Особенности и свойства диэлектриков

Особенности и свойства диэлектриков

Содержание Задание

1 Нелинейные диэлектрики и их особенности

2 Сегнетоэлектрики и их характерные свойства

3 Пьезоэлектрики: прямой и обратный пьезоэффект

4 Электреты

5 Задача Список литературы

Задание Нелинейные диэлектрики и их особенности. Сегнетоэлектрики и их характерные свойства. Пьезоэлектрики: прямой и обратный пьезоэффект. Электреты и их применение.

Задача Ток в цепи, состоящей из термопары сопротивлением 5Ом и гальванометра сопротивлением 8 Ом, равен 0,5мА в случае, когда спай термопары помещен в сосуд с кипящей водой. Чему равна удельная термоЭДС термопары при температуре окружающей среды 20⁰С.

1. Нелинейные диэлектрики и их особенности Нелинейными называют диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздействия для создания функциональных элементов электроники. Нелинейные диэлектрики позволяют осуществить генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, запоминание или преобразование информации. По мере наращивания сложности электронной аппаратуры и перехода к функциональной электронике роль и значение активных материалов при решении важнейших научных и технических задач непрерывно возрастают.

К числу нелинейных диэлектриков относят сегнето-, пьезоэлектрики; электреты; материалы квантовой электроники; жидкие кристаллы; электро-, магнитои акустооптические материалы; диэлектрические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами и др.

Свойствами нелинейных диэлектриков могут обладать не только твердые, но также жидкие и даже газообразные вещества (например, активная среда газовых лазеров). По химическому составу это могут быть органические и неорганические материалы. По строению и свойствам их можно подразделить на кристаллические и аморфные, полярные и неполярные диэлектрики. Ряд материалов проявляет свою активность лишь благодаря наличию в них спонтанной или устойчивой остаточной поляризации. Однако поляризованное начальное состояние не является обязательным условием проявления активности материала при внешних воздействиях. Строгая классификация нелинейных диэлектриков, охватывающая многие отличительные признаки этих материалов, оказывается весьма затруднительной. К тому же резкой границы между активными и пассивными диэлектриками не существует. Один и тот же материал в различных условиях его эксплуатации может выполнять либо пассивные функции изолятора или конденсатора, либо активные функции управляющего или преобразующего элемента. В зависимости от технического назначения существенно различны и требования к материалам. Так, одно из главных требований, предъявляемых к пассивным диэлектрикам, заключается в сохранении стабильности свойств при внешних воздействиях. В то же время требования к активному материалу совершенно противоположные: чем сильнее изменяются его свойства при внешних возмущениях, тем лучше может выполнять активный элемент функции управления энергией или преобразования поступающей информации.

В большинстве случаев нелинейные диэлектрики классифицируют по роду физических эффектов, которые можно использовать для управления свойствами материалов. Однако такая классификация, хотя и является вполне логичной и обоснованной, все же не позволяет четко отделить одну группу материалов от другой. Это связано с тем, что многие материалы проявляют высокую чувствительность, но отношению к нескольким видам энергетических воздействий. Наибольшей универсальностью в этом плане характеризуются сегнетоэлектрики, которые сочетают в себе свойства пьезои пироэлектриков, электрооптических и нелинейно-оптических материалов. Они могут выступать и в качестве электретом. Вместе с тем, сегнетоэлектрики обладают рядом специфических, только им присущих свойств. Важнейшим из них является нелинейное изменение поляризованности при воздействии электрического поля. Это обстоятельство позволяет выделить сегнетоэлектрики в самостоятельную группу активных диэлектриков. То же самое можно сказать и о жидких кристаллах, спецификой которых является анизотропия свойств и высокая структурная подвижность молекул, проявляющаяся во многих оптических эффектах, несвойственных другим веществам.

Из всего многообразия нелинейных диэлектриков в настоящей главе рассмотрены лишь те, которые нашли наиболее широкое практическое применение. [1]

2. Сегнетоэлектрики и их характерные свойства Сегнетоэлектриком называют диэлектрик, обладающий спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено внешними воздействиями.

