Cosa sono i dielettrici in fisica. Dielettrico: che cos'è? Proprietà dei dielettrici

La costante dielettrica può avere dispersione.

Numerosi dielettrici mostrano proprietà fisiche interessanti.

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DIELETTRICI, sostanze che conducono male l'elettricità (resistività dell'ordine di 1010 Ohm·m). Esistono dielettrici solidi, liquidi e gassosi. Un campo elettrico esterno provoca la polarizzazione del dielettrico. In qualche modo difficile... ... Enciclopedia moderna

Dielettrici- DIELETTRICI, sostanze che conducono male l'elettricità (resistenza specifica di circa 1010 Ohm´m). Esistono dielettrici solidi, liquidi e gassosi. Un campo elettrico esterno provoca la polarizzazione del dielettrico. In qualche modo difficile... ... Dizionario enciclopedico illustrato

Sostanze che conducono male l'elettricità (resistività elettrica 108 1012 Ohm? cm). Esistono dielettrici solidi, liquidi e gassosi. Un campo elettrico esterno provoca la polarizzazione dei dielettrici. In alcuni dielettrici solidi... ... Grande dizionario enciclopedico

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DIELETTRICO- DIELETTRICI, non conduttori o isolanti del corpo, che conducono male o non conducono affatto l'elettricità. Tali organismi sono, ad esempio. vetro, mica, zolfo, paraffina, ebanite, porcellana, ecc. Per molto tempo, quando si studiava l'elettricità... ... Grande Enciclopedia Medica

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Nome dato da Michael Faraday ai corpi non conduttori o, in altre parole, poco conduttori di elettricità, come aria, vetro, resine varie, zolfo, ecc. Tali corpi sono anche detti isolanti. Prima delle ricerche di Faraday negli anni '30... Enciclopedia di Brockhaus ed Efron

DIELETTRICO- sostanze che praticamente non conducono corrente elettrica; sono solidi, liquidi e gassosi. In un campo elettrico esterno, D. è polarizzato. Sono utilizzati per isolare i dispositivi elettrici, nei condensatori elettrici, nei quantum... ... Grande Enciclopedia del Politecnico

Sostanze che non conducono bene l'elettricità. Il termine "D." (dal greco diá attraverso e dall'inglese electric electric) fu introdotto da M. Faraday (Vedi Faraday) per designare sostanze attraverso le quali penetrano campi elettrici. In qualsiasi sostanza... ... Grande Enciclopedia Sovietica

Sostanze che conducono male l'elettricità (conduttività dielettrica 10 8 10 17 Ohm 1 cm 1). Esistono dielettrici solidi, liquidi e gassosi. Un campo elettrico esterno provoca la polarizzazione dei dielettrici. In qualche modo difficile... ... Dizionario enciclopedico

Libri

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Per determinare cosa sono i dielettrici in fisica, ricordiamo che la caratteristica più importante di un dielettrico è la polarizzazione. In qualsiasi sostanza, le cariche libere si muovono sotto l'influenza di un campo elettrico, in questo caso appare una corrente elettrica e le cariche legate si polarizzano. Le sostanze si dividono in conduttori e dielettrici a seconda delle cariche predominanti (libere o legate). Nei dielettrici, la polarizzazione avviene principalmente sotto l'influenza di un campo elettrico esterno. Se tagli un conduttore in un campo elettrico, puoi separare cariche di segni diversi. Questo non può essere fatto con le cariche di polarizzazione di un dielettrico. Nei conduttori metallici le cariche libere possono spostarsi su lunghe distanze, mentre nei dielettrici le cariche positive e negative si muovono all'interno di una singola molecola. Nei dielettrici la banda energetica è completamente riempita.
Se non c'è campo esterno, le cariche con segni diversi sono distribuite uniformemente nell'intero volume del dielettrico. In presenza di un campo elettrico esterno, le cariche che entrano nella molecola vengono spostate in direzioni opposte. Questo spostamento si manifesta come la comparsa di una carica sulla superficie del dielettrico quando è posto in un campo elettrico esterno: questo è il fenomeno della polarizzazione.
La polarizzazione dipende dal tipo di dielettrico. Pertanto, nei cristalli ionici, la polarizzazione si verifica principalmente a causa dello spostamento degli ioni in un campo elettrico e solo leggermente a causa della deformazione dei gusci atomici degli elettroni. Nel diamante, invece, che ha un legame chimico covalente, la polarizzazione avviene a causa della deformazione dei gusci atomici degli elettroni in un campo elettrico.
Un dielettrico si dice polare se le sue molecole hanno un proprio momento dipolare elettrico. In tali dielettrici, in presenza di un campo elettrico esterno, i momenti di dipolo elettrico sono orientati lungo il campo.
La polarizzazione del dielettrico viene determinata utilizzando il vettore di polarizzazione. Questo valore è uguale alla somma dei momenti di dipolo elettrico di tutte le molecole in un'unità di volume della sostanza. Se il dielettrico è isotropo vale l’uguaglianza:

dov'è la costante elettrica; — suscettibilità dielettrica della sostanza. La suscettibilità dielettrica di una sostanza è correlata alla costante dielettrica come:

dove — caratterizza l'indebolimento del campo elettrico esterno nel dielettrico dovuto alla presenza di cariche di polarizzazione. I dielettrici polari hanno i valori più grandi. Quindi, per l'acqua =81.
In alcuni dielettrici la polarizzazione avviene non solo in un campo elettrico esterno, ma anche sotto stress meccanico. Questi dielettrici sono chiamati piezoelettrici.
I dielettrici hanno una resistività elettrica molto più elevata rispetto ai conduttori. Si trova nell'intervallo: Ohm/cm. Pertanto, i dielettrici vengono utilizzati per realizzare l'isolamento dei dispositivi elettrici. Un'importante applicazione dei dielettrici è il loro utilizzo nei condensatori elettrici.

Si riferisce a materiali con resistività elettrica ρ< 10 −5 Ом·м, а к диэлектрикам - материалы, у которых ρ >10 8 Ohm m. Va notato che la resistività dei buoni conduttori può essere solo 10 −8 Ohm m, e per i migliori dielettrici può superare 10 16 Ohm m. La resistività dei semiconduttori, a seconda della struttura e della composizione dei materiali, nonché delle loro condizioni operative, può variare nell'intervallo 10 −5 -10 8 Ohm m. I metalli sono buoni conduttori di corrente elettrica. Dei 105 elementi chimici, solo venticinque sono non metalli e dodici elementi possono presentare proprietà semiconduttrici. Ma oltre alle sostanze elementari, esistono migliaia di composti chimici, leghe o composizioni con proprietà di conduttori, semiconduttori o dielettrici. È abbastanza difficile tracciare un confine chiaro tra i valori di resistività delle diverse classi di materiali. Ad esempio, molti semiconduttori si comportano come isolanti a basse temperature. Allo stesso tempo, i dielettrici possono mostrare proprietà di semiconduttore se riscaldati fortemente. La differenza qualitativa è che per i metalli lo stato conduttore è terra, mentre per semiconduttori e dielettrici è eccitato.

Numerosi dielettrici presentano proprietà fisiche interessanti. Questi includono elettrete, piezoelettrici, piroelettrici, ferroelastici, ferroelettrici, rilassanti e ferromagneti.

Utilizzo

Quando si utilizzano i dielettrici, una delle classi più estese di materiali elettrici, la necessità di utilizzare sia le proprietà passive che attive di questi materiali è stata definita abbastanza chiaramente.

I dielettrici sono utilizzati non solo come materiali isolanti.

Proprietà passive dei dielettrici

Proprietà attive dei dielettrici

I dielettrici attivi (controllati) sono ferroelettrici, piezoelettrici, piroelettrici, elettroluminofori, materiali per emettitori e otturatori nella tecnologia laser, elettrete, ecc.

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Dielettrico- – una sostanza la cui principale proprietà elettrica è la capacità di polarizzare in un campo elettrico. [GOST 19880 74] Intestazione del termine: Apparecchiature elettriche Titoli dell'enciclopedia: Attrezzature abrasive, Abrasivi, Autostrade... Enciclopedia dei termini, definizioni e spiegazioni dei materiali da costruzione

Libri

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I materiali dielettrici nelle apparecchiature elettroniche sono separati elettricamente, mentre i materiali solidi sono separati meccanicamente da conduttori sottoposti a diversi potenziali elettrici. Sono utilizzati per l'isolamento elettrico degli elementi dell'apparecchiatura, per immagazzinare l'energia del campo elettrico (condensatori), per la fabbricazione di parti strutturali, nonché sotto forma di rivestimenti sulla superficie delle parti, per l'incollaggio di parti.

