволяют электрону переходить с уровня на уровень только внутри одной энергетической зоны. Для перехода между зонами необходима энергия больше ширины запрещенной зоны E_g, которая, как указывалось выше, составляет 0.1 … 10 эВ.

Рис.2.8. Заполнение энергетических зон электронами

Эти рассуждения приводят к выводу о том, что для появления у тел высокой проводимости необходимо, чтобы в их энергетическом спектре присутствовали зоны, заполненные частично. На свободные уровни этих зон могут переходить электроны, увеличившие свою энергию под действием внешнего электрического поля (рис. 2.9). Поэтому тела с частично заполненными энергетическими зонами являются проводниками. Частично заполненные зоны имеют все металлы.

Рис. 2.9. Схема распределения электронов в валентной зоне щелочного металла: а – в отсутствии электрического поля; б – при наличии электрического поля.

Теперь рассмотрим кристаллы, верхняя энергетическая зона которых заполнена электронами полностью (рис. 2.8, в, г). Внешнее электрическое поле не в состоянии изменить характер движения электронов, т. к. оно не в состоянии поднять электроны в вышележащую свободную зону. Внутри же самой полностью заполненной зоны, не содержащей ни одного свободного уровня, оно может вызывать лишь перестановку электронов местами, что не нарушает симметрии их распределения по скоростям. Это не приводит к возникновению электрического тока в таких кристаллах.

Таким образом, твердые тела с полностью заполненными электронами энергетическими зонами являются непроводниками. По ширине запрещенной зоны непроводники делятся на диэлектрики и полупроводники.

К диэлектрикам относят тела, имеющие относительно широкую запрещенную зону. У типичных диэлектриков E_g > 3 эВ. Так, у алмаза E_g = 5,2 эВ; у нитрида бора E_g = 4,6 эВ; у Al₂O₃ E_g = 7 эВ.

У типичных полупроводников ширина запрещенной зоны менее 3 эВ. Например, у германия E_g = 0,66 эВ; у кремния E_g = 1,12 эВ; у антимонида индия E_g = 0,17 эВ.

Верхняя заполненная зона полупроводников и диэлектриков называется валентной зоной, следующая за ней свободная зона называется зоной проводимости. В металлах частично заполненную зону называют как валентной зоной, так и зоной проводимости.

Дата добавления: 2021-10-28; просмотров: 63; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

[закрыть]

Диэлектрики — простые изоляторы. Эти два слова относятся к одному и тому же классу материалов, но имеют разное происхождение и преимущественно используются в разных контекстах.

Поскольку заряды, как правило, не легко перемещаются в неметаллических твердых телах, в стекле, керамике и пластике могут образовываться «островки» заряда. Латинское слово для острова — insula 9.0013 , от которого произошло слово изолятор . Напротив, заряды в твердых металлических телах имеют тенденцию легко двигаться — как будто их кто-то или что-то ведет. Латинская приставка con или com означает «с». Человек, с которым вы едите хлеб, является компаньоном. (На латыни хлеб — panis .) Взять что-то с собой в дорогу — значит передать это. (Латинское слово «дорога» — через .) Человек, с которым вы путешествуете и который ведет вас вперед или обеспечивает безопасный проход, является проводником. (латинское слово «лидер» — проводник .) Материалом, обеспечивающим безопасное прохождение электрических зарядов, является проводник .
Вставка твердого неметаллического слоя между пластинами конденсатора увеличивает его емкость. Греческий префикс di или dia означает «поперек». Линия, проведенная через углы прямоугольника, является диагональю. (Греческое слово для обозначения угла — gonia — γωνία.) Измерение поперек круга — это диаметр. (Греческое слово «мера» — «метрон» — μέτρον.)0014 диэлектрик .

Пластиковое покрытие на электрическом шнуре является изолятором. Стеклянные или керамические пластины, используемые для поддержки линий электропередач и предотвращения их короткого замыкания на землю, являются изоляторами. Почти каждый раз, когда неметаллическое твердое вещество используется в электрическом устройстве, оно называется изолятором. Возможно, слово «диэлектрик» используется только в отношении непроводящего слоя конденсатора.

