Что такое диэлектрик и как он работает. Какие бывают виды диэлектриков. Каковы основные свойства и характеристики диэлектрических материалов. Где применяются диэлектрики в современной технике и электронике. Чем диэлектрики отличаются от изоляторов.
Что такое диэлектрик и его основные свойства
Диэлектрик — это материал, который плохо проводит электрический ток, но эффективно поддерживает электростатические поля. Основные свойства диэлектриков:
- Высокое удельное сопротивление
- Способность к поляризации в электрическом поле
- Накопление электрических зарядов
- Низкая электропроводность
- Отрицательный температурный коэффициент сопротивления
Диэлектрики не имеют свободных носителей заряда, поэтому не проводят электрический ток. При помещении в электрическое поле в диэлектрике происходит смещение связанных зарядов — поляризация.
Основные типы диэлектрических материалов
Выделяют следующие основные типы диэлектриков:
1. Полярные диэлектрики
Молекулы полярных диэлектриков обладают постоянным дипольным моментом даже в отсутствие внешнего поля. При наложении поля происходит ориентация диполей. Примеры: вода, спирты, соляная кислота.
2. Неполярные диэлектрики
Молекулы симметричны, дипольный момент в отсутствие поля равен нулю. Поляризация происходит за счет смещения электронных оболочек и ядер. Примеры: парафин, бензол, инертные газы.
3. Сегнетоэлектрики
Обладают самопроизвольной поляризацией в определенном интервале температур. Имеют очень высокую диэлектрическую проницаемость. Пример: титанат бария.
Ключевые характеристики диэлектриков
Основными характеристиками диэлектрических материалов являются:
- Диэлектрическая проницаемость — способность поляризоваться во внешнем электрическом поле
- Электрическая прочность — максимальная напряженность поля, которую выдерживает диэлектрик без пробоя
- Тангенс угла диэлектрических потерь — характеризует рассеяние энергии в диэлектрике
- Удельное объемное и поверхностное сопротивление
Применение диэлектрических материалов
Диэлектрики широко применяются в различных областях техники и электроники:
- Изготовление конденсаторов
- Изоляция электрических кабелей и проводов
- Производство печатных плат
- Создание изоляторов в высоковольтной технике
- Подложки интегральных микросхем
- Оптические покрытия и линзы
- Диэлектрические резонаторы и антенны
Диэлектрические материалы для конденсаторов
В производстве конденсаторов используются различные диэлектрики, обладающие специфическими свойствами:
- Воздух — для переменных конденсаторов большой емкости
- Керамика — высокая диэлектрическая проницаемость, малые потери
- Слюда — стабильность параметров, влагостойкость
- Полимерные пленки (полиэстер, полипропилен) — компактность, низкая стоимость
- Оксидные пленки (для электролитических конденсаторов)
Отличия диэлектриков от изоляторов
Хотя термины «диэлектрик» и «изолятор» часто используются как синонимы, между ними есть некоторые различия:
- Все диэлектрики являются изоляторами, но не все изоляторы — диэлектриками
- Диэлектрики способны к поляризации, изоляторы — нет
- Диэлектрики используются для накопления заряда, изоляторы — для предотвращения утечек тока
- Диэлектрическая проницаемость важна для диэлектриков, но не для изоляторов
Современные тенденции в области диэлектрических материалов
Развитие технологий требует создания новых диэлектрических материалов с улучшенными характеристиками:
- Наноструктурированные диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью
- Полимерные композиты с низкими диэлектрическими потерями
- Высокотемпературные диэлектрики для силовой электроники
- Гибкие и эластичные диэлектрики для носимой электроники
- Биоразлагаемые диэлектрические материалы
Методы исследования и контроля свойств диэлектриков
Для изучения свойств диэлектрических материалов применяются различные методы:
- Измерение диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь
- Определение электрической прочности
- Исследование частотных зависимостей диэлектрических параметров
- Термогравиметрический анализ
- Сканирующая электронная микроскопия
- Рентгеноструктурный анализ
Развитие методов исследования позволяет создавать новые диэлектрические материалы с заданными свойствами для различных применений в современной технике и электронике.
§ 12.7 Диэлектрики. Типы диэлектриков и их поляризация
В 1729 г. английский физик Стефан Грей обнаружил, что электрический заряд может перемещаться по одним телам и не перемещаться по другим. Например, по металлической проволоке электричество в его опытах распространялось, а по шелковой нити нет. С тех пор все вещества стали делиться на проводники и непроводники электричества. Последние были названы Фарадеем диэлектриками.
