Основные свойства диэлектриков. Сегнетоэлектрики

1. Лекция 1

ЛЕКЦИЯ 1
ПОВТОРЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
ДИЭЛЕКТРИКОВ. СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ
1

2. Повторение

ПОВТОРЕНИЕ
Если диэлектрик поместить в электрическое поле напряженностью Е0, то в
результате поляризации в нем создаются объемные заряды, собственное
поле которых равно Еi.
-
+
Величина результирующей напряженности поля в среде
-
+
Диэлектрическая проницаемость среды
Е = Е0 - Еi
Еi
-
+
+
Е0
При выключении внешнего электрического поля
тепловое движение разрушает ориентацию
молекул поляризация исчезает для большинства
сред. Исключение – сегнетоэлектрики.
2

3. Вектор электрического смещения

ВЕКТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СМЕЩЕНИЯ
Имеем границу раздела двух сред с ε1 и
ε2, так что, ε1 < ε2.
E1 ε2
E2 ε1
ε2
E1 E2
ε1
или
Напряженность электрического
поля E изменяется скачком при
переходе из одной среды в другую.
3

4.

ВЕКТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СМЕЩЕНИЯ
Главная задача электростатики – расчет
электрических полей, то есть напряженности
электрического поля Е в различных электрических
устройствах, конденсаторах и др.
Эти расчеты сами по себе не просты. Кроме того,
наличие разного сорта диэлектриков и проводников
еще более усложняют задачу.
4

5.

ВЕКТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СМЕЩЕНИЯ
D ε0 εE
5

6.

ВЕКТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СМЕЩЕНИЯ
6

7.

ВЕКТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СМЕЩЕНИЯ
D εε 0 E (1 χ )ε 0 E ε 0 E χε 0 E
отсюда можно записать:
D ε 0E P,
7

8.

ВЕКТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СМЕЩЕНИЯ
q
D
.
2
4πr
n
D Dk .
k 1
ФD Dn dS qk .
S
8

9.

ПРОИЗВОЛЬНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ВЕКТОРА Е
tg α1 E2 τ E1n E1n ε 2
,
tg α 2 E2 n E1τ E2 n ε1
9

10.

ПРОИЗВОЛЬНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ВЕКТОРА D
tg α1 D2 τ D 1n D2 τ ε 2
tg α 2 D2n D1τ D1τ ε1
10

11.

ВЕКТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СМЕЩЕНИЯ
11

12.

ПРЕЛОМЛЕНИЕ ВЕКТОРОВ Е И D НА ГРАНИЦЕ
РАЗДЕЛА ДВУХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
12

13. Различные виды диэлектриков. Сегнетоэлектрики

РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ ДИЭЛЕКТРИКОВ.
СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ
В 1920 г. была открыта спонтанная (самопроизвольная) поляризация.
Всю группу веществ, для которых характерно наличие спонтанной
поляризации, назвали сегнетоэлектрики (англ. ferroelectrics).
Все сегнетоэлектрики обнаруживают резкую анизотропию свойств
(сегнетоэлектрические свойства могут наблюдаться только вдоль одной
из осей кристалла). У изотропных диэлектриков поляризация всех
молекул одинакова, у анизотропных – поляризация, и следовательно,
вектор поляризации в разных направлениях разные.
13

14.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ
1. Высокая диэлектрическая проницаемость
ε ~ 103 10 4
2. Значение ε зависит не только от внешнего поля E0, но и от
предыстории образца.
3. Наличие точки Кюри – температуры, при которой (и выше)
сегнетоэлектрические свойства пропадают.
Например,
титанат бария: 133º С;
сегнетова соль: – 18 + 24º С;
ниобат лития: 1210º С.
4. Диэлектрическая проницаемость ε (а следовательно, и Р )
нелинейно зависит от напряженности внешнего
электростатического поля (нелинейные диэлектрики).
14

15.

Нелинейная поляризация диэлектриков называется диэлектрическим
гистерезисом
Состояние
насыщения
Ес – коэрцитивная сила,
Pс – остаточная поляризация

16.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ
Стремление к минимальной потенциальной энергии и
наличие дефектов структуры приводит к тому, что
сегнетоэлектрик разбит на домены
16

17.

ДОМЕНЫ
http://labfer.ins.urfu.ru/common/pdf/128.pdf
а) – зарождение новых доменов (нуклеация)
b) – дальнейший рост доменов по толщине кристалла
с) – рост доменов «вширь»
d) – сращивание доменов
17

18.

ДОМЕНЫ
http://labfer.ins.urfu.ru/common/pdf/128.pdf
Доменная стенка
Рост гексагональных доменов (Pb5Ge3O11)
а) – изображение в поляризационном микроскопе
b) – схема движения доменной стенки
18

19.

ДОМЕНЫ
http://labfer.ins.urfu.ru/common/pdf/128.pdf
Рост треугольных доменов под действием внешнего импульсного
поля (Pb5Ge3O11)
а) – изображение в поляризационном микроскопе
b) – схема движения доменной стенки
с) – схема роста домена
19

20.

ДОМЕНЫ
http://labfer.ins.urfu.ru/common/pdf/608.pdf
Поверхностные нанодоменные структуры, индуцированные лазерным
излучением на поверхности ниобата лития
(оптическая микроскопия)
20

21.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКИ
Некоторые диэлектрики поляризуются не только под действием
электрического поля, но и под действием механической деформации.
Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом.
Явление открыто братьями Пьером и Жаком Кюри в 1880 году.
Если на грани кристалла наложить металлические электроды (обкладки)
то при деформации кристалла на обкладках возникнет разность
потенциалов. Если замкнуть обкладки, то потечет ток.
Все сегнетоэлектрики
обладают
пьезоэлектрическими
свойствами
21

22.