Начало работ по изучению свойств сегнетоэлектриков относится к 1918 г. В 1930;1932 гг. исследования сегнетовой соли были продолжены советскими учеными И. В. Курчатовым и П. П. Кобеко. За рубежом сегнетоэлектрики называются ферроэлектриками ввиду того, что сегнетоэлектрики формально являются электрическими аналогами ферромагнетиков. По химическому составу сегнетоэлектрики весьма разнообразны. Это тартраты, фосфаты, арсенаты, сульфаты, бораты, пропионаты, нитраты, нитриты, большая группа двойных оксидов и твердых растворов и т. д. Это могут быть монокристаллы и поликристаллы — керамика. Сегнетоэлектричество проявляется у природного минерала — колеманита, у молекулярного кристалле — - тиомочевины, в котором сегнетоэлектрические свойства связаны не со смещением отдельных атомов или ионов в решетке, а со смещениями молекул относительно друг друга.

Симметрия неполярной фазы может быть различной (кубической, тетрагональной, ромбической, моноклинной и т. п.). Параметры сегнетоэлектриков изменяются в широких пределах, точка Кюри лежит в диапазоне от минус 263 °C для литийталлийтартратмоногидрата до 1213 °C для ниобата лития. Диэлектрическая проницаемость изменяется от единиц до десятков и сотен тысяч. Кроме сегнетоэлектриков, различают также кристаллические вещества с антипараллельно ориентированными электрическими моментами смещенных ионов или дипольных групп. Структуру таких тел можно представить как совокупность двух или более вставленных одна в другую подрешеток, в каждой из которых дипольные моменты направлены параллельно друг другу, а у подрешеток — антипараллельно, так что результирующий момент оказывается скомпенсированным и равным нулю. Такие вещества получили название антисегнетоэлектриков.

Все известные сегнетоэлектрики, представляющие собой различные химические соединения, можно разделить на два типа по характеру химической связи, механизму фазового перехода, совокупности физических свойств и вытекающему из этого применению их в технике.

К первому типу относятся сегнетоэлектрики, в которых существуют постоянные электрические диполи или дипольные группы, образованные атомами, связанными между собой в основном ковалентными силами, но в целом обладающие зарядом. В этом случае их связи с ионами, не входящими в эти группы, имеют ионный характер. В кристаллах этого типа имеется несколько возможных положений равновесия диполей или дипольных групп, соответствующих различным ориентациям диполей. В параэлектрическом состоянии в расположении диполей отсутствует дальний порядок, а в сегнетоэлектрическом состоянии диполи упорядочиваются. Фазовый переход и появление спонтанной поляризации связаны с упорядочением диполей. Поэтому такой фазовый переход называется типа порядок — беспорядок и наблюдается у дипольных сегнетоэлектриков: сегнетова соль, дигидрофосфат калия, нитрит натрия и др.

Ко второму типу относятся сегнетоэлектрики, представляющие собой в основном кристаллы с преимущественно ионной связью и не содержащие атомных групп, обладающих постоянным дипольным моментом. Фазовый переход из параэлектрического состояния в сегнетоэлектрическое происходит в результате смещения ионов из нулевого положении в другое, приводящее к появлению электрических моментов н возникновению спонтанной поляризации. Такой переход называют фазовым переходом типа смещения, а кристалл — ионным сегнетоэлектриком. Классическим примером сегнетоэлектрика такого типа является титанат бария. Существуют сегнетоэлектрики, у которых фазовые переходы могут быть переходами смешанного типа. Широко известно другое деление сегнетоэлектриков на две основные группы по характеру проявления их основных свойств и вытекающему из этого применению их в технике: протонные и беспротонные (не содержащие водород).

Сегнетоэлектрикам присущи следующие свойства:

1 Высокое и сверхвысокое значение диэлектрической проницаемости.

2 Резкая зависимость диэлектрической проницаемости от температуры с аномально большим максимумом при определенной температуре, называемой точкой Кюри.

3 Резкая зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля.

4 Наличие диэлектрического гистерезиса, I. е. отставания во времени поляризации от приложенного напряжения.

5 Достаточно резко выраженная зависимость диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь от частоты, особенно в области сверхвысоких частот.

6 Резкое изменение в определенном интервале температуры при нагревании (или охлаждении) теплоемкости, температурного коэффициента линейного расширения, модуля упругости и т. л.

7 При температуре ниже фазового перехода возникают спонтанные деформации и понижается симметрия кристаллической решетки.

