1. Связи атомов и молекул.
В-во в твердом, жидком и газообразном состоянии или состоянии плазмы
состоит из атомов, молекул, ионов.Молекула – из 1 или нескольких атомов – наименьшая часть вещества,
обладающая его химическими свойствами.Ядро атома состоит из протонов и нейтронов.
Атом, отдавая или присоединяя электрон, превращается в “+” или ” — ”
заряженный ион.
Размеры атома колеблются от одного до нескольких ангстрем.
1А=10-10м
В зависимости от строения внешних электронных оболочек атом в молекуле
образует различные химические связи.
Ковалентная связь — возникает при обобществлении электрона двумя соседними
атомами.
Например, H2На рисунке а) показана планетарная модель атома и молекулы b).
При движении электрона м/у ядрами создается как бы избыток “-” заряда. Это
способствует сближению атомов и прочности их связи.
Неорганические вещества могут иметь высокую твердость, тугоплавкость,
химическую инертность.
Например алмаз имеет max твердость , а температура разложения корбида
кремния SiC = 2600?C. Валентная связь типична и для органического вещества.
Если центры одинаковыхпо величине “+”и”-” зарядов совпадают, то молекула
неполярна (рис 1.1)
Если центры не совпадают, то молекла полярна (диполь с моментом p=ql)онная связь – обусловлена притяжением “+”и”-” ионов.
Молекула с ионной связью полярна. Ионная связь так же прочна , например
tплавления Al2O3 =2040?C.
tплавления MgO =2800?C.
Металлическая связь существует в системе из “+” заряженных ионов,
находящихся в среде всободных электронов “электронный газ”.Из-за ”электронного газа” металлы обладают высокой тепло и электро
проводностью. Металлическая связь прочна. У вольфрама tплавления=3380?C.
Моллекулярные связи
Существуют м/у отдельными молекулами за счет электростатического напряжения
имеющихся в них зарядов противоположных знаков(силы ванДер Ваальса). Эти
связи удерживают вместе молекулы с твердом водороде, азоте и др.
Особым видом молекулярной связи является связь, осуществляемая через ион
водорода, расположенный м/у 2-мя ионами соседних молекул. Водородная связь
имеется в воде и некоторых органических соединениях, а так же в кристаллах.§2 Строение твердого вещества
Твердые вещества бывают:
Кристаллическими
Аморфными
Кристалло-аморфными
Кристаллическое тело может состоять из отдельного кристалла – монокристалл
или из большого числа маленьких кристаллов(зерен), соединенных м/у собой
— поликристалл(металлы, керамики, горные породы).
Монокристаллы обычно анизотропны(те их свойства зависят от направления).
В кристалле атомы занимают положения, называемые узлами кристаллической
решетки, которая состоит из периодически повторяющихся элементарных ячеек –
дальний порядок.
Локальные отклонения от регулярного расположения частиц называются
дефектами кристаллической решетки. (Незанятые узлы в кристаллической
решетке – вакансии, смещение атома из узла в междуузелье, внедрение в
решетку чужеродного атома или иона называют точечными деффектами).Точечные дефекты кристаллической решетки:
Пустой узел
Собственный ион в междуузелье
Чужеродный ион в муждуузельеСуществуют и линейные дефекты. В этом случае искажение кристаллической
решетки захватывает не одну элементарную ячейку, а ряд соседних (дислокации
и двойники).
У аморфного тела определенный порядок расположения атомов соблюдается
только в пределах элементарной ячейки – ближний порядок.
Аморфное вещество часто называют переохлажденной жидкостью, тк ближний
порядок существует и в жидкости. Вещества могут находиться как в
кристаллическом, так и в аморфном состоянии, в зависимости от скорости
охлаждения. Например, в кристалле и стеклообразном кварце элементарная
ячейка построена в виде тетраэдра, в центре которого находится атом
кремния, а вершинах – кислорода. В аморфном кварце эти ячейки хаотически
повернуты относительно любой проведенной плоскости. В кристалле же все
атомы расположены не только под одним пространственным углом, но и сохранят
плоскую симметрию, которой обусловлено чередование атомов Si и O.
