Остаточные вопросы by Alex.BiT (Остаточные вопросы)

Какие возникают физические эффекты в диэлектриках при воздействии на них электрического поля? К основным физическим эффектам, возникающим в диэлектриках при воздействии на них эл. поля относятся: поляризация, электропроводность, электротепловой пробой. Воздействие эл. поля вызывает в диэлектриках электрострикцию, диэлектрические потери, электротепловой эффект. В пьезоэлектриках, относящихся к нецентросимметричным структурам, возникает обратный пьезоэффект.

Какие виды поляризаций характерны для газов и жидких диэлектриков? Для газов и жидких диэлектриков, кроме электронной поляризации, наблюдающейся во всех без исключения видах веществ, возможна дипольная (дипольно-релаксационная) поляризация при наличии в составе полярных молекул. Атомной поляризацией в большинстве случаев можно пренебречь. При наличии в коллоидных растворах частиц дисперсной фазы сложного состава в них (в частицах) и на границе фаз могут быть и другие виды поляризации, например типа миграционной. На частотах, совпадающих с собственными частотами колебаний атомов, ионов и молекул наблюдается резонансная поляризация.

Как изменяется от температуры диэлектрическая проницаемость неполярных газов и жидких диэлектриков? Для неполярных газов и жидких диэлектриков диэлектрическая проницаемость при увеличении температуры будет уменьшаться, хотя электронная поляризуемость от температуры не зависит. Это связано с тем, что в соответствии с уравнением поляризации диэлектрическая проницаемость зависит не только от поляризуемости, но и от концентрации частиц, которая будет уменьшаться из-за увеличении объема при нагревании. Для жидких диэлектриков в этой зависимости будет наблюдаться в области температуры кипения более резкое уменьшение диэлектрической проницаемости при переходе от жидкой фазы к газообразной, что также связано с изменением объема и резким уменьшением концентрации поляризуемых частиц.

Как изменяется от температуры поляризуемость ионных кристаллов типа NaCl? Поляризуемость ионных кристаллов типа хлористого натрия при увеличении температуры будет несколько возрастать, так как согласно теории ионной поляризации поляризуемость обратно пропорциональна коэффициенту упругой связи ионов в решетке. Из-за теплового расширения кристалла происходит уменьшение коэффициента упругой связи, в результате ионы получают возможность упруго смещаться на несколько большие расстояния, т. е. ионная поляризуемость возрастает.

Изменится ли емкость электрического конденсатора с неполярным твердым диэлектриком при увеличении температуры и почему? Емкость конденсатора с неполярным диэлектриком при увеличении температуры несколько уменьшится. Это связано с тем, что диэлектрическая проницаемость диэлектрика зависит от концентрации частиц, которая при увеличении температуры уменьшится из-за увеличения объема диэлектрика при тепловом расширении.

Чему будет равна диэлектрическая проницаемость ионного кристалла с плотной упаковкой ионов в решетке на частоте 10¹⁷ гц, если в нем на частоте 1000 гц наблюдаются электронная и ионная поляризации? Так как дисперсия ионной поляризации наблюдается на частотах около 10¹³ Гц, а электронной поляризации соответственно на 10¹⁵-10¹⁶ Гц, то на более высоких частотах диэлектрическая проницаемость равна 1, если только мы не попадем в область частот, в которой наблюдается нормальная дисперсия.

При каких условиях уравнение клаузиуса-моссотти преобразуется в уравнение лорентц-лоренца? Если область частот, на которых предполагается использовать уравнение Клаузиуса-Моссотти, соответствует оптическому диапазону частотного спектра, то можно воспользоваться тем, что на этих частотах диэлектрическая проницаемость будет равна, примерно, квадрату лучепреломления диэлектрика. Уравнение, в котором диэлектрическая проницаемость заменена на квадрат лучепреломления и называется уравнением Лорентц-Лоренца.

Почему уравнение клаузиуса-моссотти дает неверные результаты, если его применять для вычисления параметров твердых полярных диэлектриков? При выводе поправки Дебая на дипольную поляризацию было введено упрощающее предположение о том, что диполи при своей ориентации в электрическом поле не взаимодействуют друг с другом. Действительно, таким взаимодействием можно пренебречь, если речь идет о полярных жидкостях, в которых благодаря малой вязкости диполи могут относительно легко ориентироваться под действием электрического поля, а при своем тепловом движении они могут «найти» диполь, который компенсирует его электрический момент. В твердых полярных диэлектриках и сильно полярных жидкостях можно считать, что диполи жестко «закреплены» и их воздействием друг на друга нельзя пренебрегать, поэтому следует использовать другие физические модели.