Диэлектрики в конденсаторах служат трем целям:

для предотвращения соприкосновения проводящих пластин, что позволяет уменьшить расстояние между пластинами и, следовательно, повысить емкость;
для увеличения эффективной емкости за счет уменьшения напряженности электрического поля, а значит, вы получаете тот же заряд при более низком напряжении; и
, чтобы уменьшить вероятность короткого замыкания из-за искрения (более формально известного как пробой диэлектрика) во время работы при высоком напряжении.

Когда металл помещается в электрическое поле, свободные электроны текут против поля до тех пор, пока у них не закончится проводящий материал. Совсем скоро у нас будет избыток электронов с одной стороны и дефицит с другой. Одна сторона проводника заряжена отрицательно, а другая положительно. Отпустите поле, и электроны на отрицательно заряженной стороне теперь окажутся слишком близко для комфорта. Одинаковые заряды отталкиваются, а электроны убегают друг от друга так быстро, как только могут, пока не распределятся равномерно по всему телу; в среднем один электрон на каждый протон в пространстве, окружающем каждый атом. Проводящий электрон в металле подобен беговой собаке, отгороженной на пастбище. Они вольны бродить сколько угодно и могут по своей прихоти бегать по всей длине, ширине и глубине металла.

Жизнь электрона в изоляторе гораздо более ограничена. По определению заряды в изоляторе не могут свободно перемещаться. Это не то же самое, что сказать, что они не могут двигаться. Электрон в изоляторе подобен сторожевой собаке, привязанной к дереву: он может свободно передвигаться, но в определенных пределах. Поместить электроны изолятора в электрическое поле — все равно, что поместить привязанную собаку в присутствии почтальона. Электроны будут напрягаться против поля, насколько это возможно, почти так же, как наша гипотетическая собака будет напрягаться на своем поводке, насколько это возможно. Однако электроны в атомном масштабе больше похожи на облака, чем на собак. Электрон эффективно распределен по всему объему атома и не концентрируется в каком-то одном месте. Я полагаю, хорошую атомную собаку не назвали бы Спот.

Когда атомы или молекулы диэлектрика помещаются во внешнее электрическое поле, ядра толкаются полем, что приводит к увеличению положительного заряда с одной стороны, в то время как электронные облака притягиваются к нему, что приводит к увеличению отрицательного заряда с другой стороны. сторона. Этот процесс известен как поляризация , а диэлектрический материал в таком состоянии называется поляризованным . Существует два основных метода поляризации диэлектрика: растяжение и вращение.

Растяжение атома или молекулы приводит к индуцированному дипольному моменту , добавляемому к каждому атому или молекуле.

Увеличить

Вращение происходит только в полярных молекулах — с постоянным дипольным моментом , как у молекулы воды, показанной на диаграмме ниже.

Увеличить

Полярные молекулы обычно поляризуются сильнее, чем неполярные. Вода (полярная молекула) имеет диэлектрическую прочность в 80 раз больше, чем азот (неполярная молекула, которая является основным компонентом воздуха). Это происходит по двум причинам, одна из которых обычно тривиальна. Во-первых, все молекулы растягиваются в электрическом поле независимо от того, вращаются они или нет. Неполярные молекулы и атомы растягиваются, а полярные молекулы растягиваются и чередуются. Однако эта комбинация действий оказывает лишь незначительное влияние на общую степень поляризации вещества. Важнее то, что полярные молекулы уже сильно растянуты — естественно. То, как атомы водорода сидят на плечах электронных облаков атома кислорода, искажает молекулу в диполь. Все это происходит на межатомном или молекулярном уровне. При таких крошечных расстояниях напряженность электрического поля относительно велика для того, что в противном случае было бы ничем не примечательным напряжением (например, 13,6 В для электрона в атоме водорода).

Растяжка и вращение — это еще не все, что касается поляризации. Это всего лишь методы, которые проще всего описать случайному наблюдателю. В общем, поляризация диэлектрического материала представляет собой микроскопическую электростатическую деформацию в ответ на макроскопическую электростатическую нагрузку. Внешнее поле, приложенное к диэлектрику, не может заставить заряды двигаться макроскопически, но может растянуть и исказить их микроскопически. Он может толкнуть их в неудобное положение, а при отпускании позволить им вернуться в расслабленное состояние. То, что отличает поляризацию в изоляторе от растяжения упругого тела, подобного пружине, заключается в том, что устранение напряжения не обязательно снимает напряжение. Некоторые изоляторы остаются в своем поляризованном состоянии часами, днями, годами и даже столетиями. Самые длинные характерные времена должны быть экстраполированы из неполных наблюдений более разумной продолжительности. Никто не собирается сидеть и ждать две тысячи лет, пока поляризация куска пластика не сократится до нуля. Это не стоит ждать.

