Диэлектрик

Поляризованный диэлектрический материал

Диэлектрика (или диэлектрический материал ) представляет собой электрический изолятор , который может быть поляризован приложенным электрическим полем . Когда диэлектрический материал помещают в электрическое поле, электрические заряды не протекают через материал, как в электрическом проводнике, а лишь слегка смещаются от своих средних положений равновесия, вызывая поляризацию диэлектрика . Из-за диэлектрической поляризации, положительные заряды смещаются в направлении поля, а отрицательные заряды смещаются в направлении, противоположном полю (например, если поле движется по положительной оси x, отрицательные заряды будут смещаться по отрицательной оси x) . Это создает внутреннее электрическое поле, которое уменьшает общее поле внутри самого диэлектрика. ^[1] Если диэлектрик состоит из слабо связанных молекул, эти молекулы не только поляризуются, но и переориентируются так, что их оси симметрии совпадают с полем. ^[1]

Изучение диэлектрических свойств касается накопления и рассеяния электрической и магнитной энергии в материалах. ^{[2] [3] [4]} Диэлектрики важны для объяснения различных явлений в электронике , оптике , физике твердого тела и биофизике клетки . ^{[5] [6]}

Терминология [ править ]

Хотя термин изолятор подразумевает низкую электропроводность , диэлектрик обычно означает материалы с высокой поляризуемостью . Последнее выражается числом, называемым относительной диэлектрической проницаемостью . Термин «изолятор» обычно используется для обозначения электрического препятствия, а термин «диэлектрик» используется для обозначения способности материала накапливать энергию (посредством поляризации). Типичный пример диэлектрика - электроизоляционный материал между металлическими пластинами конденсатора . Поляризация диэлектрика приложенным электрическим полем увеличивает поверхностный заряд конденсатора для данной напряженности электрического поля. ^[1]

Термин диэлектрик был введен Уильямом Уэвеллом (от dia + electric ) в ответ на запрос Майкла Фарадея . ^{[7] [8]} идеальный диэлектрик является материалом с нулевым электрической проводимостью ( см идеального проводником бесконечной электропроводности), ^[9] , таким образом показывая только ток смещения ; поэтому он хранит и возвращает электрическую энергию, как если бы это был идеальный конденсатор.

Электрическая восприимчивость [ править ]

В диэлектрической восприимчивости х _е из диэлектрического материала является мерой того , насколько легко он поляризует в ответ на электрическое поле. Это, в свою очередь, определяет электрическую проницаемость материала и, таким образом, влияет на многие другие явления в этой среде, от емкости конденсаторов до скорости света .

Он определяется как постоянная пропорциональности (которая может быть тензором ), связывающая электрическое поле E с наведенной плотностью диэлектрической поляризации P , так что

${\ displaystyle \ mathbf {P} = \ varepsilon _ {0} \ chi _ {e} \ mathbf {E},}$

где ε ₀ - электрическая проницаемость свободного пространства .

Восприимчивость среды связана с ее относительной диэлектрической проницаемостью ε _r соотношением

${\ displaystyle \ chi _ {e} \ = \ varepsilon _ {r} -1.}$

Итак, в случае вакуума

${\ displaystyle \ chi _ {e} \ = 0.}$

Электрическое смещение D связано с плотностью поляризации P от

${\displaystyle \mathbf {D} \ =\ \varepsilon _{0}\mathbf {E} +\mathbf {P} \ =\ \varepsilon _{0}\left(1+\chi _{e}\right)\mathbf {E} \ =\ \varepsilon _{0}\varepsilon _{r}\mathbf {E} .}$

Дисперсия и причинность [ править ]

В общем, материал не может поляризоваться мгновенно в ответ на приложенное поле. Более общая формулировка как функция времени:

${\displaystyle \mathbf {P} (t)=\varepsilon _{0}\int _{-\infty }^{t}\chi _{e}\left(t-t'\right)\mathbf {E} \left(t'\right)\,dt'.}$

То есть поляризация представляет собой свертку электрического поля в предыдущие моменты времени с зависящей от времени восприимчивостью, заданной как χ _e (Δ t ). Верхний предел этого интеграла может быть расширен до бесконечности, а если определить χ _е (Δ т ) = 0 для Д т <0 . Мгновенный отклик соответствует восприимчивости дельта-функции Дирака χ _e (Δ t ) = χ _e δ (Δ t ) .