Аморфные вещества не имеют четко выраженной t плавления и переходят из
твердого состояния в жидкое постепенно размягчаясь. Некоторые имеют
смешанную аморфно-кристаллическую структуру, например керамические
материалы(неорганические материалы, полученные объединением неметаллических
частиц).§3 Свойства поверхности и объема
Тепловое расширение – способность материала расширяться при
нагревании. Характеризуется коэффициентом линейного расширения (,
показывающим на какую долю первоначальной длины расширяется тело при
повышении t на 1 градус.
Для металлов (=(10-20)*10-6 град-1
Для керамик и полимеров (=(3-5)*10-6 град-1
Теплоемкость – способность материала при нагревании поглощать определенное
количество тепла. Характеризуется удельной теплоемкостью С [Дж/(кг*к)]
Для металлов С=0,76-0,92 к Дж/(кг*к)
У органических материалов теплоемкость выше, например Сдревесины=2,7 к
Дж/(кг*к)
Теплопроводность – способность материала передавать тепло через толщу от
одной своей поверхности к другой. Характеризуется коэффициентом
теплопроводности ( [Вт/(м*к)].
Из всех веществ наименьшей ( обладает воздух в виде неподвижных пузырьков
воздуха – 0,023 Вт/(м*к) – поэтому пористость материала снижает его
теплопроводимость. Тк ( воды в 25 раз > ( воздуха, то с увеличением
влажности материала теплопроводность возрастает.
Гигроскопичность — способность поглощать водяные пары из воздуха.
Поглощение(сорбция) водяных паров сопровождается капиллярной конденсацией
те сжижением пара в жидкости, а иногда и химическими взаимодействиями с
материалом – химосорбцией, которая , например, ухудшает изоляционные
свойства вещества.
Электропроводность — способность материала проводить электрический ток.
Характеризуется удельной проводимостью ( [Oм-1*м-1]. Величину (=1/(
называют удельным сопротивлением; Для имеющегося сопротивления R образца
длиной L с постоянным поперечным сечением S [pic]
Электропроводность различают по типу основных носителей зарядов: ионная,
электронная, малионная.
Огнеупорность – способность материала без размягчения и заметной деформации
выдерживать длительные воздействия температуры > 1580(С. К огнеупорным
материалам относят карбид кремния, используемый для электрообогревателей.Радиационная стойкость – способность сохранять свойства при воздействии
корпускулярного и электромагнитного излучения высокой энергии. К
корпускулярному излучению относятся быстрые и медленные нейроны, осколки
ядер, (, ( — частицы; к волновому излучению относят рентгеновские и [pic]
лучи.Часто радиационную стойкость выражают необходимым числом частиц на единицу
площади для ухудшения характеристик, например нейрон / м2 .
Полупроводниковые материалы повреждаются дозой 1018 нейрон / м2 . Многие
диэлектрики обладают лучшей радиационной стойкостью, выдерживая дозы 1022
нейрон / м2.
Пластичность – способность материала сохранять остаточную деформацию после
снятия нагрузки. Характеристиками пластичности являются относительное
остаточное удлинение [pic]
И относительное остаточное сужение [pic]§4 Сопротивление разрушению.
Основным из этих свойств является прочность те способность объекта
воспринимать нагрузку без разрушения. Прочность характеризуют зависимостью
долговечности (времени до разрушения от напряжения).Кривые длительной прочности при разных температурах T1>T2>T3
Чем больше постоянное напряжение (, тем меньше долговечность.
Кривые длительной прочности стремятся к асимптоте (=(0. Напряжение (0 –
предел прочности . Ему отвечает бесконечно большая долговечность, те без
превышения этого напряжения тело не разрушается.