Наконец, важно помнить, что заряды, «хранящиеся» в диэлектрическом слое, не доступны в виде пула свободных зарядов. Для их извлечения вам еще понадобятся металлические пластины. Важно помнить, что единственная причина, по которой кого-то волнует это явление, заключается в том, что оно помогает нам делать более качественные конденсаторы. Думаю, на этом дискуссия должна завершиться.

Поместите слой диэлектрика между двумя параллельными заряженными металлическими пластинами с направлением электрического поля справа налево. (Почему не слева направо? Ну, я читаю справа налево, поэтому мне легче «читать» диаграммы.) Положительные ядра диэлектрика будут двигаться на с полем вправо, а отрицательные электроны будут двигаться против поля влево. Силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах, поэтому электрическое поле внутри каждого находящегося под напряжением атома или молекулы диэлектрика указывает на нашей диаграмме слева направо — противоположно внешнему полю двух металлических пластин. Электрическое поле является векторной величиной, и когда два вектора указывают в противоположных направлениях, вы вычитаете их величины, чтобы получить равнодействующую. Два поля в диэлектрике не полностью нейтрализуются, как в металле, поэтому общий результат — более слабое электрическое поле между двумя пластинами.

Увеличить

Позвольте мне повторить это — общий результат — более слабое электрическое поле между двумя пластинами. Давайте займемся математикой.

Электрическое поле — это градиент электрического потенциала (более известный как напряжение).

E _x = —	∆ В
	∆ x
E _y = —	∆ В	⇒	E = − ∇ В
	∆ г
E _z = —	∆ В
	∆ я

Емкость – это отношение заряда к напряжению.

С =	Q
	В

Введение диэлектрика в конденсатор уменьшает электрическое поле, что снижает напряжение и увеличивает емкость.

Конденсатор с диэлектриком сохраняет тот же заряд, что и конденсатор без диэлектрика, но при более низком напряжении. Поэтому конденсатор с диэлектриком более эффективен.

ЭТА МАЛЕНЬКАЯ ЧАСТЬ НУЖНА ПОРАБОТЫ.

О первых открытиях лейденской банки. Удаление стержня снижает емкость. (Диэлектрическая проницаемость воздуха ниже, чем у воды.) Напряжение и емкость обратно пропорциональны, когда заряд постоянен. Уменьшение емкости увеличивает напряжение.

Электрический дипольный момент чего угодно — будь то атом, растянутый во внешнем электрическом поле, полярная молекула или две противоположно заряженные металлические сферы — определяется как произведение заряда и разделения.

р = q r

с единицей СИ кулон-метр , который не имеет специального названия.

[см = см]

Поляризация области определяется как дипольный момент на единицу объема

Р =	∑ р
	В

с единицей СИ кулонов на квадратный метр .

⎡ ⎢ ⎣	См	=	С	⎤ ⎥ ⎦
	м ³		м ²

Вычисление поляризации из первых принципов — сложная процедура, которую лучше оставить экспертам. Не беспокойтесь о деталях того, почему поляризация имеет такое значение, просто примите, что она существует и является функцией некоторых переменных. И что это за переменные? Почему они материалы и напряженность поля, конечно. Различные материалы поляризуются в разной степени — мы будем использовать греческую букву χ _e [хи-суб-э] для обозначения этой величины, известной как электрическая восприимчивость, — но для большинства материалов чем сильнее поле ( E ), тем больше поляризация ( P ). Добавьте константу пропорциональности ε ₀, и все готово.