Возможен и обратный пьезоэлектрический эффект:
• Возникновение поляризации сопровождается механическими
деформациями.
• Если на пьезоэлектрический кристалл подать напряжение, то возникнут
механические деформации кристалла, причем, деформации будут
пропорциональны приложенному электрическому полю Е0.
Автор: Tizeff - Template:Ownnn, CC BYSA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.
php?curid=2961245
22

23. Пироэлектрики

ПИРОЭЛЕКТРИКИ
Пироэлектричество – появление электрических зарядов на
поверхности некоторых кристаллов при их нагревании или
охлаждении.
При нагревании один конец диэлектрика заряжается
положительно, а при охлаждении он же – отрицательно.
Появление зарядов связано с изменением существующей
поляризации при изменении температуры кристаллов.
Все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не наоборот.
Некоторые пироэлектрики обладают сегнетоэлектрическими
свойствами.
23

24.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
24

25.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ
В качестве примеров использования различных диэлектриков можно
привести:
сегнетоэлектрики – электрические конденсаторы, ограничители
предельно допустимого тока, позисторы, запоминающие устройства;
пьезоэлектрики – генераторы ВЧ и пошаговые моторы, микрофоны,
наушники, датчики давления, частотные фильтры, пьезоэлектрические
адаптеры;
пироэлектрики – позисторы, детекторы ИК-излучения, болометры
(датчики инфракрасного излучения), электрооптические модуляторы.
25

26.

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛОВ
Конец слайда

27.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Очень широкая
запрещенная зона
Практически отсутствуют
свободные носители
Основной причиной
электропроводности является
наличие в объёме и на
поверхности ионов различных
примесей.
При высоких температурах проводимость
обусловлена ионами самого материала.
может
быть
также
Конец слайда

28.

ВИДЫ ПРОВОДИМОСТИ
Различают объёмную и поверхностную проводимость.
Объёмная проводимость создаётся ионами примесей и
ионами самого диэлектрика, которые, находясь в состоянии
первоначального закрепления и совершая тепловые
колебания, способны преодолеть силы взаимодействия с
другими молекулами и перейти в новое положение
временного закрепления, В отсутствие электрического поля
направления перемещения ионов равновероятны, и ток
равен нулю. При наличии поля движение ионов создаёт ток.
Ток, создаваемый движением ионов, называют током
сквозной проводимости.

29.

ВИДЫ ПРОВОДИМОСТИ
Поверхностная
проводимость
обусловлена
наличием
влаги,
загрязнениями,
различными
дефектами
на
поверхности
диэлектрика.
По
способности
реагировать
на
влагу
различают
гидрофобные
и
гидрофильные
материалы.
Гидрофобные практически не смачиваются, и их
удельное
сопротивление
велико.
Гидрофильные
смачиваются (адсорбируют влагу), и на поверхности
образуется
непрерывный
токопроводящий
слой.
Адсорбцией влаги обладают полярные и ионные
диэлектрики.
Для
уменьшения
поверхностной
электропроводности
эти
материалы
защищают
гидрофобными покрытиями.

30.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
Диэлектрическими потерями называют мощность,
расходуемую электрическим полем на поляризацию
диэлектрика. Эта мощность выделяется в виде тепла.
Потери обусловлены медленными поляризациями и
электропроводностью диэлектрика.

31.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Диэлектрики – изоляционные материалы. Повышение
напряжения свыше UПР
может привести к пробою
диэлектрика
Электрическая
прочность
ℰПР
–
минимальная
напряжённость
однородного
электрического
поля,
приводящая к пробою диэлектрика.
ℰПР
dД – толщина диэлектрика.
U ПР
dД

32.

Четыре разновидности пробоя диэлектриков
Электрический
пробой
Тепловой
пробой
Электрохимическческий
пробой
Поверхностный
пробой

33.

Электрический пробой. Ударная ионизация атомов.
Лавинообразный процесс нарастания тока. Развитие в
течение 10-7…10-5 с. Процесс обычно локализован в
узкой области. Появляется разрядный канал, внутри
которого повышается давление, что приводит к
появлению трещин или к полному разрушению
диэлектрика. Обычно этот вид пробоя наступает при ℰПР
= 103 МВ/м
Тепловой пробой наступает, когда количество теплоты,
выделяемой в диэлектрике, превышает количество
теплоты, отводимой от него в окружающую среду.
Расплавление или обугливание

34.

Электрохимический
пробой
обусловлен
медленными изменениями химического состава и
структуры диэлектрика, которые развиваются под
действием поля или разрядов в окружающей среде
Поверхностный пробой. Пробивается воздух
вблизи
поверхности
твёрдого
диэлектрика.
Появляется проводящий канал. Напряжения
пробоя зависит от давления, температуры и
влажности
воздуха.
Для
предотвращения
поверхностного пробоя поверхность изолятора
делают ребристой. Эффективная мера борьбы –
замена воздуха жидким диэлектриком

35.

Классификация диэлектрических материалов по функциям
Электроизоляционные
Конденсаторные
Электроизоляционные – для отделения друг от друга
элементов схемы и для изоляции токоведущих частей.
Обладают
невысокой
диэлектрической
проницаемостью
и
большим
удельным
сопротивлением.
Конденсаторные
–
для
увеличения
ёмкости
конденсаторов. Они имеют повышенное значение и
малый tgδ (тангенс угла потерь).