Введённый Фарадеем в 1837 г. термин «диэлектрики» образован от двух слов — греческого «диа» (что значит «через») и английского electric (электрический).
Диэлектриком называют вещество, которое не проводит
электрический ток, следовательно в это
веществе отсутствуют свободные заряженные
частицы (т.е.
таких заряженных частиц, которые способны
свободно перемещаться по всему объёму
тела). Такими
частицами могли бы быть электроны, но
в идеальном диэлектрике все электроны
связаны с ядром атома, т.
е. принадлежат
отдельным атомам, и свободно перемещаться
по телу не могут. Чтобы нарушить эту
связь, нужны сильные воздействующие
факторы.
Диэлектрики обладают способностью пропускать через себя электростатическое поле. Проникая через диэлектрики электростатическое поле ослабевает, но всё-таки не до нуля, как это происходит в металлах.
Диэлектриками могут быть вещества в трёх агрегатных состояниях: газообразном (азот, водород), жидком (чистая вода), твёрдом (янтарь, фарфор, кварц).
Всякая молекула представляет собой систему с суммарным зарядом, равным нулю. Поведение молекулы во внешнем электрическом поле эквивалентно диполю. Положительный заряд такого диполя равен суммарному заряду ядер, помещён в «центр тяжести» положительных зарядов; отрицательный заряд равен суммарному заряду электронов и помещён в «центр тяжести» отрицательных зарядов.
Все диэлектрики
делятся на три группы: полярные, неполярные
и кристаллические.
Полярные диэлектрики состоят из молекул, которые
Неполярные диэлектрики состоят из атомов и молекул, которые имеют симметричное строение (рис.12.21) , т.е. «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов совпадают в отсутствие внешнего электрического поля и, следовательно, не обладают собственным дипольным моментом. К ним относят инертные газы, бензол, парафин, водород, кислород.
При помещении
диэлектрика в электрическое поле в его
объёме и на поверхности появляются
макроскопические заряды.
Поляризацией диэлектрика называется процесс ориентации диполей, т.е. смещение положительных и отрицательных зарядов внутри диэлектрика в противоположные стороны.
Трём группам диэлектриков соответствует три вида поляризации.
Дипольная (ориентационная) поляризация. При отсутствии внешнего поля дипольные моменты полярных молекул вследствие теплового движения ориентированы в пространстве хаотично и их результирующий момент равен нулю (рис.12.22, а) . Если такой диэлектрик поместить во внешнее поле (рис.12.22, б) , то силы этого поля будут стремится повернуть диполи вдоль поля и возникает отличный от нуля результирующий момент. Эта ориентация дипольных моментов молекул по полю тем сильнее, чем больше напряжённость электрического поля и ниже температура.
Электронная поляризация. Если неполярную молекулу поместить во внешнее электрическое поле Е0, то под действием электрического поля происходит деформация её электронных орбит и молекулы диэлектрика превращаются в диполи, сразу ориентированные вдоль внешнего поля (ядра молекулы при этом смещаются по полю, а электронная оболочка вытягивается против поля и молекула приобретает дипольный момент
(рис.
12.23).
Ионная поляризация. Если кристаллический диэлектрик (NaCl) имеющий кристаллическую решётку, в узлах которой правильно чередуются положительные и отрицательные ионы, поместить во внешнее электрическое поле Е0, то произойдёт смещение положительных ионов решётки вдоль направления поля, а отрицательных ионов – в противоположную сторону. В результате диэлектрик поляризуется.
Такого рода поляризация называется ионной. Степень ионной поляризации зависит от свойств диэлектрика и от напряжённости поля.
12. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков. Виды поляризации.
Диэлектриками или
изоляторами называются вещества, в
которых нет свободных носителей зарядов
и которые, следовательно, не проводят
электрический ток. Это будут идеальные
диэлектрики. В действительности
диэлектрики проводят электрический
ток, но очень слабо, их проводимость
в 1015 -1020 раз меньше, чем у проводников.
Это
обусловлено тем, что в обычных условиях
заряды в диэлектриках связаны в устойчивые
молекулы и не могут, как в проводниках,
легко отрываться и становиться свободными.
