Ответы - final (Ответы на экзамен 1), страница 6
Описание файла
Файл "Ответы - final" внутри архива находится в папке "otvety_v1". Документ из архива "Ответы на экзамен 1", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "материалы и элементы электронной техники" из 5 семестр, которые можно найти в файловом архиве НИУ «МЭИ» . Не смотря на прямую связь этого архива с НИУ «МЭИ» , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "к экзамену/зачёту", в предмете "материалы и элементы электронный техники" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Ответы - final"
Текст 6 страницы из документа "Ответы - final"
Pi = A1f(U-Ui) 3
где A1 — постоянный коэффициент; f — частота; U — приложенное напряжение; Ui — напряжение, соответствующее началу ионизации.
Формула справедлива при (U>Ui и линейной зависимости tgδ от Е). Значение ионизирующего напряжения Ui зависит от давления газа, поскольку развитие ударной ионизации молекул связано с длиной свободного пробега электронов. С увеличением давления газа выше атмосферного значение напряжения начала ионизации возрастает.
Ионизационные потери являются дополнительным механизмом диэлектрических потерь для твердого диэлектрика, содержащего газовые включения. Ионизация газа в таких включениях особенно интенсивно происходит при радиочастотах. На рис. 6.17 показано влияние газовых включений на характер tgδ с увеличением напряжения. При возрастании напряжения свыше Ui (начало ионизации) tgδ растет. При U > Ui когда газ во включениях уже ионизирован, требуется меньшая энергия на дальнейшее развитие процесса и tgδ уменьшается
Кривую tgδ = F(U) часто называют кривой ионизации. При высоких частотах ионизация и потери в газах возрастают настолько, что это явление может привести к разогреву и разрушению изделий с газовой изоляцией, если напряжение превышает ионизационное значение.
Возникновение ионизации газа, заполняющего поры в твердой изоляции, нередко также приводит к ее разрушению. Ионизация воздуха сопровождается образованием озона и окислов азота, что в одних случаях вызывает химическое разрушение органической изоляции, содержащей газовые включения, в других — цепную реакцию окисления, инициированную бомбардировкой материала заряженными частицами.
Диэлектрические потери в твердых диэлектриках. Диэлектрические потери в твердых диэлектриках зависят от структуры материалов. Различные твердые вещества имеют разный состав и строение; в них возможны все виды диэлектрических потерь.
1. Диэлектрические потери в веществах с молекулярной структурой зависят от вида молекул.
Диэлектрики, имеющие молекулярную структуру с неполярными молекулами и не содержащие примесей, обладают ничтожно малыми диэлектрическими потерями. К таким диэлектрикам относятся сера, церезин, неполярные полимеры — полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол (см. гл. 7) и др. Указанные вещества в связи с их малыми потерями применяют в качестве высокочастотных диэлектриков. Твердые диэлектрики, состоящие из полярных молекул, представляют собой главным образом органические вещества, широко используемые в технике: полярные полимеры — эпоксидные компаунды, кремнийорганические и феноло-формальдегидные смолы, полиамиды (капрон и т. п.), полиэтилентерефталат (лавсан), гетинакс и др. Все они благодаря присущей им дипольно-релаксационной поляризации имеют большие потери, особенно при радиочастотах.
2. Диэлектрические потери в веществах с ионной структурой зависят от особенностей упаковки ионов в решетке.
В веществах с кристаллической структурой и плотной упаковкой ионов в отсутствие примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в этих веществах обнаруживаются потери на электропроводность весьма малы.. К веществам данного типа относятся многочисленные кристаллические неорганические соединения, имеющие большое значение в современном производстве электротехнической керамики, например, корунд, входящий в состав ультрафарфора. Примером соединений такого рода является также каменная соль, чистые кристаллы которой обладают ничтожными потерями; малейшие примеси, искажающие решетку, резко увеличивают диэлектрические потери.
К диэлектрикам, имеющим кристаллическую структуру с неплотной упаковкой ионов, относится ряд кристаллических веществ, характеризующихся релаксационной поляризацией, вызывающей повышенные диэлектрические потери. Многие из них входят в состав керамических масс, изоляторного фарфора, огнеупорной керамики и т. д.
Диэлектрические потери в квазиаморфных веществах с ионной структурой — неорганических стеклах — отличаются некоторыми особенностями. В стеклах за релаксацию ответственны слабосвязанные ионы, совершающие перескоки из одной ячейки пространственной структурной сетки в другу
б)
Рис. 6.18. Частотная и температурная зависимости тангенса угла диэлектрических потерь для неорганического стекла:
1 — потери на электропроводность;
2 — релаксационные потери;
3— суммарные потери
Потенциальные барьеры, ограничивающие движение слабосвязанных ионов, неодинаковы вследствие локальных неоднородностей структуры стекла. Поэтому релаксационные потери в стеклах определяются широким набором времен релаксации, что приводит к расширению и некоторому сглаживанию максимумов в температурной и частотной зависимостях тангенса угла диэлектрических потерь (рис. 6.18). Чем больше набор времени релаксации, тем меньше значение релаксационного максимума, так как уменьшается число релаксаторов каждого типа. Сглаженные максимумы релаксационных потерь могут в значительной мере маскироваться потерями на электропроводность и не проявляться в явном виде.
При очень высоких частотах, приближающихся к частотам собственных колебаний ионов, в стеклах возможны также резонансные потери.
11. Относительная диэлектрическая проницаемость ε. Связь комплексной ε*=ε'- jε" и tgδ.