В линейной системе удобнее взять преобразование Фурье и записать это соотношение как функцию частоты. По теореме о свертке интеграл становится простым произведением,

${\displaystyle \mathbf {P} (\omega )=\varepsilon _{0}\chi _{e}(\omega )\mathbf {E} (\omega ).}$

Восприимчивость (или, что то же самое, диэлектрическая проницаемость) зависит от частоты. Изменение восприимчивости по частоте характеризует дисперсионные свойства материала.

Более того, тот факт, что поляризация может зависеть только от электрического поля в предыдущие моменты времени (т. Е. Χ _e (Δ t ) = 0 для Δ t <0 ), как следствие причинности , налагает ограничения Крамерса – Кронига на действительные и мнимые части восприимчивости х _£ ( со ).

Диэлектрическая поляризация [ править ]

Базовая модель атома [ править ]

В классическом подходе к диэлектрической модели материал состоит из атомов. Каждый атом состоит из облака отрицательного заряда (электронов), связанного с положительным точечным зарядом в его центре и окружающего его. В присутствии электрического поля облако зарядов искажается, как показано в правом верхнем углу рисунка.

Его можно свести к простому диполю, используя принцип суперпозиции . Диполь характеризуется ее дипольный моментом , величина вектора , показанной на рисунке в виде синюю стрелки с надписью М . Именно связь между электрическим полем и дипольным моментом определяет поведение диэлектрика. (Обратите внимание, что дипольный момент указывает в том же направлении, что и электрическое поле на рисунке. Это не всегда так и является большим упрощением, но верно для многих материалов.)

Когда электрическое поле снимается, атом возвращается в исходное состояние. Время, необходимое для этого, называется временем релаксации ; экспоненциальный спад.

В этом суть модели в физике. Теперь поведение диэлектрика зависит от ситуации. Чем сложнее ситуация, тем богаче должна быть модель для точного описания поведения. Важные вопросы:

• Электрическое поле постоянно или меняется со временем? С какой скоростью?
• Зависит ли отклик от направления приложенного поля ( изотропия материала)?
• Ответ везде одинаковый ( однородность материала)?
• Нужно ли учитывать какие-либо границы или интерфейсы?
• Является ли реакция линейной по полю или есть нелинейности ?

Связь между электрическим полем E и дипольным моментом M определяет поведение диэлектрика, которое для данного материала может быть охарактеризовано функцией F, определяемой уравнением:

${\displaystyle \mathbf {M} =\mathbf {F} (\mathbf {E} )}$.

Когда определены и тип электрического поля, и тип материала, затем выбирается простейшая функция F, которая правильно предсказывает интересующие явления. Примеры явлений, которые можно смоделировать, включают:

• Показатель преломления
• Дисперсия групповой скорости
• Двулучепреломление
• Самофокусировка
• Гармоническая генерация

Диполярная поляризация [ править ]

Диполярная поляризация - это поляризация, которая либо присуща полярным молекулам (ориентационная поляризация), либо может быть индуцирована в любой молекуле, в которой возможно асимметричное искажение ядер (поляризация искажения). Ориентационная поляризация возникает в результате постоянного диполя, например, возникающего из-за угла 104,45 ° между асимметричными связями между атомами кислорода и водорода в молекуле воды, который сохраняет поляризацию в отсутствие внешнего электрического поля. Сборка этих диполей образует макроскопическую поляризацию.

При приложении внешнего электрического поля расстояние между зарядами внутри каждого постоянного диполя, связанное с химической связью , остается постоянным при ориентационной поляризации; однако само направление поляризации вращается. Это вращение происходит в масштабе времени, который зависит от крутящего момента и окружающей локальной вязкости молекул. Поскольку вращение не является мгновенным, диполярные поляризации теряют реакцию на электрические поля на самых высоких частотах. Молекула вращается в жидкости примерно на 1 радиан за пикосекунду, таким образом, эта потеря происходит при частоте 10 ¹¹ Гц (в микроволновом диапазоне). Задержка реакции на изменение электрического поля вызывает трение и нагрев.