Молекулы диэлектрика электро нейтральны:
суммарный заряд электронов и атомных
ядер, входящих в состав молекулы, равен
нулю. В первом приближении молекулу
можно рассматривать как диполь с
электрическим моментом ; здесь
Различают два основных типа диэлектриков: полярный и неполярный. Диэлектрик называют неполярным, если в его молекулах в отсутствие внешнего электрического поля центры тяжести отрицательных и положительных зарядов совпадают, например, Для них дипольный момент , т. к. . И, следовательно, суммарный дипольный момент неполярного диэлектрика .
В молекулах полярных диэлектриков (,спирты, НС1.
..)
центры тяжести зарядов разных знаков
сдвинуты друг относительно друга. В
этом случае молекулы обладают собственным
дипольным моментом
.
Но эти дипольные моменты в отсутствие
внешнего электрического поля из-за
теплового движения молекул ориентированы
хаотически и суммарный дипольный момент
такого диэлектрика равен нулю, т. е.
.
12.2.-3 Если диэлектрик внести в электрическое поле, то в нем произойдет перераспределение связанных зарядов. В результате этого суммарный дипольный момент диэлектрика становится отличным от нуля. В этом случае говорят, что произошла поляризация диэлектрика. Различают три типа поляризации диэлектриков:
1) ЭЛЕКТРОННАЯ: oна наблюдается в неполярных диэлектриках, когда электронная оболочка смещается относительно ядра против поля (см. рис. 1).
2) ОРИЕНТАЦИОННАЯ:
она наблюдается в полярных диэлектриках,
когда диполи стремятся расположиться
вдоль поля. Этому препятсятвует тепловое
хаотическое движение.
3) ИОННАЯ: она наблюдается в твердых кристаллических диэлектриках, когда внешнее поле вызывает смещение положительных ионов по полю, а отрицательных — против поля.
Теорема Гаусса — Остроградского для потока вектора в вакууме имела вид, илигде Q — суммарный заряд, охватываемый замкнутой поверхностью S. В диэлектрике Q складывается из свободных (сторонних) зарядов и связанных зарядов, т.е. (5) Можно показать, что.
Подставляя эту формулу в (5), после преобразования получим (6) Величину(7) называют вектором электрического смещения или вектором электрической индукции. Она измеряется, как и, в Кл/м2. Учитывая, что находим .(8)
Линии вектора
могут начинаться или заканчиваться
лишь на свободных зарядах, а линии — на
свободных и связанных. С учетом
(7) формула
(6) запишется
так , (9) т.е.
поток вектора
электрического смещения через произвольную
замкнутую поверхность S равен
алгебраической сумме свободных зарядов,
охватываемых этой поверхностью.
Это и есть теорема Гаусса — Остроградского в интегральной форме для поля в диэлектрике, которая в дифференциальной форме выглядит так: =dq/dV, Кл / м (10) ρ – объемная плотность свободных зарядов.
Что такое диэлектрический материал и как он работает?
По
- Рахул Авати
Диэлектрический материал плохо проводит электричество, но эффективно поддерживает электростатические поля. Он может накапливать электрические заряды, иметь высокое удельное сопротивление и отрицательный температурный коэффициент сопротивления.
Диэлектрические материалы являются плохими проводниками электричества, поскольку в них нет слабо связанных или свободных электронов, которые могут дрейфовать через материал. Электроны необходимы для поддержания потока электрического тока. Ток течет от положительного вывода к отрицательному и в обратном направлении в виде свободных электронов, которые текут от отрицательного вывода к положительному.
Диэлектрические материалы поддерживают диэлектрическую поляризацию, что позволяет им действовать как диэлектрики, а не как проводники. Это явление возникает, когда диэлектрик помещается в электрическое поле и положительные заряды смещаются в направлении электрического поля, а отрицательные заряды смещаются в противоположном направлении. Такая поляризация создает сильное внутреннее поле, которое уменьшает общее электрическое поле внутри материала.
techtarget.com/whatis/definition/dielectric-material&enablejsapi=1&origin=https://www.techtarget.com» type=»text/html» frameborder=»0″> Важные сведения о диэлектрических материалахВажным фактором для диэлектрического материала является его способность поддерживать электростатическое поле при минимальном рассеивании энергии в виде тепла. Это рассеянное тепло или потеря энергии известны как диэлектрические потери . Чем меньше диэлектрические потери, тем эффективнее вещество как диэлектрический материал.