P = ε ₀ χ _e E

Электрическая восприимчивость — это безразмерный параметр, который зависит от материала. Его значение варьируется от 0 для пустого места до любого. Бьюсь об заклад, есть даже некоторые причудливые материалы, для которых этот коэффициент отрицательный (хотя я точно не знаю). Константа пропорциональности ε ₀ [эпсилон ноль] известно как диэлектрическая проницаемость свободного пространства и будет обсуждаться чуть позже. Пока это просто устройство для того, чтобы заставить единицы работать.

⎡ ⎢ ⎣	С	=	С ²		Н	⎤ ⎥ ⎦
	м ²		Н·м ²		С

НАПИШИТЕ ОСТАЛЬНОЕ.

Величина κ [каппа] безразмерна.

Диэлектрическая проницаемость для выбранных материалов (~300 К, если не указано иное)

материал	к
воздух	1.005364
уксусная кислота	6,2
спирт этиловый (зерновой)	24,55
спирт метиловый (древесный)	32,70
янтарный	2,8
асбест	4,0
асфальт	2,6
бакелит	4,8
кальцит	8,0
карбонат кальция	8,7
целлюлоза	3,7–7,5
цемент	~2
кокаин	3.1
хлопок	1,3
алмаз, тип I	5,87
алмаз, тип IIa	5,66
эбонит	2,7
эпоксидная смола	3,6
мука	3 — 5
фреон 12, −150 °C (жидкий)	3,5
фреон 12, +20 °C (пар)	2,4
германий	16
стекло	4–7
стекло, пирекс 7740	5,0
гуттаперча	2,6
топливо для реактивных двигателей (реактивное)	1,7
оксид свинца	25,9
ниобат свинца-магния	10 000
сульфид свинца (галенит)	200
титанат свинца	200
дейтерид лития	14,0
люцит	2,8
слюда, мусковит	5,4
слюда канадская	6,9
нейлон	3,5
масло льняное	3,4
масло минеральное	2. 1
масло оливковое	3.1
масло, нефть	2,0–2,2
масло, силикон	2,5
масло, сперма	3,2
масло трансформаторное	2,2

материал	к
бумага	3,3, 3,5
оргстекло	3.1
полиэстер	3,2–4,3
полиэтилен	2,26
полипропилен	2,2–2,3
полистирол	2,55
поливинилхлорид (пвх)	4,5
фарфор	6–8
ниобат калия	700
КТН, 0°С	34 000
КТН, 20 °C	6000
кварц кристаллический (∥)	4,60
кварц кристаллический (⊥)	4,51
кварц, плавленый	3,8
каучук, бутил	2,4
резина, неопрен	6,6
резина, силикон	3,2
каучук, вулканизированный	2,9
соль	5,9
селен	6,0
кремний	11,8
карбид кремния (αSiC)	10,2
диоксид кремния	4,5
силиконовое масло	2,7–2,8
почва	10–20
титанат стронция, +25 °C	332
титанат стронция, −195 °C	2080
сера	3,7
пентаоксид тантала	27
тефлон	2. 1
антимонид олова	147
теллурид олова	1770
титана диоксид (рутил)	114
табак	1,6–1,7
диоксид урана	24
вакуум	1 (точно)
вода, лед, минус 30 °С	99
вода жидкая, 0°C	87,9
вода жидкая, 20°C	80,2
вода жидкая, 40°C	73,2
вода жидкая, 60 °C	66,7
вода жидкая, 80 °C	60,9
вода жидкая, 100°C	55,5
воск, пчелиный воск	2,7–3,0
воск карнаубский	2,9
воск, парафин	2,1–2,5
вощеная бумага	3,7

ткани человека	к
кость губчатая	26
кость кортикальная	14,5
головной мозг, серое вещество	56
головной мозг, белое вещество	43
головной мозг, мозговые оболочки	58
хрящ общий	22
хрящ уха	47

ткани человека	к
глаз, водянистая влага	67
глаз, роговица	61
глаз, склера	67
жир	16
мышцы, гладкие	56
мышцы поперечно-полосатые	58
кожа	33–44
язык	38

Любой изолятор можно заставить проводить электричество. Это явление известно как пробой диэлектрика .