Диэлектрическая проницаемость ε количественно характеризует спообность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле, а также оценивает степень его полярности; ε является константой диэлектрического материала при данной температуре и частоте электрического напряжения и показывает, во сколько раз заряд конденсатора с диэлектриком больше заряда конденсатора тех же размеров с вакуумом.
Диэлектрическая проницаемость определяет величину электрической емкости изделия (конденсатора, изоляции кабеля и т.п.). Для плоского конденсатора электрическая емкость С, Ф, выражается формулой
С = εεоS/h, (2.15)
где S — площадь измерительного электрода, м2; h — толщина диэлектрика, м.
Из формулы (2.15) видно, что чем больше величина ε используемого диэлектрика, тем больше электрическая емкость конденсатора при тех же габаритах.
В свою очередь, электрическая емкость С является коэффициентом пропорциональности между поверхностным зарядом Qк, накопленным конденсатором, и приложенным к нему электрическим напряжением U:
Qк = CU = Uεоε S / h. (2.16)
Из формулы (2.16) следует, что электрический заряд Qк, накопленный конденсатором, пропорционален величине ε диэлектрика. Зная Qк и геометрические размеры конденсатора, можно определить ε диэлектрического материала для данного напряжения.
****************************************************************
Диэлектрическая проницаемость ε — величина безразмерная, и у любого диэлектрика она больше единицы; в случае вакуума ε = 1. Плотность заряда на электродах конденсатора с диэлектриком в ε раз больше плотности заряда на электродах конденсатора с вакуумом, а напряженности при одинаковых напряжениях для обоих конденсаторов одинаковы и зависят только от величины напряжения U и расстояния между электродами (Е = U/h).
Кроме относительной диэлектрической проницаемости ε различают абсолютную диэлектрическую проницаемость εа, Ф/м,
εа =εεо, (2.19)
которая не имеет физического смысла но используется в электротехнике.
Для диэлектриков с потерями можно также использовать комплексную диэлектрическую проницаемость ε, которая выражается формулой
ε = ε'-jε", (2.20)
где ε' и ε" — действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости ε; j — коэффициент, обозначающий мнимую компоненту (j = √-l). Мнимая часть представляет собой коэффициент потерь ε" (ε" = ε'tgδ, где tgδ — тангенс угла диэлектрических потерь.
р ис 2.3. Частотные зависимости ε/, ε//, к и tgδ диэлектрика с релаксационными видами поляризации
В слабых электрических полях у линейных изотропных диэлектриков вектор электрического смещения (электрической индукции) D незначительно и линейно зависит от вектора поля Е, действующего в диэлектрике (D = εεоЕ). При этом диэлектрическая проницаемость ε остается величиной постоянной и независимой от напряженности поля Е. (Для анизотропных диэлектриков направления D и Е не совпадают, поэтому у них диэлектрическая проницаемость является тензором.)
В сильных электрических полях у линейных изотропных диэлектриков линейная зависимость D(E) нарушается и диэлектрическая проницаемость ε становится величиной, зависимой от квадрата напряженности поля Е2
ε(Е) = dD/dE = ε+ЗαЕ2, (2.21)
где α — второе слагаемое в разложении D по степеням Е
Нелинейная зависимость ε(Е) и D(E) у диэлектриков имеет важное значение не только в ряде вопросов теории диэлектрической поляризации, но и для их практического применения.
13. Сегнетоэлектрики. Температура Кюри.
Активными (управляемыми) диэлектриками называют материалы, свойствами которых можно управлять в широких пределах с помощью внешнего энергетического воздействия: напряженности электрического или магнитного поля, механического напряжения, температуры, светового потока и др. В этом их принципиальное отличие от обычных (пассивных) диэлектриков.
Из активных диэлектриков изготавливают активные элементы электронных приборов. Особенностью свойств этих материалов являются такие явления, как сегнетоэлектричество, электретный, пьезоэлектрический и электрооптический эффекты, инжекционные токи и др., послужившие основой для разработки диэлектрических приборов. Ниже рассматриваются особенности строения и свойств некоторых активных диэлектриков, нашедших наиболее широкое применение.
7.15.1. Сегнетоэлектрики
Сегнетоэлектрики в отличие от обычных (пассивных) диэлектриков обладают регулируемыми электрическими характеристиками. Так, например, диэлектрическую проницаемость сегнетоэлектриков с помощью электрического напряжения можно изменять в широких пределах. Характерная особенность сегнетоэлектриков заключется в том, что у них наряду с электронной, ионной и релаксационными видами поляризации, вызываемыми внешним электрическим полем наблюдается самопроизвольная (спонтанная) поляризация, под действием которой эти диэлектрики приобретают доменную структуру и характерные сегнетоэлектрические свойства.
Самопроизвольная поляризация проявляется в отсутствие электрического поля в определенном интервале температур ниже точки Кюри Тк вследствие изменения строения элементарной ячейки кристаллической решетки и образования доменной структуры, что, в свою очередь, вызывает у сегнетоэлектриков:
-
необычно высокую диэлектрическую проницаемость (до десятков тысяч);
-
нелинейную зависимость поляризованности, а следовательно,и диэлектрической проницаемости от напряженности приложенного
электрического поля; -
резко выраженную зависимость диэлектрической проницаемости от температуры;
-
наличие диэлектрического гистерезиса.
Указанные выше свойства были детально изучены И.В.Курчатовым и П.П.Кобеко у сегнетовой соли (натриево-калиевая соль винной кислоты NaKC4H4O6 • 4Н2О), поэтому вещества, обладающие аналогичными свойствами, называют сегнетоэлектриками. Важнейший для практического применения сегнетоэлектрик — титанат бария — открыл в 1944 г. Б.М. Бул. Ряд сегнетоэлектриков был открыт Г.А. Смоленским и др.