Когда внешнее электрическое поле применяется с инфракрасной частотой или меньше, молекулы изгибаются и растягиваются под действием поля, и дипольный момент молекулы изменяется. Частота молекулярных колебаний примерно обратно пропорциональна времени, необходимому для изгиба молекул, и эта поляризация искажения исчезает выше инфракрасного.

Ионная поляризация [ править ]

Ионная поляризация - это поляризация, вызванная относительными смещениями положительных и отрицательных ионов в ионных кристаллах (например, NaCl ).

Если кристалл или молекула состоит из атомов более чем одного типа, распределение зарядов вокруг атома в кристалле или молекуле склоняется к положительному или отрицательному. В результате, когда колебания решетки или молекулярные колебания вызывают относительные смещения атомов, центры положительных и отрицательных зарядов также смещаются. На расположение этих центров влияет симметрия смещений. Когда центры не совпадают, в молекулах или кристаллах возникает поляризация. Эта поляризация называется ионной поляризацией .

Ионная поляризация вызывает сегнетоэлектрический эффект, а также диполярную поляризацию . Сегнетоэлектрический переход, который вызывается совмещением ориентаций постоянных диполей вдоль определенного направления, называется фазовым переходом порядок-беспорядок . Переход, вызванный ионной поляризацией в кристаллах, называется фазовым переходом смещения .

В ячейках [ править ]

Ионная поляризация позволяет производить в клетках богатые энергией соединения ( протонный насос в митохондриях ), а на плазматической мембране - создание потенциала покоя , энергетически неблагоприятный транспорт ионов и межклеточную коммуникацию ( Na + / К + -АТФаза ).

Все клетки в тканях тела животных электрически поляризованы - другими словами, они поддерживают разность напряжений на плазматической мембране клетки , известную как мембранный потенциал . Эта электрическая поляризация является результатом сложного взаимодействия между переносчиками ионов и ионными каналами .

В нейронах типы ионных каналов в мембране обычно различаются в разных частях клетки, что придает дендритам , аксонам и телу клетки разные электрические свойства. В результате некоторые части мембраны нейрона могут быть возбудимыми (способны генерировать потенциалы действия), а другие - нет.

Диэлектрическая дисперсия [ править ]

В физике диэлектрическая дисперсия - это зависимость диэлектрической проницаемости диэлектрического материала от частоты приложенного электрического поля. Поскольку существует задержка между изменениями поляризации и изменениями электрического поля, диэлектрическая проницаемость диэлектрика является сложной функцией частоты электрического поля. Диэлектрическая дисперсия очень важна для применения диэлектрических материалов и для анализа систем поляризации.

Это один из примеров общего явления, известного как материальная дисперсия : частотно-зависимый отклик среды на распространение волн.

Когда частота становится выше:

1. дипольная поляризация больше не может следовать за колебаниями электрического поля в микроволновом диапазоне около 10 ¹⁰  Гц ;
2. ионная поляризация и поляризация молекулярного искажения больше не могут отслеживать электрическое поле за пределами инфракрасной или дальней инфракрасной области около 10 ¹³ Гц;
3. электронная поляризация теряет отклик в ультрафиолетовой области около 10 ¹⁵  Гц.

В частотной области выше ультрафиолета диэлектрическая проницаемость каждого вещества приближается к постоянной ε ₀ , где ε ₀ - диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Поскольку диэлектрическая проницаемость указывает на силу связи между электрическим полем и поляризацией, если процесс поляризации теряет свой отклик, диэлектрическая проницаемость уменьшается.

Диэлектрическая релаксация [ править ]

Диэлектрическая релаксация - это мгновенная задержка (или отставание) диэлектрической проницаемости материала. Обычно это вызвано задержкой молекулярной поляризации по отношению к изменяющемуся электрическому полю в диэлектрической среде (например, внутри конденсаторов или между двумя большими проводящими поверхностями). Диэлектрическую релаксацию при изменении электрических полей можно рассматривать как аналог гистерезиса при изменении магнитных полей (например, в сердечниках индуктора или трансформатора ). Расслабление в целом - это задержка или запаздывание реакции линейной системы., и поэтому диэлектрическая релаксация измеряется относительно ожидаемых линейных стационарных (равновесных) значений диэлектрической проницаемости. Промежуток времени между электрическим полем и поляризацией подразумевает необратимую деградацию свободной энергии Гиббса .