Почему tg неполярных диэлектриков уменьшается при увеличении частоты? В однородных неполярных диэлектриках имеется только один вид диэлектрических потерь, обусловленных токами сквозной проводимости. Такой диэлектрик можно заменить эквивалентной электрической параллельной схемой замещения, состоящей из параллельно соединенных емкости и активного сопротивления. Ток через активное сопротивление будет равен U/R, а через емкость UC. Т.е., согласно определению, tg=1/ UC будет уменьшаться обратно пропорционально частоте при ее увеличении.

Какой физический смысл имеют компоненты комплексной диэлектрической проницаемости? Действительный член комплексной диэлектрической проницаемости имеет физический смысл относительной диэлектрической проницаемости, а мнимый член характеризует потери в диэлектрике.

Какие представления о дипольных молекулах и допущения сделаны дебаем в его физической модели дипольной поляризации? Дебай предположил, что дипольные молекулы имеет вид сферы с зарядом сосредоточенным в центре сферы. Такие молекулы перемещаются друг относительно друга в среде с определенной вязкостью и временем релаксации, зависящим от температуры (дебаевское время релаксации) и вязкости среды. При вычислении поправки на дипольную поляризацию им была использована математическая модель Ланжевена и допущено, что диполи при их ориентации в электрическом поле не взаимодействуют друг с другом.

Приведите условие, при котором для полярных диэлектриков в дебаевской модели дипольной поляризации наблюдается максимум ? Условием максимума будет равенство .

Как будет изменяться время релаксации дипольной поляризации при увеличении температуры? Согласно модели Дебая время релаксации изменяется обратно пропорционально температуре (дебаевское время релаксации).

Какая разница между дебаевским и фрёлиховским временем релаксации полярных молекул? Дебаевское время релаксации изменяется обратно пропорционально температуре, фрёлиховское время релаксации уменьшается с ростом температуры по экспоненте.

Что собой представляет диаграмма коула-коула? Какие параметры диэлектрика она позволяет вычислить? Диаграмма Коула-Коула представляет собой интерпретацию уравнений Дебая в виде полуокружности в координатах "F(’) с радиусом (₀-_)/2 в случае монорелаксационного процесса. В простейшем случае диаграмма К.К позволяет определить значения ₀ и _, используя которые можно рассчитать и другие параметры.

Для диэлектрика с одним временем релаксации диэлектрическая проницаемость при частоте стремящейся к нулю, была равна 6.4, а при «бесконечно большой» частоте,  2.4. Какое значение имеет " этого диэлектрика? Из диаграммы Коула-Коула для одного времени релаксации можно получить: "= (₀-_)/2=2.

Какие характерные особенности наблюдаются в частотных зависимостях tg неполярных неоднородных диэлектриков в широком диапазоне частот? Для неоднородных неполярных диэлектриков в частотных зависимостях tg (при его уменьшении с ростом частоты) можно наблюдать два типа максимумов. При низких частотах появление максимума связывается с наличием в диэлектрике макроскопических неоднородностей, при высоких частотах максимумы могут появляться из-за наличия микроскопических неоднородностей. Второй тип неоднородностей характерен, главным образом, для диэлектриков кристаллического строения. Заметим, что максимумы, обусловленные неоднородностью, могут появляться и в диэлектриках с полярной структурой молекул.

Как изменится диаграмма коула-коула для диэлектрика с набором времен релаксации по сравнению с диэлектриком в котором имеется один тип релаксаторов? При наличии нескольких типов релаксаторов в диэлектрике (или набора времен релаксации) в диаграмме Коула-Коула центр полуокружности опускается ниже оси  (т.е. на рис. будет только часть дуги полуокружности), поэтому радиус дуги следует рассчитывать по другим соотношениям, более сложным, чем в случае одного времени релаксации. Для характеристики релаксационного процесса в этом случае определяют параметр распределения времен релаксации. Более сложные типы диаграмм, имеющие различные типы релаксаторов, имеют другие названия.