Ограниченная долговечность при (>(0 указываетна то, что под действием
нагрузки в материале накапливается повреждение. Эксперементальные
исследования этого процесса показали, что он включает миграцию дефектов
кристаллической решетки, их объединение, создание микротрещин, постепенное
увеличение их концентрации, объединение микротрещин с образованием
магистральной трещны, развитие магистральной трещины с постепенным
увеличением скорости(до скорости, соизмеримой со скоростью звука).
В реальных материалах существую дефекты. Долговечность изделий из
таких материалов отределяется временем развития до критических размеров
дефектов, существующих в изделии. Старт дефектов происходит при (>(0 .
Наиболее опасными дефектами являются трещины, в устье которых сходяться
межатомные состояния.
Развитию тещины предшествуют плвстические и микропластические деформации
перед фронтом трещины, что при нагрузке приводит к несовпадению рельефа в
устье трещины.
Устье трещины в кристаллическом теле; стрелками отмечены зоны с остаточной
деформацией. Микропластические деформации развиваются в пределах одного или
нескольких зерен; дальнейшее их развитие сдерживается границами зерен.
Это несовпадение вызывает шумы трения перед окончанием разгрузки.
Современная статическая аппаратура позволяет регистрировать эти шумы и тем
самым без разрушения издеоия определять нагрузку L0, отвечающую (0
Медленние развитие трещины под нагрузкой L может продолжаться часы, дни и
доже годы в зависимости от отношения L/L0 . Это развитие завершиться
катастрофическим разрушение те разделением объекта магистральной трещиной.
Условие этого разрушения определено Гриффитсом-Ирвиным, как
[pic], где ( — напряжение
a – длина трещины
Y – коэфициент, учитывающий форму дефекта, а так же соотношение
его разрмеров и размеров тела.
K – коэфициент интенсивности напряжений. Kc критическое значение K для
данного материала (характеризует сопротивление материала, трещиностойкость,
часто называется вязкостью разрушения)
Как ясно из условия Гриффитса предел прочности [pic] те тем меньше, чем
больше размер имеющегося в теле дефекта. С уменьшением размера тела
уменьшается и максимальный рамер опасного жефекта, а значение (пр
возрастает. Этот эффект получил название масштабного фактора и широко
используется для создания высокопрочных материалов. Если из массы,
используемой для пиготовления оконного стекла вытянуть нити d=1мм и соткать
из них стекло – ткань, а затем склеить ее слои, то предел прочности такого
материала увеличивается в 20 раз.
Для быстрой оценки предела прочности без разрушения часто используют пробу
на твердость.
Твердость – это способность материала противостоять проникновению в него
другого тела. Твердость определяется методом царапания или методом
вдавливаия каменного шарика (твердость которого повышена термообработкой).
В инжинерной практике используют пробу Бренеля, вдавливая в поверхность
каменный шарик. Твердость по Бринелю HB=F/S F – максимальное значение
приложенной нагрузки, S – площадь сферической поверхности отпечатка.
Термостойкость – стойкость термических удатов те срапроивление разрушению
при быстрой смене температур.
Ее оценивают по числу термоциклов, необходимых ля разрушения образца.
Химическая стойкость – стойкость против коррозии (разьедание, разрушение
под действием среды). Характеризуют либо массой вещества, притерпевающей
химическое изменение за какое – либо время, либо измением других свойств.
Иногда выделяют стойкость против биологического воздействия те
сопротивление разрушению микроорганизмами.Глава 2
Конструкционные материалы
§1 Характеристика основных классов.
Отличительной особенностьюновых направлений техники является интенсификация
рабочих процессов, что связано с ростом рабочих t и давления, ускорением
электрических превращений. В связи с эим конструкционные материалыдолжны
обладать механической прочностью, огнеупорностью, хим и терм стойкостью.
Материалы, обладающие при высокой t сверхпроводниковыми, диэлектрическими и
оптическимии свойствами называются конструкционными.