В физике , диэлектрическая релаксация относится к реакции релаксации диэлектрической среды к внешнему, осциллирующему электрическому полю. Эта релаксация часто описывается в терминах диэлектрической проницаемости как функции частоты , которая для идеальных систем может быть описана уравнением Дебая. С другой стороны, искажение, связанное с ионной и электронной поляризацией, демонстрирует поведение резонансного или осцилляторного типа. Характер процесса искажения зависит от структуры, состава и окружения образца.

Дебай релаксация [ править ]

Дебаевская релаксация - это реакция диэлектрической релаксации идеальной невзаимодействующей совокупности диполей на переменное внешнее электрическое поле. Обычно ее выражают через комплексную диэлектрическую проницаемость среды ε как функцию угловой частоты поля ω :

${\displaystyle {\hat {\varepsilon }}(\omega )=\varepsilon _{\infty }+{\frac {\Delta \varepsilon }{1+i\omega \tau }},}$

где ε _∞ - диэлектрическая проницаемость на высокочастотном пределе, Δ ε = ε _s - ε _∞, где ε _s - статическая низкочастотная диэлектрическая проницаемость, а τ - характерное время релаксации среды. Разделение комплексной диэлектрической проницаемости на действительную и мнимую части дает: ^[10]${\displaystyle \varepsilon '}$${\displaystyle \varepsilon ''}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\varepsilon '&=\varepsilon _{\infty }+{\frac {\varepsilon _{s}-\varepsilon _{\infty }}{1+\omega ^{2}\tau ^{2}}}\\[3pt]\varepsilon ''&={\frac {(\varepsilon _{s}-\varepsilon _{\infty })\omega \tau }{1+\omega ^{2}\tau ^{2}}}\end{aligned}}}$

Диэлектрические потери также представлены тангенсом угла потерь:

${\displaystyle \tan(\delta )={\frac {\varepsilon ''}{\varepsilon '}}={\frac {\left(\varepsilon _{s}-\varepsilon _{\infty }\right)\omega \tau }{\varepsilon _{s}+\varepsilon _{\infty }\omega ^{2}\tau ^{2}}}}$

Эта модель релаксации была введена и названа в честь физика Питера Дебая (1913). ^[11] Это характерно для динамической поляризации с одним временем релаксации.

Варианты уравнения Дебая [ править ]

Уравнение Коула – Коула

Это уравнение используется, когда пик диэлектрических потерь демонстрирует симметричное уширение.

Уравнение Коула – Дэвидсона

Это уравнение используется, когда пик диэлектрических потерь демонстрирует асимметричное уширение.

Гавриляк – Негами релаксация

Это уравнение учитывает как симметричное, так и асимметричное уширение.

Функция Кольрауша – Вильямса – Уоттса

Преобразование Фурье растянутой экспоненциальной функции .

Закон Кюри – фон Швайдлера

Это показывает реакцию диэлектриков на приложенное поле постоянного тока, чтобы вести себя согласно степенному закону, который может быть выражен как интеграл по взвешенным экспоненциальным функциям.

Параэлектричество [ править ]

Параэлектричество - это способность многих материалов (особенно керамики ) поляризоваться под действием приложенного электрического поля . В отличие от сегнетоэлектричества , это может произойти, даже если в материале нет постоянного электрического диполя , а удаление полей приводит к тому, что поляризация в материале возвращается к нулю. ^[12] Механизмы, вызывающие параэлектрическое поведение, - это искажение отдельных ионов (смещение электронного облака из ядра) и поляризация молекул или комбинаций ионов или дефектов.

Параэлектричество может возникать в кристаллических фазах, где электрические диполи не выровнены и, таким образом, обладают потенциалом выравнивания во внешнем электрическом поле и его ослабления.

Примером параэлектрического материала с высокой диэлектрической проницаемостью является титанат стронция .

LiNbO 3 кристалла сегнетоэлектрика ниже 1430 K и выше этой температуры она превращается в неупорядоченной парафазе. Точно так же другие перовскиты также проявляют параэлектричество при высоких температурах.