Еще одним соображением является диэлектрическая проницаемость , , который представляет собой степень, в которой вещество концентрирует электростатические линии потока. К веществам с низкой диэлектрической проницаемостью относятся идеальный вакуум, сухой воздух и самые чистые, сухие газы, такие как гелий и азот. К материалам с умеренными диэлектрическими постоянными относятся керамика, дистиллированная вода, бумага, слюда, полиэтилен и стекло.
Оксиды металлов, как правило, имеют высокие диэлектрические постоянные.
Это наиболее важные свойства диэлектрических материалов.
Электрическая восприимчивость
Относится к относительной мере того, насколько легко диэлектрический материал может быть поляризован под воздействием электрического поля. Это также относится к электрической проницаемости материала.
Диэлектрическая поляризация
Это количество электрической энергии, хранящейся в электрическом поле, когда к нему приложено напряжение. Поскольку это заставляет положительные заряды и отрицательные заряды течь в противоположных направлениях, это может свести на нет общее электрическое поле.
Электрический дипольный момент
Степень разделения отрицательных и положительных зарядов в системе относится к электрическому дипольному моменту. Атомы содержат как положительно, так и отрицательно заряженные частицы и расположены в материале в виде диполей.
Приложение электрического заряда создает дипольный момент. Связь между дипольным моментом и электрическим полем придает материалу его диэлектрические свойства.
Электронная поляризация
Электронная поляризация возникает, когда диэлектрические молекулы, образующие дипольный момент, состоят из нейтральных частиц.
Время релаксации
После снятия приложенного электрического поля атомы в диэлектрическом материале возвращаются в исходное состояние после некоторой задержки. Это время задержки называется временем релаксации .
Пробой диэлектрика
Если напряжение на диэлектрическом материале становится слишком большим, а электростатическое поле становится слишком интенсивным, материал начинает проводить ток. Это явление называется пробоем диэлектрика .
В компонентах, в которых в качестве диэлектрической среды используются газы или жидкости, это условие меняется на противоположное, если напряжение падает ниже критической точки.
Но в компонентах, содержащих твердые диэлектрики, пробой диэлектрика обычно приводит к необратимому повреждению.
Диэлектрическая дисперсия
Этот термин относится к максимальной поляризации, достигаемой диэлектрическим материалом. На это влияет время релаксации.
Типы диэлектрических материаловДиэлектрические материалы основаны на типе молекул, присутствующих в материале.
Полярный диэлектрик
В полярном диэлектрике центры масс положительных и отрицательных частиц не совпадают. Молекулы имеют асимметричную форму, и в материале существует дипольный момент. Когда к материалу прикладывается электрическое поле, молекулы выравниваются с электрическим полем. Когда поле снимается, суммарный дипольный момент в молекулах становится равным нулю.
Примеры: вода и соляная кислота
Неполярный диэлектрик
В неполярных диэлектрических материалах центр масс положительных и отрицательных частиц совпадает.
Молекулы имеют симметричную форму, а диэлектрический материал не имеет дипольного момента.
Примеры: водород, кислород и азот
Большинство диэлектрических материалов твердые. Примеры следующие:
- фарфор (керамика)
- слюда
- стекло
- пластик
- многие оксиды металлов
Некоторые жидкости и газы также являются хорошими диэлектрическими материалами. Сухой воздух является отличным диэлектриком и используется в конденсаторах переменной емкости и некоторых типах линий передачи. Азот и гелий являются хорошими диэлектрическими газами. Дистиллированная вода является хорошим диэлектриком. Вакуум является исключительно эффективным диэлектриком.
Различия между диэлектриками и изоляторами Диэлектрики часто путают с изоляторами, хотя между этими типами материалов есть различия. Например, все диэлектрики являются изоляторами, но не все изоляторы являются диэлектриками.
Некоторые различия выделены на этом рисунке.
Диэлектрические материалы используются во многих областях. Из-за их способности накапливать заряды они чаще всего используются для хранения энергии в конденсаторах и для построения линий радиопередачи.
Диэлектрические материалы с высокой диэлектрической проницаемостью часто используются для улучшения характеристик полупроводников. В трансформаторах, реостатах, шунтирующих и заземляющих реакторах диэлектрические материалы, такие как минеральные масла, действуют как хладагенты и изоляторы.