Пробой диэлектрика в отдельных материалах

материал	поле (МВ/м)
воздух	3
янтарный	90
бакелит	12, 24
алмаз, тип IIa	10
стекло, пирекс 7740	13, 14
слюда, мусковит	160
нейлон	14
масло, силикон	15
масло трансформаторное	12, 27

материал	поле (МВ/м)
бумага	14, 16
полиэтилен	50, 500–700, 18
полистирол	24, 25, 400–600
поливинилхлорид (ПВХ)	40
фарфор	4, 12
кварц, плавленый	8
резина, неопрен	12, 12
титанат стронция	8
тефлон	60
титана диоксид (рутил)	6

Произнесите все гласные. Пьезоэлектричество — это эффект преобразования энергии между механической и электрической формами.

Пьезо по-гречески означает давление (πιεζω).
Открыт в 1880-х годах братьями Кюри.
Недорогие пьезоэлектрические микрофоны. Когда поляризованный кристалл испытывает напряжение, это напряжение создает разность потенциалов. Эта разность потенциалов пропорциональна напряжению, которое пропорционально акустическому давлению.
Обратный пьезоэлектрический микрофон представляет собой пьезоэлектрический динамик: зуммер будильника, наручных часов, всевозможные электронные биперы. Когда к поляризованному кристаллу прикладывается электрический потенциал, кристалл подвергается механической деформации, которая, в свою очередь, может создавать акустическое давление.
Коллаген является пьезоэлектрическим. «Когда к [костному] коллагену прикладывается сила, генерируется небольшой постоянный электрический потенциал. Коллаген проводит ток в основном за счет отрицательных зарядов. Минеральные кристаллы кости (апатит), расположенные рядом с коллагеном, проводят ток за счет положительных зарядов. Из этих двух типов полупроводников ток легко течет в одном направлении, но не в другом… Считается, что силы, воздействующие на кости, создают потенциалы за счет пьезоэлектрического эффекта и что в соединениях коллаген-апатит возникают токи, которые индуцируют и контролируют рост костей. Токи пропорциональны нагрузке (силе на единицу площади), поэтому повышенная механическая нагрузка на кость приводит к ускорению роста». Физика тела (255).

Микрофоны и принципы их работы
тип	звуков производят изменений в…	, которые вызывают изменений в…	, которые приводят к изменениям в…
уголь	плотность гранул	сопротивление	напряжение
конденсатор	разделение пластин	емкость	напряжение
динамический	расположение катушки	флюс	напряжение
пьезоэлектрический	сжатие	поляризация	напряжение

Являясь контрактным производителем из одних рук, мы упрощаем получение полных индивидуальных решений для ваших потребностей в деталях и компонентах. Малые и крупные компании, в том числе фирмы из списка Fortune 500, извлекают выгоду из нашего подхода из одних рук, который охватывает как совместную работу над дизайном, так и управление запасами пластиковых и металлических деталей.

Узнать больше

( Q константа)

( d , Q константа)

В ∝ Е ( d константа)

для OEM-производителей и поставщиков
• Широкий выбор ЧПУ и другого оборудования для изготовления прецизионных деталей
• Термопласты, термореактивные пластмассы, черные и цветные металлы, композиты из углеродного волокна
• Три предприятия, способные удовлетворить ваши текущие и будущие производственные требования
• Сертификация ISO 9001-2015 гарантирует, что наши процессы согласованы с точки зрения качества, эффективности и производительности.
• Национальный контрактный производитель с глобальными продажами
Узнайте больше о наших производственных возможностях:
Пластмассы
Металлы
Изготовление прецизионных компонентов на заказ