В настоящее время выделяют 4 осноных класса кострукционных материалов:
. Металлы и их сплавы
. Материалы на основе полимеров
. Камни(природные), искуственные в тч керамика, стекло
. Композиты этих материалов
Для материалов и сплавов характерны пластичность и электропроводность,
хорошая механическая прочность, но низкая химическая стойкость (легко
окисляются при нагревании и плавяться или испаряются)
Основным достоинством полимеров и материалов является химическая стойкость,
легкость, сравнительная дешевизна, электроизоляционные свойства. Пласмассы
могут быть получены в виде тонких нитей и пленок, однако легко разрушаются
при нагревании и имеют относительно низкую прчность.
В электрической технике используют как природные камни(мрамор для
электрощитов), так и искуственные: бетон(крупно и мелко зернистый),
керамику, стекло.
Бетон используют для массивных элементов конструкций (опор ЛЭК),
мелкозернистый бетон исползуют в частности для крепления электроизоляторов
стержневых и подвесных.
Керамика — неорганический материал, полученный консолидацией
неметаллических частиц. Их консолидацию можно достичь либо стеканием
(обжигом), либо минеральными вяжущими веществами, например цементом(с
учетом этого определения бетон можно рассматривать, как безобжиговую
керамику).
Неорганическое стекло – это гомогенная масса, полученная при столь быстром
охлаждении расплава минералов, что не успевают образоваться центры
кристаллизации. Промежуточное положение м/у стеклом и керамикой –
стеклокерамика(ситаллы), в которой успевают образоваться отдельные центры
кристаллизации. Стеклокераммические материалы отличаются от некоторых
стекол более высокой ударопрочностью, твердостью, огнеупорностью.
§2 Сплавы, диаграммы состояния двухкомпонентного сплава.
Как конструкционный материал металлы в чистом виде почти не
используют. Материалы и сплавы принято делить на черные и цветные.
Черные — железо, никель, хром, марганей и их сплавы: сталь, чугун.
Цветные – медь, свинец, цинк, алюминий олово и их сплавы: бронза, латунь,
алюминиевые сплавы и тд
Сплав – вещество, полученное сплавление двух иди более элементов, которые
называют компонентами.
Фаза – однородая по химическому составу и структуре часть сплава. А и В их
химическое соединение, жидкий или твердый раствор А в В или В в А.
Твердый раствор образуется при проникновении атомов одного компонента в
кристаллическую речетку другого, называемого растворителем.Диаграмма состояния – график, отражающий зависимость фазового состава от
температури и концентрации компонентов. Температуру указывают по оси
ординат, концентраци по оси абциссПри охлаждении чистого металла, как и при охлаждении воды на графике
изменения T во времени (рис 2)
Горизонтальный участок, обусловленный кристаллизацией при Tплавления (1 и 6
кривые). При охлаждении сплава првые кристаллы появляются при температуре…
Здесь ACD — линия начала кристаллизации сплавов (линия ликвидус); AECF
— линия окончания кристаллизации сплавов (линия солидус), PSK- линия
перлитного или эвтектоидного превращения (соответствует температуре
перестройки решетки при охлаждении А, содержащего 0,8 % С); GS — линия
превращения А в Ф при охлаждении (зависимость температуры перестройки
кристаллической решетки от концентрации С в А); SЕ — линия предельной
растворимости С в А (зависимость растворимости С в Fe? от температуры).
§3 Классификация электротехнических метериалов.
ЭТМ – материалы, исполуемые в электротехнике, в частности в электронной и
радио технике.
Их классифицирут по поведению с электрическом иди магнитном поле.
3.1 Классификация ЭТМ по поведению в магнитном поле.
Клоссификация ЭТМ по поведеню магнитном поле ведут по значению
относительной магнитной проницаемости
[pic], где В – магнитная индукция
Н- напряженность магнитного поля
(0 – магнитная постоянная
Слабомагнитные материалы (((1):
1. Диамагнетики
2. Парамагенитки
3. Антиферромагнетики
Диамагнетики – вещества с (<1, которые не зависит от напряженности
магнитного поля. Зависимомть ( от T слабая. Внешним проявление диамагнетика
является выталкивание его из неоднородного магнитного поля.К диамагеникам
относяться медь, серебро, цинк, золото, водород и инертные газы. Для Сu
(=0,999995Парамагнетики – вещества с ((1, которое не зависит от напряженности
магнитного поля. Зависимомть ( от T сильная. К ним относяться платинум,
алюминий, кислород, воздух((=1,000003) , оксид азота и тдАнтиферромагнетики — вещества с ((1, и сильно зависящие от напряженности
магнитного поля. Зависимомть ( от T сильная. При нагревании
антиферромагнетики фазовый переход в парамагнитные состояния.
Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца, оксидов редкоземельных
элементов (элементы с номерами 57-71)
В диамагнетке внешнее магнитное поле ослабляется, а в парамагнетике и
антиферромагнетике усиливается магнитными моментами атомов.
Магнитный момент атомов — образуется геометрически из магнитных моментов
всех его электронов.
Магнитный момент электрона состоит из мангитных моментов, обусловленных
вращением вокруг ядра и вокруг собственной оси. Первый из них называется
орбитальным, а второй спиновым магнитным моментом.Сильномагнитные материалы (((1 или магеники – вещества ( которых в большей
степени зависит от напряженности магнитного поля и температуры. В
кристаллах магнетика существуют области (домены) и в домене магнитные
моменты атомов параллельныдруг другу и создают магнитный момент домена .
При отсутствии внешнего магнитного поля домены магнитных моментов отдельных
атомов различны при наложении внешнего магнитного поля происходит
постепенный рост числа доменов, намагниченность которых совпадает с внешним
полем или близка к направлению внешнего поля. Когда все магнитные моменты
доменов сорентированы по полю, то наступает магнитное насыщение .
По удельному сопротивлению магнетикиделят на
1. Ферромагнетики (железо, никель, кобальт и их сплавы)
2. Ферримагеники (ферриты (>(Fe d 106-1011 раз)
Феррит – это соединение оксида железа с оксидом другого метеалла
(ВаО*6Fe2O3 – барриевый феррит)
Достоинства ферритов : У них из-за высокого ( потери на вихревые токи в
высокочастотных электромагнитных полях(108 Гц) малы.
Первые ферриты появились в конце 70-х. Зависимость магнитной индукции В от
напряженности Н при цикличном намагничивании образует петлю.
Петля Гистерезиса:
1 — Кривая намагничивания
2-3 Петля ГистерезисаПлощадь петли характеризует потери энергии за 1 цикл перемагничивания на
необратимое смещение градиц доменов и др процессы. Значение Вr при Н=0
называется остаточной нидкуцией. З начение Нс при В=0 – коэрцетивная
(заднрживающая ) сила.
По величине Нс магеники делят на:
1. магнтомягкие Нс<800 A/м
2. магнитотвердые Нс>4 к A/м
Помимо них бывают еще магнитные материалы спциального назначения.
[pic]3.2 Сильно магнитные материалы.
Типичные виды магнитомягких материалов:
1. Технически чистое железо (сплав Fe и C 0,05%)
2. Электротехническая сталь (сплав Fe и C<0,8% и кремния 0,5%) Количество
Si определяет удельное сопротивление стали.
3. Пермаллой – сплав Fe c никелем < 80% или Fe C Ni c Co и с добавьением
малибдена, хрома и других элементов.
Из чистого железа, электротехнической стали, пермаллоя делают сердечники
магнитов и трансфориаторов.
4. Магнитдиэлектрик – диэлектрик с внедрением в него частиц мягкомагнитного
материала
5. Ферриты, например марганцево – цинковые. Их, как и магнитодиэлектрики
испльзуют на высоких частотах тк вихревые токи в них малы
6. Альсифер (Al 6% Si 10% Fe) по магнитным свойствам не уступают
пермаллою, хотя и не содержат диффицитных материалов (Ni Co малибден). Из
него делают частицы магнитодиэлектрика. Извесны следующие магнитотвердые
материалы, используемые как постоянные магниты:
1) мантрситная сталь, которая содержит добавки хрома, вольфрама, кобальта
(для ее получения необходимо быстрое охлаждение)
2) сплав Кунифе (50% Сu 20% Ni 20% Fe)
сплав Кунико (50% Сu 21% Ni 20% Сo)
3) магнитодиэлектрик – диэлектрик с частицами магниттвердого материала, его
наносят например на ленту для записи информации.