Диэлектрики также используются в жидкокристаллических дисплеях, резонаторных генераторах и перестраиваемых микроволновых устройствах. В некоторых приложениях специально обработанные диэлектрики служат электростатическим эквивалентом магнитов. Совсем недавно для отвода тепла от технологической инфраструктуры для поддержания желаемой температуры окружающей среды использовалось погружение оборудования центра обработки данных в диэлектрический жидкий охлаждающий агент.
См. также: конденсатор , picofarad per meter , flash storage , resistive RAM , floating gate transistor , inductor , ultracapacitor , transducer and жидкостное иммерсионное охлаждение .
Последнее обновление: июнь 2022 г.
Продолжить чтение О диэлектрическом материале- Масштабирование новых технологий памяти, используемых для постоянной памяти
- Выберите схему центра обработки данных: фальшполы или подвесные кабели
- Составьте план обеспечения непрерывности бизнеса при отключении электроэнергии с помощью этих советов
- Как использовать Интернет вещей для повышения энергоэффективности и устойчивого развития
- Системы и технологии охлаждения центров обработки данных и принципы их работы
мультиарендный
Мультитенантность — это архитектура, в которой один экземпляр программного приложения обслуживает несколько клиентов.
ПоискСеть
- восточно-западный трафик
Трафик Восток-Запад в контексте сети — это передача пакетов данных с сервера на сервер в центре обработки данных.
- CBRS (Гражданская широкополосная радиослужба)
Служба широкополосной радиосвязи для граждан, или CBRS, представляет собой набор операционных правил, заданных для сегмента общего беспроводного спектра и …
- частный 5G
Private 5G — это технология беспроводной сети, которая обеспечивает сотовую связь для случаев использования частных сетей, таких как частные …
ПоискБезопасность
- Что такое модель безопасности с нулевым доверием?
Модель безопасности с нулевым доверием — это подход к кибербезопасности, который по умолчанию запрещает доступ к цифровым ресурсам предприятия и …
- RAT (троянец удаленного доступа)
RAT (троян удаленного доступа) — это вредоносное ПО, которое злоумышленник использует для получения полных административных привилегий и удаленного управления целью .
.. - атака на цепочку поставок
Атака на цепочку поставок — это тип кибератаки, нацеленной на организации путем сосредоточения внимания на более слабых звеньях в организации …
..ПоискCIO
- пространственные вычисления
Пространственные вычисления широко характеризуют процессы и инструменты, используемые для захвата, обработки и взаимодействия с трехмерными данными.
- Пользовательский опыт
Дизайн взаимодействия с пользователем (UX) — это процесс и практика, используемые для разработки и внедрения продукта, который обеспечит положительные и …
- соблюдение конфиденциальности
Соблюдение конфиденциальности — это соблюдение компанией установленных правил защиты личной информации, спецификаций или …
SearchHRSoftware
- Поиск талантов
Привлечение талантов — это стратегический процесс, который работодатели используют для анализа своих долгосрочных потребностей в талантах в контексте бизнеса .
.. - удержание сотрудников
Удержание сотрудников — организационная цель сохранения продуктивных и талантливых работников и снижения текучести кадров за счет стимулирования …
- гибридная рабочая модель
Гибридная модель работы — это структура рабочей силы, включающая сотрудников, работающих удаленно, и тех, кто работает на месте, в офисе компании…
..SearchCustomerExperience
- CRM (управление взаимоотношениями с клиентами) аналитика
Аналитика CRM (управление взаимоотношениями с клиентами) включает в себя все программные средства, которые анализируют данные о клиентах и представляют…
- разговорный маркетинг
Диалоговый маркетинг — это маркетинг, который привлекает клиентов посредством диалога.
- цифровой маркетинг
Цифровой маркетинг — это общий термин для любых усилий компании по установлению связи с клиентами с помощью электронных технологий.
сегнетоэлектрическая керамика. Емкость может изменяться в зависимости от приложенного напряжения (пьезоэлектрический эффект)
A
более высокая стоимость, чем майлар.
Его гигроскопичность позволяет влаге со временем ухудшать характеристики.
Можно использовать до 105°
C без снижения номинальных характеристик. Популярен для приложений переменного тока.
Твердые танталы обладают гораздо лучшими характеристиками, чем
версии с мокрой пробкой (не разрешены ни для какого оборудования Mil-Spec).