для OEM-производителей и поставщиков
• Широкий выбор станков с ЧПУ и другого оборудования для изготовления прецизионных деталей
• Термопласты, термореактивные пластмассы, черные и цветные металлы, композиты из углеродного волокна
• Три места, способные удовлетворить ваши текущие и будущие потребности в производстве требования
• Сертификация ISO 9001-2015 гарантирует, что наши процессы согласованы с точки зрения качества, эффективности и производительности
• Национальный контрактный производитель с глобальными продажами
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПЛАСТИКОВЫХ ДЕТАЛЕЙ
ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ
ПРОИЗВОДСТВО УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА
Пластмасса и металлические материалы
ПОКУПКА МАТЕРИАЛОВ
Мы являемся дистрибьютором незавершенных материалов:
• Металлический блок 9003
• Пластиковые блоки 903 листы и трубы • Доступен в требуемых размерах
Запросить предложение
СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА
Мы являемся вашим компетентным источником для:
• Данные о свойствах материала
• Руководство по выбору материала
• Альтернативные материалы
Узнать больше
Пластиковые и металлические материалы
КУПИТЬ МАТЕРИАЛЫ
Мы являемся дистрибьютором незавершенных материалов:
• Пластмассы в виде листов, стержней и труб
• Металлы в виде листов и блоков
• Доступны требуемые размеры
Материалы RFQ
СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
Мы являемся вашим компетентным источником для:
• Данные о свойствах материалов
• Руководство по выбору материалов
• Альтернативные материалы
Узнать больше
Ищете отличное место для работы, где вы сможете построить будущее в компании, ориентированной на рост? Мы это место. У нас есть рабочие места для всех уровней квалификации на наших контрактных производственных предприятиях к северо-западу от Милуоки, штат Висконсин; в Уопаке, Висконсин; и в Лейк-Миллс, штат Айова.
Узнать больше и просмотреть вакансии
Ищете отличное место для работы, где вы сможете построить будущее в компании, ориентированной на рост? Мы это место. У нас есть рабочие места для всех уровней квалификации на наших контрактных производственных предприятиях к северо-западу от Милуоки, штат Висконсин; в Уопаке, Висконсин; и в Лейк-Миллс, штат Айова.
Узнайте больше и посмотрите вакансии
Что говорят наши клиенты:
Я пишу вам сегодня, чтобы поблагодарить вас и вашу команду. У нас возникла внутренняя проблема, из-за которой мы активировали два пулл-ордера на V4L1008 для немедленной доставки. Ваш срок изготовления 2 недели. Сначала Патти услышала, что у Dielectric нет запасов, и нам придется ждать весь срок поставки. Благодаря оперативности Dielectric сырье было найдено, а детали изготовлены за один день. Это поддерживало наши очереди и радовало наших клиентов. … Мы признаем и ценим эти дополнительные усилия.
Джим Шульц Eaton Corp., подразделение Power Systems
Снова и снова они приходят с предложениями по дизайну и материалам, которые помогают нам.
Часто, когда мы запрашиваем новую деталь, Dielectric возвращается с предложениями о том, как сделать так, чтобы она работала лучше или как ее можно было бы обрабатывать более экономично.
Они заботятся о нас гораздо лучше, чем другие продавцы.
Я очень доверяю Dielectric Manufacturing.
Dielectric Manufacturing обладает навыками и оборудованием, необходимыми для надежного удовлетворения наших потребностей.
Производство диэлектриков никогда меня не подводило. Они всегда проходят, каким бы сложным ни был проект.
Их материалы и знание рынка превосходны.
[У них была] отличная идея и именно нестандартное мышление, которое я ценю.
Наш торговый представитель Dielectric Manufacturing уделяет нам большое внимание. Он заставляет меня чувствовать, что это скорее партнерские отношения, а не просто ситуация с поставщиком.
Я пишу вам сегодня, чтобы поблагодарить вас и вашу команду. У нас возникла внутренняя проблема, из-за которой мы активировали два пулл-ордера на V4L1008 для немедленной доставки. Ваш срок изготовления 2 недели. Сначала Патти услышала, что у Dielectric нет запасов, и нам придется ждать весь срок поставки. Благодаря оперативности Dielectric сырье было найдено, а детали изготовлены за один день. Это поддерживало наши очереди и радовало наших клиентов. … Мы признаем и ценим эти дополнительные усилия.
Джим Шульц Eaton Corp., подразделение Power Systems