4) Магнитотвердые ферриты (бариевый ферит BaO6Fe2O3)Магнетики специального назначения делят на 6 групп
1) сплавы с высокой магнитострикцией (сильная деформация в магнитном поле)
Например 54%Pl ;46%Fe или 50%Co и 50%Fe
Чистый никель и его сплавы имеют высокую магнитострикцию, используемую в
генераторах звуковых колебаний.
2) Сплавы, отличающиеся незначительным изменением магнитной проницаемости (
при изменении напряженности магнитного поля H. Например : сплав железа,
никеля и алюминия.
3) Сплавы с сильной зависимостью магнитной проницаемости ( от
T(термомагнитные сплавы). Например, из сплава 70% никеля и 30% купрума
делают сопротивление для компенсации температурной погрешности.
4) Магнитные пленки и монокристаллы со спецефическими доменными
структурами. Перемещение полосовых доменов под воздействием внешнего поля
используется в управляемых магнитным полем дифракционных решетках.
5) Магнитная жидкость. На рис. Приведена схема магнито-жидкосного
герметезатора.М/у разделяемыми областями А и В есть 2 магнитных диска 1. Один из них
заострен. М/у дисками установлен постоянный колцевой магнит 2,
намагниченный в осевом направлении. Тк гермитизированный вад 3 изготовлен
из магнитного материала, то образуется магнитная цепь, которая замыкает
магнитный поток 4. Магнитная жидкость 5 втянута в обасть самого сильного
магнитного поля те в зазор м/у валом и заостренной кромкой одного из дисков
1. Они образуют кольцо, разделяющее области А и В
6) Магнто-оптические материалы.
Например для записи лазером, изменяющие магнитные свойства компакт дика при
записи.
3.3 Классификация по поведению в магнитном поле.
Каждой орбите электрона твердого тела соответствуетсвое значение энергии. W
– энергетический уровень. Из-за притяжения ядра электроны полностью
заполняют нижние энергетические уровни те орбиты ближайшие к ядру, а
верхние энергтические уровни остаются свободныим(см рис).
Зонная диаграмма.
I – зона проводимости
II – запрешенная зона
III – валентная зона
( — электрон
1 – уровни возбужденного состояния электрона
2 – нормальные уровни
Энергетические уровни, заполненние эектронаминазывают валентной зоной
(III). Что бы вырвать электрон из этой зоны и вовлечь его в поток зарядов,
необходимо сообщить электрону энергию, те перевести в зону проводимости(в
свободную зону I).
Энергетическуюцель м/у валентной зоной и зоной проводимости называют
запрещенной зоной ( W (зона II). В зависимости от значений (, (( , ( W
веществ при атомном давлении делят на проводники, полупроводники и
диэлектрики.
( [Ом*м] – удельное электрическое сопротивление.
(( = [pic] — температурный коэфициент удельного сопротивления
[pic] — удельная электрическая проводимостьОдин и тот же материал в зависимости от условий его использования может
являться и проводником и полупроводником и диэлектриком. Например, металлы,
являющиеся в твердом состоянии проводниками, оказываютс ядиэлектриками в
газообразном.§4 Диэлектрики.
Диэлектрики – материалы с удельным сопротивлением ((108 Ом*м при t=20єC и
нормальном атмосферном давлении. Важным свойством диэлектрика является его
способность к поляризации.
Поляризация – процесс ограниченногосмещения или ориентации связанных
электрических зарядов в теле под действием электрического поля, который
происходит в объеме и сопровождается появлением зарядов на поверхности
материала у электронодов (см рис)Расположение зарядов в поляризованном диэлектрике плоского конденсатора
При этом образец пиобретает полярность. Отсюда термин – поляризация. На
практике мерой поляризации служит относительная диэлектрическая
проницаемомть [pic], где С и С0 – емкости кондесатора с диэлектриком и без
него соответственно. EA – абсолютная проницаемость дилектрика E0 –
диэлектрическая проницаемость вакуума.