Параэлектричество исследовалось как возможный механизм охлаждения; поляризация параэлектрика путем приложения электрического поля в условиях адиабатического процесса повышает температуру, а удаление поля снижает температуру. ^[13] Тепловой насос, который работает путем поляризации параэлектрика, позволяя ему вернуться к температуре окружающей среды (рассеивая дополнительное тепло), приводя его в контакт с охлаждаемым объектом и, наконец, деполяризуя его, приведет к охлаждению.

Возможность настройки [ править ]

Перестраиваемые диэлектрики - это изоляторы, способность которых сохранять электрический заряд изменяется при приложении напряжения. ^{[14] [15]}

Обычно титанат стронция ( SrTiO
₃) используется для устройств, работающих при низких температурах, а титанат бария-стронция ( Ba
_1-хSr
_ИксTiO
₃) заменители приборов комнатной температуры. Другие потенциальные материалы включают микроволновые диэлектрики и композиты из углеродных нанотрубок (УНТ). ^{[14] [16] [17]}

В 2013 году многослойные слои титаната стронция, чередующиеся с отдельными слоями оксида стронция, дали диэлектрик, способный работать на частоте до 125 ГГц. Материал был создан методом молекулярно-лучевой эпитаксии . У этих двух кристаллов несовпадение расстояния между кристаллами, что создает напряжение в слое титаната стронция, что делает его менее стабильным и настраиваемым. ^[14]

Такие системы, как Ba
_1-хSr
_ИксTiO
₃имеют переход параэлектрик – сегнетоэлектрик чуть ниже температуры окружающей среды, что обеспечивает высокую настраиваемость. Такие пленки несут значительные потери из-за дефектов.

Приложения [ править ]

Конденсаторы [ править ]

В промышленных конденсаторах обычно используется твердый диэлектрический материал с высокой диэлектрической проницаемостью в качестве промежуточной среды между накопленными положительными и отрицательными зарядами. Этот материал часто называют диэлектриком конденсатора . ^[18]

Наиболее очевидным преимуществом использования такого диэлектрического материала является то, что он предотвращает прямой электрический контакт проводящих пластин, на которых хранятся заряды. Однако более важно то, что высокая диэлектрическая проницаемость позволяет хранить больший заряд при заданном напряжении. Это можно увидеть, рассматривая случай линейного диэлектрика с диэлектрической проницаемостью ε и толщиной d между двумя проводящими пластинами с однородной плотностью заряда σ _ε . В этом случае плотность заряда определяется выражением

${\displaystyle \sigma _{\varepsilon }=\varepsilon {\frac {V}{d}}}$

а емкость на единицу площади - на

${\displaystyle c={\frac {\sigma _{\varepsilon }}{V}}={\frac {\varepsilon }{d}}}$

Из этого легко увидеть, что большее значение ε приводит к большему накопленному заряду и, следовательно, большей емкости.

Диэлектрические материалы, используемые для конденсаторов, также выбираются так, чтобы они были стойкими к ионизации . Это позволяет конденсатору работать при более высоких напряжениях до того, как изолирующий диэлектрик ионизируется и пропускает нежелательный ток.

Диэлектрический резонатор [ править ]

Генератор с диэлектрическим резонатором (DRO) - это электронный компонент, который демонстрирует резонанс поляризационного отклика для узкого диапазона частот, обычно в микроволновом диапазоне. Он состоит из керамической «шайбы» с большой диэлектрической проницаемостью и низким коэффициентом рассеяния . Такие резонаторы часто используются для задания частоты в цепи генератора. Неэкранированный диэлектрический резонатор может использоваться в качестве диэлектрической резонаторной антенны (ДРА).

