Материалы на тему диэлектриков. Шпоры, короче (общая)

Посмотреть архив целиком

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ (от назв. сегнетовой соли по фамилии синтезировавшего ее П. Сеньета, P. Seignette), моно-или поликристаллич. полярные диэлектрики, обладающие в определенном интервале т-р спонтанной (самопроизвольной) поляризацией; разновидность пироэлектриков. Под действием внеш. электрич. поля, упругих напряжений или при изменении т-ры в сегнетоэлектрики меняются величина и направление спонтанной поляризации, мех., оптич. и теплофиз. св-ва.

Структура сегнетоэлектрики характеризуется наличием доменов-областей с однонаправленной поляризацией в пределах одного домена; суммарная поляризация образца при этом м.б. равна нулю. Доменная структура зависит от симметрии кристаллов и часто связана с природой и характером распределения их дефектов.

Действие внеш. электрич. поля высокой напряженности приводит к резкому возрастанию поляризации, обусловленному ориентацией доменов преим. по полю. Процесс ориентации обычно сопровождается изменением кристаллич. структуры сегнетоэлектрики, причем энергетич. барьер относительно невелик. Возрастание поляризации приводит к изменению величины диэлектрич. проницаемости , теплоемкости, коэф. термич. расширения и др. св-в сегнетоэлектрики Зависимость поляризации в сегнетоэлектрики от напряженности электрич. поля нелинейна и имеет вид петли гистерезиса.

При нагр. выше определенной т-ры, наз. Кюри точкой Тк, спонтанная поляризация сегнетоэлектрики исчезает. В этой точке происходит сегнетоэлектрич. переход из полярной фазы в неполярную (параэлектрическую). В области Тк температурная зависимость достигает максимума, а величина остаточной поляризации Р0 падает до нуля.

Сегнетоэлектрич. св-ва впервые были обнаружены у кристаллов сегнетовой соли-тетрагидрата тартрата калия-натрия KNaC4H4O6·4H2O, затем у дигидрофосфата калия КН2РО4. Известно неск. сотен С; св-ва наиб. широко применяемых приведены в таблице.

Пространственный заряд r = e SZini (ni концентрация, Zi — заряд носителей сорта i, е — заряд электрона). Т. к. образование объёмной статически равновесной системы из свободных зарядов невозможно (см. Ирншоу теорема), появление Пространственный заряд обычно связано с прохождением электрического тока. Пространственный заряд возникают вблизи электродов при протекании тока через электролиты, на границе двух полупроводников с различной (электронной или дырочной) проводимостью, в вакууме в процессах электронной эмиссии и ионной эмиссии, в электрическом разряде в газах. Образованию Пространственный заряд способствует различие коэффициента диффузии D носителей заряда разных знаков. При движении электронов в вакууме с нулевой начальной скоростью на катоде плотность тока вследствие влияния Пространственный заряд меняется по т. н. закону трёх вторых (см. Ленгмюра формула). Решение аналогичной задачи для положительных ионов в газе зависит от характера движения ионов. Поля, создаваемые Пространственный заряд, определяют многие важные свойства газового разряда (развитие разряда во времени, образование стримеров и др.), явлений в плазме (плазменные колебания и волны) и в полупроводниках. Т. к. r есть алгебраическая сумма зарядов разных знаков, они могут частично или полностью компенсировать Пространственный заряд Примеры: плазма с почти равными концентрациями электронов и ионов и прикатодная область в дуговом разряде, где в результате такой компенсации катодное падение потенциала невелико и почти не зависит от тока.



Клаузиуса — Моссотти формула

(уравнение, закон), выражает зависимость статической диэлектрической проницаемости e неполярного диэлектрика от поляризуемости a его молекул, атомов или ионов и от их числа N в 1 см3 (если диэлектрик состоит из частиц одного сорта):

(1)

Часто К. записывают в виде

(2)

где М — молекулярная масса вещества, r — его плотность, NAАвогадро число. Правую часть (2) иногда называют молекулярной поляризацией.

К. — М. ф. строго выполняется для неполярных газов при низких (<200—500 мм рт. ст., или 26,6—66,5 кн/м2) и средних (от 500 мм рт. cm. до 5 атм, или 66,5— 500 кн/м2) давлениях; приближённо — для неполярных газов при повышенных (выше 5—10 атм, или 0,5—1 Мн/м2) давлениях, для неполярных жидкостей и для многих неполярных кристаллов.

Для видимого света (высокочастотное электрическое поле) диэлектрическая проницаемость равна квадрату показателя преломления: e = n2. В таких полях связь между e и электронной поляризуемостью выражается Лоренц — Лоренца формулой.

Лоренц - Лоренца формула

Лоренц — Лоренца формула связывает преломления показатель n вещества с электронной поляризуемостью aэл составляющих его частиц (см. Поляризуемость атомов, ионов и молекул имеет вид:

    (*)

(N — число поляризующихся частиц в единице объёма). В случае смеси k вещества правая часть (*) заменяется на сумму k членов , (i = 1, 2, …, k), каждый из которых относится лишь к одному из этих веществ (сумма всех Ni равна N).

Л. — Л. ф. выведена в предположениях, справедливых только для изотропных сред (газы, неполярные жидкости, кубические кристаллы). Однако, как показывает опыт, (*) приближённо выполняется и для многих других веществ (допустимость её применения и степень точности устанавливаются экспериментально в каждом отдельном случае). Л. — Л. ф. неприменима в областях собственных (резонансных) полос поглощения веществ — областях аномальной дисперсии света в них.