Существенной особенностью сегнетоэлектриков является не только наличие спонтанной поляризации, но и возможность изменения знака этой поляризации при воздействии электрического напряжения.

В ходе исследований, проводимых в 60-х годах, выявились новые группы сегнетоэлектриков — несобственные сегнетоэлектрики с неполярными неустойчивостями, получившие название «виртуальные» сегнетоэлектрики, которые имеют большую, растущую при понижении температуры диэлектрическую проницаемость, но остаются параэлектриками вплоть до абсолютного нуля. «Виртуальные» сегнетоэлектрики это вещества, переходящие в сегнетоэлектрическое состояние только при каком-либо внешнем воздействии — приложении электрического поля, механического давления, введении примесей, образовании дефектов или нарушений структуры кристаллической решетки. К таким веществам относятся квантовые сегнетоэлектрики: титанат стронция и танталат калия. Одним из новых направлений в физике твердого тела явилось исследование оптических свойств сегнетоэлектриков. С появлением лазеров возникла необходимость в материалах с большой нелинейной восприимчивостью для осуществления эффективного управления пучком излучения в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Сегнетоэлектрики оказались материалами, пригодными для этой цели. [3]

3. Пьезоэлектрики: прямой и обратный пьезоэффект В 1756 г. русский академик Ф. Эпинус обнаружил, что при нагревании кристалла турмалина на его гранях появляются электростатические заряды. В дальнейшем атому явлению было присвоено наименование пироэлектрического эффекта. Ф. Эпинус предполагал, что причиной электрических явлений, наблюдаемых при изменении температуры, является неравномерный нагрев двух поверхностей, приводящий к появлению в кристалле механических напряжений. Одновременно он указал, что постоянство в распределении полюсов на определенных концах кристалла зависит от его структуры и состава, таким образом Ф. Эпинус подошел вплотную к открытию пьезоэлектрического эффекта.

Пьезоэлектрический эффект в кристаллах был обнаружен в 1880 г. братьями П. и Ж. Кюри, наблюдавшими возникновение на поверхности пластинок, вырезанных в определенной ориентировке из кристалла кварца, электростатических зарядов под действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии. Образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и возникновение электрической поляризации внутри него в результате воздействия механического напряжения называют прямым пьезоэлектрическим эффектом. [2]

Наряду с прямым существует обратный пьезоэлектрический эффект, заключающийся в том, что в пластине, вырезанной из пьезоэлектрического кристалла, возникает механическая деформация под действием приложенного к ней электрического поля; причем величина механической деформации пропорциональна напряженности электрического поля. Обратный пьезоэлектрический эффект не следует смешивать е явлением электрострикции, т. е. с деформацией диэлектрика под действием электрического поля. При электрострикции между деформацией и полем существует квадратичная зависимость, а при пьезоэффекте — линейна.

Кроме того, электрострикция возникает у диэлектрика любой структуру и происходит даже в жидкостях и газах, в то время, как пьезоэлектрический эффект наблюдается только в твердых диэлектриках, главным образом, кристаллических.

Пьезоэлектричество появляется только в тех случаях, когда упругая деформация кристалла сопровождается смещением центров тяжести положительных и отрицательных зарядов элементарной ячейки кристалла, т, е. когда она вызывает индуцированный дипольный момент, который необходим для возникновения электрической поляризации диэлектрика под действием механического напряжения. В структурах, имеющих центр симметрии, никакая однородная деформация не сможет нарушить внутреннее равновесие кристаллической решетки и, следовательно, пьезоэлектрическими являются только 20 классов, у которых отсутствует центр симметрии. Отсутствие центра симметрии является необходимым, но не достаточным условием существования пьезоэлектрического эффекта, и поэтому не все ацентричные кристаллы обладают им.

Пьезоэлектрический эффект не может наблюдаться в твердых аморфных и скрытокристолических диэлектриках, так как это противоречит их сферической симметрии. Исключение составляют случаи, когда они становятся анизотропными под влиянием внешних сил и тем самым частично приобретают свойства одиночных кристаллов, Пьезоэффект возможен также в некоторых видах кристаллических текстур.

До сих пор пьезоэлектрический эффект не находит удовлетворительного количественного описания в рамках современной атомной теории кристаллической решетки. Даже для структур простейшего типа нельзя хотя бы приближенно вычислить порядок пьезоэлектрических постоянных.