Какие особенности характерны для частотной зависимости диэлектрической проницаемости диэлектрика с резонансной поляризацией? В частотной зависимости диэлектрической проницаемости ’при резонансной поляризации ’ при повышении частоты сначала растет, затем достигает максимума при частотах меньших частоты ₀, соответствующей значению ’, при которой она равна квадрату лучепреломления. ’ убывает далее и при своем уменьшении проходит через минимум. Возрастая далее, ^ при частотах больших ₀ при очень высоких частотах достигает значения, равного квадрату лучепреломления.

В чем состоит сущность спонтанной поляризации сегнетоэлектриков? Сегнетоэлектрические кристаллы с переходами типа порядок-беспорядок могут находиться в неполярной (параэлектрической) фазе или в полярной сегнетоэлектрической фазе. Структурные элементы кристалла могут находиться в одном или нескольких равновесных положениях. В неполярной фазе при более высоких температурах энергия теплового движения превышает энергию диполь-дипольного взаимодействия, вследствие чего суммарная поляризация отсутствует. По мере снижения температуры в области фазового перехода за счет диполь-дипольного взаимодействия происходит самопроизвольное упорядочение структурных элементов и в сегнетоэлектриках возникает спонтанная поляризация.

Поясните на примере титаната бария, как происходит в нем переход в сегнетоэлектрическое состояние (используйте модель перескакивающих ионов»). При температуре выше точки Кюри элементарная ячейка титаната бария имеет структуру типа минерала перовскита (АВО₃), имеющей форму куба. Ион Тi, находящийся в центре ячейки, имеет некоторую свободу перемещения между ионами кислорода, располагающихся в центре каждой грани. Ионы Ba занимают положения в вершинах куба. При температурах выше Т_к из-за теплового движения центр иона титана совпадает с центром элементарной ячейки, т.к. его нахождение вблизи каждого из ионов кислорода равновероятно. При температуре ниже Т_к ион титана смещается по направлению к одному из ионов кислорода, который в свою очередь сближается с ионом титана. Таким образом возникает ковалентная связь между сближенными ионами при этом ячейка вытягивается в направлении поляризации и переходит в тетрагональную модификацию. Элементарная ячейка приобретает электрический момент. Смещение ионов титана а смежных кристаллических ячейках происходит согласованно в пределах одного домена.

Что собой представляет пьезоэлектрический эффект? Пьезоэлектрический эффект – возникновение электрической индукции (поляризации) под действием механических напряжений или возникновение деформации под действием электрического поля в некоторых анизотропных диэлектриках и полупроводниках. Линейная связь между вектором поляризации P и тензором напряжений с компонентами _jk описывается с помощью тензора пьезоэлектрических модулей с компонентами d_ijk:

Как можно выяснить, обладает ли кристалл пироэлектрическими свойствами? Так как пироэлектрический эффект заключается в появлении электрических зарядов на поверхности полярного диэлектрика при изменении его температуры, то измерение величины заряда (поляризации) при небольшом изменении температуры позволит определить значение пироэлектрического коэффициента. Спонтанная поляризованность будет уменьшаться при увеличении температуры из-за из-за частичного разупорядочения диполей (если кристалл состоит из полярных молекул) и термического расширения кристалла. Коэффициент полного пироэффекта характеризует электрический момент единицы объема кристалла, обусловленный первичным и вторичным эффектами.

Какими характерными особенностями обладают электреты? Могут ли обладать свойствами электретов сегнетоэлектрики? Отличительной чертой электретов является их способность к длительному сохранению в объеме или на поверхности электрических зарядов, которые в окружающем пространстве создают постоянное электрическое поле. Практически электреты могут быть созданы из различных групп диэлектриков путем какого-либо активирующего воздействия (термо-, механо-, электро-, радио-, магнито- и др. электреты), поэтому свойства их могут отражать характерные особенности диэлектрика и способ создания электретного состояния. Электреты могут быть созданы и на основе сегнето-(пьезо-) материала, например. на основе керамики ЦТС. От пьезоэлементов электреты на основе ЦТС отличаются отсутствием электродов.

Перечислите известные вам виды диэлектрических потерь. К наиболее общим видам диэлектрических потерь относятся потери: за счет сквозной электропроводности; потери, обусловленные релаксационными видами поляризаций (дипольной, ионно-релаксационной, миграционной и др.); потери на ионизацию газовых включений; потери, обусловленные неоднородностью диэлектрика (макроскопическми или микроскопическими дефектами); резонансные потери.