Proprietà dielettriche dei materiali

La proprietà principale di un dielettrico è quella di non condurre corrente elettrica. LA RESISTENZA DI VOLUME SPECIFICA dei dielettrici è elevata: da 108 a 1018 Ohm, poiché in essi non sono quasi presenti portatori di carica elettrica liberi. Una parte della conduttività è causata da impurità e difetti strutturali.

Sono sempre più numerose le impurità e i difetti sulla superficie di qualsiasi corpo, pertanto, per i dielettrici, viene introdotto il concetto di conduttività superficiale e il parametro RESISTENZA SUPERFICIALE s, definito come la resistenza misurata tra due conduttori lineari lunghi 1 m ciascuno, posti paralleli a tra loro ad una distanza di 1 m sulla superficie del dielettrico. Il valore di s dipende fortemente dal metodo di ottenimento (lavorazione) della superficie e dalle sue condizioni (polverosità, umidità, ecc.). Poiché la conduttività elettrica superficiale di solito supera significativamente la conduttività volumetrica, vengono adottate misure per ridurla.

Un dielettrico è un isolante solo rispetto alla tensione continua. In un campo elettrico alternato la corrente scorre attraverso il dielettrico a causa della sua polarizzazione.

LA POLARIZZAZIONE è il processo di spostamento delle cariche legate su una distanza limitata sotto l'influenza di un campo elettrico esterno.

Gli elettroni degli atomi vengono spostati verso il polo positivo, i nuclei degli atomi verso quello negativo. La stessa cosa accade con gli ioni nei cristalli ionici, con molecole o sezioni di molecole con una distribuzione non uniforme di particelle cariche nel volume che occupano. Come risultato della polarizzazione, nel dielettrico si forma il proprio campo interno; il suo vettore è di grandezza inferiore e di direzione opposta al vettore del campo esterno. La capacità elettrica tra elettrodi con dielettrico è maggiore che tra gli stessi elettrodi senza dielettrico di un fattore pari a, dove è la CONTINUITÀ DIELETTRICA RELATIVA DEL DIELETTRICO.

Durante la POLARIZZAZIONE ELETTRONICA, sotto l'influenza di un campo elettrico esterno, i gusci elettronici degli atomi della sostanza si deformano. È caratterizzato da un tempo di assestamento breve (circa 10-15 s) e quindi è privo di inerzia per le radiofrequenze, non dipende dalla frequenza, dipende debolmente dalla temperatura e avviene praticamente senza perdite. Le sostanze con polarizzazione prevalentemente elettronica (dielettrici debolmente polari) hanno una costante dielettrica bassa: da 1,8 a 2,5. Questo tipo di polarizzazione è inerente a tutte le sostanze.

LA POLARIZZAZIONE IONICA avviene nei solidi ionici, ha un tempo di assestamento dell'ordine di 10-13 s, quindi praticamente non dipende dalla frequenza del campo e dipende debolmente dalla temperatura. Il valore per la maggior parte dei materiali con polarizzazione ionica va da 5 a 10.

DIPOLO (ORIENTAMENTO) LA POLARIZZAZIONE si manifesta come l'orientamento sotto l'influenza di un campo di molecole polari o gruppi di atomi. Ad esempio, le molecole d'acqua sono polari, in cui gli atomi di idrogeno si trovano asimmetricamente rispetto all'atomo di ossigeno, o cloruro di vinile (monomero di polivinilcloruro) H2C-CHCl. Per superare l'interazione delle molecole e delle forze di attrito, viene consumata energia di campo, che viene convertita in energia termica; pertanto, la polarizzazione del dipolo è anelastica, di natura rilassata. A causa delle grandi dimensioni e masse dei dipoli coinvolti nella polarizzazione del dipolo, la sua inerzia è significativa e si manifesta sotto forma di una forte dipendenza della costante dielettrica e delle perdite di energia dalla frequenza.