При нормальных условиях у твердых образцов с неполярными молекулами
(неполярными диэлектриками)
E = 2- 5, а у полярных диэлектриков E = 10-40
Диэлектрики делят на пассивные и активные:
Пассивные диэлектрики сохраняют свои свойства при внешних воздействиях
Активные сильно меняют свои свойства.
Пассивные диэлектрики используют в качестве электрической изоляции в
обычных конденсаторах. Электрическая изоляция препятствует прохождению тока
нежелательным путем.
Широко примееняют следующие активные диэлектрики :
1. Пъезоэлектрики – Значение их E сильно зависит от механических напряжений
(например кристаллический кварц). Пьезоэлектрики используют для
стабилизаторов частоты, фильтров с высокой избирательной способностью
2. Пироэлектрики – Значение их E сильно зависит от температуры(например
LiNbO3). Использут в датчиках температуры.
3. Сегнетоэлектрики – Значение E сильно зависит от напряженности
электрического поля, что используют в варикондах (переменных емкостях).
Наличие петли Гистерезиса в переменном электрическом поле – основное
свойство сигнетоэлектриков, отличающее их от других классов диэлектриков
(Титонат бария BaTiO3 и материалы на его основе). Поляризованные
сигонтоэлектрики используют в качестве пъезоэлектриков.Зависимость заряда q отнапряжения U и электрической проницаемости E от
температуры T сигнетоэлектрика.Точка B соответсткует насыщению – вседлины ориентированны по полю. Важным
параметром сигнетоэлектрика является точка Кюри Tk — температура, при
которой диэлектрическая проницаемость E мксимальна.
4. Электреты – электрические аналоги постоянных магнитов – десятки лет
сохраняют постоянный заряд, создающий в окружающем пространстве
электричесое поле. Один из способов их получения – “бомбардировка”
заряженными частицами поверхности диэлектрика.
5. Жидкие кристаллы – органические жидкости с сильно вытянутыми нитевидными
молекулами, одинаково ориентированными. Внешнее электричекое поле меняет
направление их ориентации и тем самым прохрачность жидкого кристалла,
часто используют в индикаторах.
6. Лазерные диэлектрики с резонаторми генерируют когерентное излучение, при
этом возбужденные атомы теряют энергию те электроны переходят с верхнего
энергетического уровня на нижний. Например твердый диэлектрик лазера
(ZnO,Al2O3, SiO2 и др)должен быть прозрачным на частоте возбуждения
генерации, оптически однородным, твердым для тщательной полировки и
обладать высокой проводимостью.4.1 Виды поляризации.
Существуют 4 основных вида поляризации:
Электронная поляризация, ионная, дипольная, спантанная.
1. Электронная – упругое смещение электронов в атомах и ионах(см рис)
Орбиты электрона в атоме водорода: 1 — в электронном поле, 2 – при
отсутствии внешнего поля ъТакая поляризация есть во всех материалах, а поляризации других видов
добавляются к электонной. Она происходит быстро (t=10-14 – 10-15) и поэтому
не зависит от частоты изменения электрического поля до тех пор, пока время
поляризации не соизмерима с периодом изменения электрического поля (f = 10-
14 – 10-15Гц)Зависимость диэлектрической проницаемости E от частоты электрического поля
f
При нагревании плотность падает, уменьшается число атомов в единице объема
в следствии чего поляризация ослабевает.
Зависимость E(T) для вещества сэлектронной (а) и ионной(б) поляризацией
1 – вещество в твердом состоянии
2 – вжидком
3 – в газообразном
Значение E веществ, имеющих электронную поляризацию (неполярные
диэлектрики, например — полистирол ), численно равно квадрату показателя
преломления света
Согласно теории Максвелла скорость света (электромагнитной волны) в пустоте
[pic]
Где E0 и (0 – электрическая и магнитная постоянные.