Каждый пьезоэлектрик есть электромеханический преобразователь, поэтому важной его характеристикой является коэффициент электромеханической связи k. Квадрат этого коэффициента представляет собой отношение энергии, проявляющейся в механической форме для данного типа деформации, к полной электрической энергии, полученной на входе от источника питания.

Во многих случаях пьезоэлектриков существенными являются их упругие свойства, которые описываются модулями упругости с (модулями Юнга Ею) или обратными величинами — упругими постоянными s.

При использовании пьезоэлектрических элементов в качестве резонаторов в некоторых случаях вводят частотный коэффициент, предстовляющий собой произведение резонансной частоты пьезоэлемента и геометрического размера, определяющего тип колебаний. Эта величина пропорциональна скорости звука в направлении распространения упругих волн в пьезоэлементе. В настоящее время известно много веществ (более 500), обнаруживших пьезоэлектрическую активность. Однако только немногие находят практическое применение. [1]

4. Электреты Электретом называется диэлектрик, длительное время сохраняющий электризованное состояние после окончания внешнего воздействия, вызвавшего электризацию. Термин электрет применительно к электризованному диэлектрику по аналогии с английским magnet (магнит) предложил впервые в 1892 г. О. Хевисайд. Первые систематические экспериментальные исследования электретов были выполнены в 1919 г. М. Эгучи. Свойство длительно сохранять электризованное состояние называют электретным эффектом. Электретный эффект связан с локальными макроскопическими нарушениями электронейтральности в диэлектрике, т. е. с пространственным разделением зарядов разных знаков, вследствие процессов абсорбции (поляризации), инжекции зарядов в диэлектрик или их экстракции. Он в разной, правда, степени, присущ всем без исключения диэлектрикам. Заряды одного знака с абсорбционными зарядами в электретах называются гетерозарядами, заряды противоположного знака, в частности, обусловленные инжекцией (экстракцией) в электретах, называются гомозарядами. Гомозаряды, определяющие долговременную стабильность электретного эффекта, не свободны, а захвачены нейтральными ловушками (дефектами структуры). Для их освобождения из этих ловушек требуется энергия, не меньшая, чем «глубина» ловушки. Важнейшими измеряемыми параметрами электрета являются поверхностный потенциал электрета относительно земли U, и эффективная поверхностная плотность заряда, соответствующая такой плотности зарядов на поверхности электрета, которая создавала бы U того же значения, что и заряды, реально распределенные в его объеме. Если значения, обеих электризованных поверхностей электрета одинаковы или, что-то же самое, одна из поверхностей имеет электропроводящее покрытие, то U, называют электретной разностью потенциалов.

Электретный эффект в общем случае проявляется в электрических полях внутри электрета (а следовательно, в поляризации, пироэлектричестве, пьезоэлектричестве и других эффектах, обусловленных поляризацией), а также в окружающем электрет пространстве. Именно электрические поля электретов обусловливают их применение в качестве активных диэлектрических элементов.

Имеются сведения об использовании электретов в головках звукоснимателей, в маломощных реле, датчиках для измерений неэлектрических величин, переменных деформаций, вибраций и т. п. Электреты также применяют в электрофотографии, для записи звука и изображения, в дозиметрах уи рентгеновских лучей, нейтронного потопа, в медицине в качестве искусственных кровеносных сосудов, для ускорения лечения переломов костей и т. п. [3]

4. Задача диэлектрик сегнетоэлектрик пьезоэлектрик электрет Ток в цепи, состоящей из термопары сопротивление 5Ом и гальванометром сопротивление 8 Ом, равен 0,5мА в случае, когда спай термопары помещен в сосуд с кипящей водой. Чему равна удельная термоЭДС термопары при температуре окружающей среды 20⁰С.

Дано:

Решение

Список использованных источников

1. В. В. Пасынков, В. С. Сорокин, Материалы электронной техники. Учебник. -СПб.: Издательство «Лань», 2001

2. Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева, Материаловедение. — М.: «Машиностроение», 1990.

3. Б. Л. Антипов, В. С. Сорокин, В. А. Терехов, Материалы электронной техники: Задачи и вопросы. Учеб. Пособие для вузов. — М.: Высш. Шк, 1990