LA POLARIZZAZIONE DELLA MIGRAZIONE è causata da movimenti anelastici di ioni impurità debolmente legati su brevi distanze. In termini di conseguenze (perdita di energia, dipendenza dalla frequenza), questa polarizzazione è simile al dipolo.

Le perdite di energia in un dielettrico durante la polarizzazione sono stimate dall'ANGOLO DI PERDITA TANGENTE tg. Un dielettrico con perdite in un circuito elettrico è rappresentato come un circuito equivalente: un condensatore ideale e una resistenza di perdita collegata in parallelo ad esso. L'angolo completa fino a 90° l'angolo di spostamento tra corrente e tensione nel diagramma vettoriale di una rete a due terminali. I buoni dielettrici (debolmente polari) hanno tg10-3, che dipende leggermente dalla frequenza. I dielettrici scadenti hanno una tg misurata in decimi di unità o anche più, fortemente dipendente dalla frequenza.

Tipi speciali si formano per polarizzazione sotto l'influenza di sollecitazioni meccaniche, osservate nei PIEZOELETTRICI, così come per POLARIZZAZIONE SPONTANEA nei PIRROELETTRICI e FERROELETTRICI. Tali dielettrici sono chiamati ATTIVI e vengono utilizzati in dispositivi speciali: risonatori, filtri, generatori e trasformatori piezoelettrici, convertitori di radiazione, condensatori di grande capacità specifica, ecc.

RESISTENZA ELETTRICA - la capacità di un dielettrico di mantenere un'elevata resistività nei circuiti ad alta tensione. Viene stimato dall'intensità del campo di rottura Epr = Upr/d, dove Upr è la tensione che causa la rottura, d è lo spessore del dielettrico. Dimensione Epr - V/m. Per diversi dielettrici, Epr = 10...1000 MV/m, e anche per un materiale questo valore varia ampiamente a seconda dello spessore, della forma degli elettrodi, della temperatura e di una serie di altri fattori. La ragione di ciò è la varietà dei processi durante un guasto. IL GUASTO ELETTRICO è causato dalla transizione tunneling degli elettroni nella banda di conduzione dalla banda di valenza, dai livelli di impurità o dagli elettrodi metallici, nonché dalla loro riproduzione a valanga dovuta alla ionizzazione per impatto in campi ad alta intensità. LA ROTTURA ELETTROTERMICA è causata da un aumento esponenziale della conducibilità elettrica del dielettrico all'aumentare della temperatura. Allo stesso tempo, la corrente di dispersione aumenta, riscaldando ancora di più il dielettrico, si forma un canale conduttivo nel suo spessore, la resistenza diminuisce bruscamente e nella zona di impatto termico si verificano fusione, evaporazione e distruzione del materiale. LA ROTTURA ELETTROCHIMICA è causata dai fenomeni di elettrolisi, migrazione di ioni e, di conseguenza, cambiamenti nella composizione del materiale. LA ROTTURA IONIZZANTE avviene a causa di scariche parziali in un dielettrico contenente inclusioni d'aria. L'intensità elettrica dell'aria è inferiore e l'intensità del campo in queste inclusioni è maggiore rispetto a quella di un dielettrico denso. Questo tipo di rottura è tipico dei materiali porosi. LA ROTTURA SUPERFICIALE (FLASHUP) di un dielettrico si verifica a causa di correnti superficiali inaccettabilmente grandi. Con una potenza sufficiente della fonte di corrente, una rottura superficiale si sviluppa attraverso l'aria e si trasforma in un arco. Condizioni favorevoli a questa rottura: crepe, altre irregolarità e contaminazione sulla superficie del dielettrico, umidità, polvere, bassa pressione atmosferica.

Per un funzionamento affidabile di qualsiasi dispositivo elettrico, la tensione operativa del suo isolamento Uwork deve essere significativamente inferiore alla tensione di rottura Ubreak. Il rapporto Upr/Urab è chiamato FATTORE DI SICUREZZA DELLA RESISTENZA DELL'ISOLAMENTO ELETTRICO.