Скорость электромагнитной волны в веществе V=[pic]. Отношение [pic] —
показатель преломления n, следовательно, n=[pic]. В связи с тем, что
большинство диэлектриков материалы немагнитные и для них ((1, то n2=E.
2. Ионная поляризация – смещение ионов в узлах кристаллической решетки
электрическим полем за время t=10-12 – 10-13 (ионы тяжелее электронов).
Она не зависит от частоты до f=1012-1013Гц.
С ростом температуры расстояние м/у ионами увеличивается из-за теплового
расширения, хмимические связи ослабляются. Ионы легче смешиваются, поэтому
поляризация ионных диэлектриков растет вместе с температурой.
К диэлектрикам с ионной поляризацией относят слюду.
Электронная и ионная поляризации – это быстрый сдвиг зарядов, независящий
от частоты электрического поля до частоты f. Потери энергии при этом
пренебрежимо малы.
3. Дипольная (ориентационная) поляризация – поворот диполей, находящихся в
хаотическом тепловом движении электрическим полем за время 10-6-10-8 сек.
Дипольную поляризацию, ноаборот, наблюдают в полярных диэлектриках (в
воде, канифоле и др) Она сопровождается потерями энергии на преодоление
трения при повороте диполей, что приводит к нагреву диэлектрика
При частоте 106-108 Гц диполи не успевают ориентироваться по полю и
остается только электронная поляризация. Зависимость дипольной поляризации
от температуры см на рисунке.При низких темпераурах вязкость вещества велика. Диполи неподвижны и
электрическая прницаемость обусловлена электронной поляризацией. С
увеличением температуры вязкости уменьшается, и диполи начинают
поворачиваться, приводя к росту E. При темперауре выше температуры
плавления тепловое движение мешает ориентации диполей и E снижается. Часто
строят зависимость Е от дух факторов: частоты и температуры(рис 5б). После
снятия электрического поля ориентация диполей ослабевает по экспоненте из-
за теплового движения.
4. Спонтанную поляризацию наблюдают в веществах, называемых
сигнетоэлектриками(по названию сигнетовой соли, первого вещества, в
котором была обнаружена эта поляризация), например в титанате бария и
титанате стронция.Как правило, в кристаллах сигнетиков, как и в
кристаллах магнетиков есть домены. В одном домене все диполи
ориентированы одинаково и создают электр. момент домена. В силу этого
электрические моменты различных доменов не совпадают по направлению. При
воздействии внешнего электрического поля эл. Моменты доменов постепенно
ориентруются в направлении поля, что создает поляризацию до 100тыс.
4.2 Электропроводность диэлектриков.
Электопроводность твердого диэлектрика обусловлена движением свободных
электронов, а так же движением ионов из узлов решетки (собственная или
высокотемпературная электроповодность) или ионов примесей в диэлектриках с
ковалентной связью (примесная электропроводность).
В отличье от электронной ионная теплопроводность, например, в органческих
полимерах сопровождается переносом вещества. В этом случае удельную
проводимость находят по формуле
[pic], где Ai и Bi – коэфициены для каждого типа ионов в донном
диэлектрике.
По мере изменения температуры в этой формуле приволибуют отдельные
слагаемые, позволяющие пренеюрегать остальными. Поэтому зависимость
log[pic] от 1/T можно минеаризировать, например, двумя прямыми.Отрезок стева от (.) O справедлив для высокотемпературной или собственной
проводимости; Отрезок справа от (.) O справедлив для низкотемпературной или
примесной проводимости. Участок собственной проводимости воспроизводим для
данногосоединения. Участок примесной проводимости зависит от концентрации
примесей: чем больше концентрация, тем выше проводимость при тех же
температурах.
После подачи на диэлектрик постоянного напряжения прибор фиксирует
выпадающий ток , называемый током утечки.Изменение тока утечки во времени после подачи посточнного напряжения на
диэлектрики.