Снова и снова они приходят с предложениями по дизайну и материалам, которые помогают нам.
Часто, когда мы запрашиваем новую деталь, Dielectric возвращается с предложениями о том, как сделать так, чтобы она работала лучше или как ее можно было бы обрабатывать более экономично.
Они заботятся о нас гораздо лучше, чем другие продавцы.
Я очень доверяю Dielectric Manufacturing.
Dielectric Manufacturing обладает навыками и оборудованием, необходимыми для надежного удовлетворения наших потребностей.
Производство диэлектриков никогда меня не подводило. Они всегда проходят, каким бы сложным ни был проект.
Их материалы и знание рынка превосходны.
[У них была] отличная идея и именно нестандартное мышление, которое я ценю.
Наш торговый представитель Dielectric Manufacturing уделяет нам большое внимание. Он заставляет меня чувствовать, что это скорее партнерские отношения, а не просто ситуация с поставщиком.
Диэлектрические покрытия — Fort Wayne Metals
ЭТФЭ (этилен-тетрафторэтилен) обеспечивает наибольшую прочность и стойкость к истиранию среди сополимеров ТФЭ и имеет непрерывный диапазон рабочих температур 150°C [302°F].
ФЭП (фторированный этиленпропилен) по химическому и физическому поведению похож на ПФА, но обеспечивает более низкую рабочую температуру при 200°C [392°F] и немного менее подвержен водопоглощению, чем большинство других фторполимеров.
PFA (перфторалкоксиэтилен-тетрафторэтилен) наиболее похож на PTFE с точки зрения химического и физического поведения. PFA также имеет дополнительное преимущество, заключающееся в более высокой рабочей температуре 260 °C [500 °F] по сравнению с FEP.
Moldflon PTFE представляет собой PTFE, в который добавлено достаточное количество перфторалкоксигрупп, чтобы превратить его из термореактивного в термопласт. Он сохраняет свойства чистого ПТФЭ, в том числе превосходную смазывающую способность. Он также обеспечивает превосходную термическую стабильность при температуре непрерывного использования до 260°C [500°F].
PI (Полиимид) обладает превосходной диэлектрической прочностью, а также очень хорошими механическими свойствами и химической инертностью. В отличие от вышеупомянутых фторполимеров, он наносится несколькими тонкими слоями, поэтому он связывается непосредственно с подложкой. PI также может выдерживать очень высокие температуры при непрерывном использовании до 240 °C [464 °F] с устойчивостью к кратковременному воздействию до 400 °C [752 °F] с минимальным образованием летучих веществ.
Возможности покрытия
Размеры круглой проволоки 0,0380-0,7112 мм [0,0015-0,0280 дюймов]
Цепи и размеры кабелей 0,0760-1,5240 мм [0,0024-0,0600 в]
толщина стены 0,0100-0,1270 ММ .
Покрытие
Тип Плотность Прочность на растяжение
(Типичный) Коэффициент
трения Диэлектрик
Сила КТР при 20°C Вода
Поглощение Макс. Служба
Темп.
в воздухе
г/см ³ МПа фунтов на кв. дюйм кВ/мм В/мил мкм/м-°C % °С °F
ЭТФЭ 1,70 41 6000 0,3 64 1600 130 0,006 150 302
ФЭП 2,15 25 3600 0,24 62 1575 140 0,005 200 392
ПФА 2,15 28 4000 0,2 62 1575 140 0,05 260 500
Молдфлон ПТФЭ 2,17 36 5260 0,1 60 1525 130 0,01 260 500
ИП 1,42 138 20000 0,35 192 4800 20 1,8 240 464
Альтернативные покрытия будут рассмотрены по запросу.

Чтобы обеспечить вас продуктом с превосходным покрытием, рекомендуется наносить покрытия на круглые, фигурные, многожильные или скрученные провода. Покрытия могут быть нанесены на все сплавы, которые предлагает Fort Wayne Metals, и доступны в следующих цветах: коричневый, серый, синий, белый, красный, зеленый, фиолетовый, желтый, оранжевый и черный. Дополнительные цвета доступны по запросу.
Сроки изготовления
Благодаря нашим собственным возможностям нанесения покрытий, мы можем оптимизировать производственный подход для удовлетворения ваших потребностей в проводах и кабелях. Fort Wayne Metals предлагает полностью интегрированный вариант производства для наших клиентов по производству проводов и кабелей, устраняя неэффективность, связанную с передачей материала на несколько производственных площадок.
Характеристики
Биосовместимость
Без отверстий под штифты
Превосходная диэлектрическая прочность
Тонкая стенка
Индивидуальная упаковка
Медицинский фокус
Жесткие допуски
Области применения
Каждое из покрытий сочетает в себе химическую инертность ПТФЭ (политетрафторэтилена) с другим полимером, что обеспечивает возможность плавления и прочность.