Lezione 1.3.1. Polarizzazione dei dielettrici

Materiali dielettrici

I dielettrici sono sostanze che possono essere polarizzate e mantengono un campo elettrostatico. Questa è un'ampia classe di materiali elettrici: gassosi, liquidi e solidi, naturali e sintetici, organici, inorganici e organoelementi. A seconda delle funzioni che svolgono si dividono in passivi e attivi. I dielettrici passivi sono utilizzati come materiali isolanti elettrici. Nei dielettrici attivi (ferroelettrici, piezoelettrici, ecc.), le proprietà elettriche dipendono da segnali di controllo che possono modificare le caratteristiche di dispositivi e strumenti elettrici.

In base alla struttura elettrica delle molecole si distinguono dielettrici apolari e polari. I dielettrici non polari sono costituiti da molecole non polari (simmetriche) in cui i centri delle cariche positive e negative coincidono. I dielettrici polari sono costituiti da molecole asimmetriche (dipoli). Una molecola dipolare è caratterizzata da un momento dipolare - p.

Durante il funzionamento dei dispositivi elettrici, il dielettrico si riscalda, poiché parte dell'energia elettrica in esso contenuta viene dissipata sotto forma di calore. Le perdite dielettriche dipendono fortemente dalla frequenza della corrente, soprattutto per i dielettrici polari, quindi sono a bassa frequenza. I dielettrici non polari sono usati come quelli ad alta frequenza.

Le principali proprietà elettriche dei dielettrici e le loro caratteristiche sono riportate nella tabella. 3.

Tabella 3 - Proprietà elettriche dei dielettrici e loro caratteristiche

La polarizzazione è lo spostamento limitato delle cariche legate o l'orientamento delle molecole di dipolo in un campo elettrico. Sotto l'influenza delle linee del campo elettrico, le cariche del dielettrico vengono spostate nella direzione delle forze agenti, a seconda dell'entità dell'intensità. In assenza di campo elettrico le cariche ritornano allo stato precedente.

Esistono due tipi di polarizzazione: polarizzazione istantanea, completamente elastica, senza rilascio di energia di dispersione, cioè senza generazione di calore, per un tempo di 10 -15 – 10 -13 s; la polarizzazione non avviene istantaneamente, ma aumenta o diminuisce lentamente ed è accompagnata da dissipazione di energia nel dielettrico, cioè viene riscaldato mediante polarizzazione di rilassamento per un tempo compreso tra 10 -8 e 10 2 s.

Il primo tipo include la polarizzazione elettronica e ionica.

Polarizzazione elettronica (C e, Q e)– spostamento elastico e deformazione dei gusci elettronici di atomi e ioni per un tempo di 10 -15 s. Tale polarizzazione si osserva per tutti i tipi di dielettrici e non è associata a perdita di energia, e la costante dielettrica della sostanza è numericamente uguale al quadrato dell'indice di rifrazione della luce n 2.

Polarizzazione ionica (C e, Q e)è caratteristico dei solidi con struttura ionica ed è causato dallo spostamento (oscillazione) degli ioni elasticamente legati ai nodi del reticolo cristallino per un tempo di 10 -13 s. Con l'aumentare della temperatura, lo spostamento aumenta e, a seguito dell'indebolimento delle forze elastiche tra gli ioni, il coefficiente di temperatura della costante dielettrica dei dielettrici ionici risulta essere positivo.

Il secondo tipo comprende tutte le polarizzazioni di rilassamento.

Polarizzazione di rilassamento del dipolo (C dr, r dr, Q dr) associato al movimento termico dei dipoli durante i legami polari tra le molecole. La rotazione dei dipoli nella direzione del campo elettrico richiede il superamento di una certa resistenza e il rilascio di energia sotto forma di calore (r dr). Il tempo di rilassamento qui è dell'ordine di 10 -8 – 10 -6 s - questo è il periodo di tempo durante il quale l'ordinamento dei dipoli orientati dal campo elettrico dopo la rimozione del campo diminuirà a causa della presenza di movimenti termici da parte 2,7 volte dal valore iniziale.