Тонкие пленки BST [ править ]

С 2002 по 2004 год Армейская исследовательская лаборатория (ARL) проводила исследования по технологии тонких пленок. Титанат бария-стронция (BST), тонкая сегнетоэлектрическая пленка, был исследован для изготовления радиочастотных и микроволновых компонентов, таких как генераторы, управляемые напряжением, настраиваемые фильтры и фазовращатели. ^[19]

Исследование было частью усилий по обеспечению армии высоконастраиваемыми, совместимыми с микроволновым излучением материалами для устройств с широкополосной перестройкой электрического поля, которые стабильно работают при экстремальных температурах. ^[20] Эта работа улучшила возможность настройки объемного титаната бария-стронция, который является тонкопленочным активатором для электронных компонентов. ^[21]

В исследовательской работе 2004 года исследователи ARL исследовали, как небольшие концентрации акцепторных примесей могут резко изменить свойства сегнетоэлектрических материалов, таких как BST. ^[22]

Исследователи «легировали» тонкие пленки BST магнием, анализируя «структуру, микроструктуру, морфологию поверхности и качество состава пленки / подложки». Пленки BST, легированные магнием, показали «улучшенные диэлектрические свойства, низкий ток утечки и хорошую настраиваемость», что позволяет использовать их в настраиваемых микроволновых устройствах. ^[19]

Некоторые практические диэлектрики [ править ]

Диэлектрические материалы могут быть твердыми, жидкостями или газами. (Высокий вакуум также может быть полезным ^[23] диэлектриком почти без потерь, даже если его относительная диэлектрическая проницаемость равна только единице.)

Твердые диэлектрики, возможно, являются наиболее часто используемыми диэлектриками в электротехнике, а многие твердые тела являются очень хорошими изоляторами. Некоторые примеры включают фарфор , стекло и большинство пластмасс . Воздух, азот и гексафторид серы - три наиболее часто используемых газообразных диэлектрика .

• Промышленные покрытия, такие как парилен, создают диэлектрический барьер между подложкой и окружающей средой.
• Минеральное масло широко используется в электрических трансформаторах в качестве жидкого диэлектрика и для охлаждения. Диэлектрические жидкости с более высокими значениями диэлектрической проницаемости, такие как касторовое масло для электротехнического качества , часто используются в высоковольтных конденсаторах, чтобы предотвратить коронный разряд и увеличить емкость.
• Поскольку диэлектрики сопротивляются току электричества, поверхность диэлектрика может сохранять скрученные избыточные электрические заряды. Это может произойти случайно при трении диэлектрика ( трибоэлектрический эффект ). Это может быть полезно, как в генераторе Ван де Граафа или электрофоре , или может быть потенциально разрушительным, как в случае электростатического разряда .
• Специально обработанные диэлектрики, называемые электретами (которые не следует путать с сегнетоэлектриками ), могут сохранять избыточный внутренний заряд или «замораживаться» поляризацией. Электреты обладают полупостоянным электрическим полем и являются электростатическим эквивалентом магнитов. Электреты находят множество практических применений в быту и промышленности.
• Некоторые диэлектрики могут создавать разность потенциалов при воздействии механического напряжения или (что эквивалентно) изменять физическую форму, если к материалу приложено внешнее напряжение. Это свойство называется пьезоэлектричеством . Пьезоэлектрические материалы - еще один класс очень полезных диэлектриков.
• Некоторые ионные кристаллы и полимерные диэлектрики обладают спонтанным дипольным моментом, который может быть изменен внешним приложенным электрическим полем. Такое поведение называется сегнетоэлектрическим эффектом . Эти материалы аналогичны поведению ферромагнитных материалов во внешнем магнитном поле. Сегнетоэлектрические материалы часто имеют очень высокую диэлектрическую проницаемость, что делает их весьма полезными для конденсаторов.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Джексон, Джон Дэвид (10 августа 1998 г.). Классическая электродинамика (3-е изд.). Джон Вили и сыновья . ISBN 978-0-471-30932-1. 808 или 832 страницы.

• Скайф, Брендан (3 сентября 1998 г.). Принципы диэлектриков (монографии по физике и химии материалов) (2-е изд.). Издательство Оксфордского университета . ISBN 978-0198565574.

Внешние ссылки [ править ]

• Электромагнетизм - глава из онлайн-учебника
• Диэлектрическая сфера в электрическом поле.
• Учебный пакет DoITPoMS "Диэлектрические материалы"
• Тексты в Википедии:
  • « Диэлектрик ». Энциклопедия Американа . 1920 г.
  • « Диэлектрик ». Британская энциклопедия (11-е изд.). 1911 г.