Поляризуемость вещества можно считать чисто электронной лишь при частотах внешнего поля, соответствующих видимому и ультрафиолетовому излучению. Только в этих диапазонах (с указанными выше ограничениями) применима Л. — Л. ф. в виде (*). При более медленных колебаниях поля, в инфракрасной (ИК) области, успевают сместиться более тяжёлые, чем электроны, ионные остовы (атомы) и приходится учитывать их вклад в поляризуемость aат. В ряде случаев достаточно в формуле (*) заменить aэл на полную «упругую» поляризуемость aэл и aат, см. Клаузиуса — Моссотти формула; следует иметь в виду, что диэлектрическая проницаемость e = n2). В полярных диэлектриках в ещё более длинноволновой, чем ИК, области спектра существенна так называемая ориентационная поляризация, обусловленная поворотом «по полю» постоянных дипольных моментов частиц. Её учёт приводит к усложнению зависимости n от a для этих частот (формула Ланжевена — Дебая).

Электротепловой пробой

Электротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло - Q1 становится больше отводимой теплоты - Q2. В результате в месте пробоя происходит прогрессирующий разогрев диэлектрика, сопровождающийся образованием узкого проплавленного канала высокой проводимости.

Если не учитывать распределение температуры по толщине диэлектрика, то можно легко получить приближенное выражение для анализа зависимости Uпр от влияния различных факторов. Для тепла, выделяющегося в диэлектрике, имеет место выражение где
U - напряжение, приложенное к образцу диэлектрика;
частота приложенного напряжения;
электрическая емкость образца;
тангенс угла диэлектрических потерь.

Если в диэлектрике будут только потери проводимости (неполярный диэлектрик), то где
и постоянные зависящие от природы диэлектрика;
температура окружающей среды (электродов);
температура диэлектрика.

Электрический пробой

Электрический пробой - разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами или разрывом связей между атомами, ионами или молекулами. Происходит за время 10-5 - 10-8 с.

Епр при электрическом пробое зависит главным образом:

  • от внутреннего строения диэлектрика;

и практически не зависит:

  • от температуры;

  • частоты приложенного напряжения;

  • геометрических размеров образца, вплоть до толщин 10-4 - 10-5 см.

По сравнению с воздухом, у которого Епр порядка 3 МВ/м, наибольших значений Епр при электрическом пробое у твердых диэлектриков достигает 102 - 103 МВ/м, в то время как у тщательно очищенных жидких диэлектриков составляет примерно 102 МВ/м.

Пробивное напряжение и электрическая прочность

Электрической прочностью называют напряженность электрического поля при пробое изоляции в однородном электрическом поле, Eпр = Uпр / d, где Eпр, В/м;
Uпр - пробивное напряжение, В;
d - толщина диэлектрика, м.

Кроме В/м электрическую прочность часто выражают в мВ/м или кВ/мм. Соотношение между этими единицами таково:

1 МВ/м=106 В/м=1 кВ/мм.

Домены

К фундаментальным особенностям сегнетоэлектриков относится их способность в полярной фазе (ниже точки Кюри) разбиваться на большое число крошечных областей с постоянной, возникающей самопроизвольно электрической поляризацией, называемых доменами. Однако при обычных условиях направления поляризации в отдельных доменах различны, и поэтому во всем образце дипольные моменты доменов компенсируют друг друга и суммарная поляризация равна нулю. Образец становится поляризованным лишь после того, как внешнее электрическое поле выстроит домены в определенном направлении.
Домены отделены друг от друга доменными стенками - переходными областями, в которых электрические дипольные моменты изменяют свое направление, характерное для одного домена, на направление в другом.
Что управляет образованием и структурой доменов? Если бы образец сегнетоэлектрика был полностью поляризован и представлял собой один большой домен, то он создавал бы сильное внешнее поле, направленное противоположно поляризации и называемое деполяризующим полем (рис. 5а).

Рис. 5. Возникновение деполяризующего электрического поля и его последовательное уменьшение при разбивании кристалла на домены.

Разделение сегнетоэлектрика на домены приводит к уменьшению деполяризующего поля. Если, например, образец сегнетоэлектрика состоит из двух доменов с противоположно направленной поляризацией (рис. 5б), то требуемая энергия была бы намного меньше, чем в первом случае, однако она еще значительно больше возможного минимума. Можно представить себе еще более стабильную структуру, в которой имеется четыре противоположно поляризованных домена (рис. 5в). В результате деполяризующее поле существенно уменьшается и деполяризации кристалла не происходит. Однако процесс разбиения на домены не может идти беспредельно, так как на образование доменных стенок, то есть границ между доменами, затрачивается определенная энергия. По-видимому, равенство энергии деполяризующего поля и энергии доменных стенок ставит предел дальнейшему разбиению образца на домены и определяет равновесный размер доменов.
Когда мы помещаем образец сегнетоэлектрика во внешнее электрическое поле, то в нем происходит перемещение доменных стенок, увеличивающее те домены, в которых направление спонтанной поляризации наиболее близко к направлению внешнего поля. Домены эти растут за счет доменов с менее выгодно ориентированным дипольным моментом, и последние сокращаются.


т-ра КЮРИ -при которой происх. исчезновениеспонт п-ции

точка Кюри-температура фазового перхода

5




Случайные файлы

Файл
19223.rtf
27117-1.rtf
168368.rtf
90559.rtf
38385.doc




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.