Polarizzazione del rilassamento ionico (C ir, r ir, Q ir) osservato nei vetri inorganici e in alcune sostanze con un impaccamento sciolto di ioni. Gli ioni debolmente legati di una sostanza sotto l'influenza di un campo elettrico esterno in mezzo a movimenti termici caotici ricevono picchi in eccesso nella direzione del campo e vengono spostati lungo la sua linea di campo. Dopo aver eliminato il campo elettrico, l'orientamento degli ioni si indebolisce secondo una legge esponenziale. Il tempo di rilassamento, l'energia di attivazione e la frequenza delle oscillazioni naturali avvengono entro 10 -6 - 10 -4 s e sono legati dalla legge

dove f è la frequenza delle vibrazioni naturali delle particelle; v - energia di attivazione; k – costante di Boltzmann (8,63 10 -5 EV/grado); T – temperatura assoluta secondo K0.

Polarizzazione elettronica del rilassamento (C er, r er, Q er) nasce a causa delle energie termiche eccitate da elettroni in eccesso, difettosi o “buchi” in un tempo di 10 -8 – 10 -6 s. È tipico dei dielettrici con elevati indici di rifrazione, un ampio campo interno e conduttività elettrica elettronica: biossido di titanio con impurità, Ca+2, Ba+2, una serie di composti a base di ossidi metallici di valenza variabile: titanio, niobio, bismuto. Con questa polarizzazione si ha un'elevata costante dielettrica e a temperature negative si ha un massimo nella dipendenza dalla temperatura di e (costante dielettrica). e per le ceramiche contenenti titanio diminuisce con l'aumentare della frequenza.

Polarizzazioni strutturali distinguere:

Polarizzazione della migrazione (C m, r m, Q m) avviene in solidi di struttura disomogenea con disomogeneità macroscopiche, strati, interfacce o presenza di impurità in un tempo dell'ordine di 10 2 s. Questa polarizzazione si manifesta a basse frequenze ed è associata ad una significativa dissipazione di energia. Le ragioni di tale polarizzazione sono inclusioni conduttive e semiconduttrici in dielettrici tecnici complessi, presenza di strati con diversa conduttività, ecc. Nelle interfacce tra gli strati del dielettrico e negli strati dell'elettrodo si accumulano cariche di ioni che si muovono lentamente: questo è l'effetto della polarizzazione interstrato o strutturale ad alta tensione. Per i ferroelettrici ci sono polarizzazione spontanea o spontanea, (C sp, r sp, Q sp), quando c'è una significativa dissipazione di energia o rilascio di calore dovuto allo spostamento di domini (regioni separate, gusci di elettroni rotanti) nel campo elettrico, cioè, anche in assenza di un campo elettrico, ci sono momenti elettrici nella sostanza, e ad un certo esterno si verifica la saturazione dell'intensità del campo e si osserva un aumento della polarizzazione.

Classificazione dei dielettrici per tipo di polarizzazione.

Il primo gruppo sono i dielettrici con polarizzazione istantanea elettronica e ionica. La struttura di tali materiali è costituita da molecole neutre, può essere debolmente polare ed è caratteristica di materiali solidi cristallini e amorfi come paraffina, zolfo, polistirolo, nonché di materiali liquidi e gassosi come benzene, idrogeno, ecc.

Il secondo gruppo è quello dei dielettrici con polarizzazione elettronica e di rilassamento dipolare: si tratta di sostanze organiche polari liquide, semiliquide e solide come composti di colofonia, resine epossidiche, cellulosa, idrocarburi clorurati, ecc. materiali.

Il terzo gruppo sono i dielettrici inorganici solidi, che sono divisi in due sottogruppi che differiscono per caratteristiche elettriche: a) dielettrici con polarizzazioni elettroniche e di rilassamento dipolare, come quarzo, mica, salgemma, corindone, rutilo; b) dielettrici con polarizzazioni di rilassamento elettroniche e ioniche: si tratta di vetri, materiali con una fase vetrosa (porcellana, micalex, ecc.) E dielettrici cristallini con impaccamento di ioni sciolto.

Il quarto gruppo è costituito dai dielettrici che presentano polarizzazioni elettroniche e ioniche istantanee e strutturali, caratteristiche di molti materiali posizionali, complessi, stratificati e ferroelettrici.