Учебное пособие к дисциплине для студентов заочной формы обучения по специальности 140211 «Электроснабжение»

Вид материала

Учебное пособие

Содержание 3.2. Теплофизические свойства материалов Температуры фазовых переходов. 3.3. Электрические свойства. Рис. 3.12. Зависимость поляризации Р от напряжённости электрического поля Е. Что называют сегнетоэлектрической точкой Кюри?

Подобный материал:

• Учебное пособие к дисциплине для студентов заочной формы обучения по специальности, 1219.34kb.
• Методические указания к дисциплине и задания к контрольной работе для студентов заочной, 126.92kb.
• Методические указания к дисциплине и темы рефератов для студентов заочной формы обучения, 102.72kb.
• Учебное пособие для студентов заочной формы обучения Санкт-Петербург, 1247.83kb.
• Методические указания к итоговому междисциплинарному экзамену по специальности «электроснабжение», 382.82kb.
• Н. Н. Кувшинова экология учебное пособие, 1072.88kb.
• Учебное пособие для самостоятельной работы студентов специальности 040600 «Сестринское, 1354.95kb.
• Методические указания: краткий курс лекций для студентов заочной формы обучения Санкт-Петербург, 1540.61kb.
• Учебное пособие Для студентов всех специальностей Москва 1999, 1603.73kb.
• Учебное пособие для студентов специальности «Экономика и управление на предприятии», 1271.5kb.

3.2. Теплофизические свойства материалов.


Теплофизические свойства включают в себя тепловое расширение, теплоёмкость, теплопроводность, температуропроводность, температуры и теплоты фазовых и физических переходов. Помимо этих основных свойств, для некоторых материалов отмечают ещё специфические свойства. Так, для полимерных материалов это тепло- и термостойкость, для неорганических (стёкла, керамика) – стойкость к термоударам и т.д.


3.2.1. Теплоёмкость.

Теплоёмкостью называют количество теплоты, необходимое для нагревания определённого количества вещества на 1^оС. Различают удельную теплоёмкость с, относимую к 1 г вещества, мольную теплоёмкость С, относимую к 1 молю вещества. Размерность Дж/гК и Дж/мольК соответственно. Удельные и мольные теплоёмкости можно определять при постоянном объёме (с_v и С_v ) или при постоянном давлении (с_р и С_р). Следует отметить, что для газов С_р больше, чем С_v, т.к. в первом случае нужно не только увеличивать внутреннюю энергию, но и затрачивать энергию на совершение работы расширения газа. Для твёрдых и жидких тел существенных различий между С_р и С_v нет.

Атомная теплоёмкость простых веществ, являющаяся произведением удельной теплоёмкости (в кал/гК) на атомную массу элемента согласно закону Дюлонга и Пти равна 6,3 (3R). Из этого следует, что с увеличением номера элемента удельная теплоёмкость закономерно уменьшается. В этом можно легко убедиться, заглянув в соответствуюшие справочники. Так, удельная теплоёмкость алюминия (№ 13, атомная масса 26,98) равна 0,22 кал/гК (0,94 Дж/г^.К), а висмута (№ 83, ат. масса 208,9) – 0,03 кал/гК (0,128 Дж/гК).

Удельная теплоёмкость стекла и керамики находится в диапазоне 0,83 – 1,1 Дж/гК, т.е. диапазон изменений меньше, чем у металлов.

Удельная теплоёмкость полимерных материалов находится в диапазоне от 0,92 для политрифторхлорэтилена до 2,8 для полиэтилена. На рис. 1.6 представлены области значений удельной теплоёмкости материалов различной природы в Дж/гК

Самое большое значение теплоёмкости – у жидких аммиака и воды – 4,28 Дж/г К.

Твёрдая вода (лёд) имеет теплоёмкость в 2 раза ниже – 2,14 Дж/г^. К.


Стекло,

керамика Полимеры

Металлы

________________________________________________________________

0,1 0,9 1,0 1,1 2,8 Дж/гК

Рис. 3.7. Области значений удельной теплоёмкости материалов различной природы.

3.2.2. Теплопроводность.

Теплопроводность – это вид теплообмена, при котором перенос тепловой энергии в неравномерно нагретой среде происходит без макроскопического движения среды. В газах передача теплоты теплопроводностью осуществляется хаотическим движением молекул, в металлах и полупроводниках – главным образом электронами, в полимерах, стёклах, керамике – колебанием атомов или молекул относительно их равновесного положения. Такие колебания называют фононами – квантованными порциями энергии, распространяющимися со скоростью звука в данном материале. Количество перенесённой теплопроводностью энергии пропорционально плотности и теплоёмкости. Коэффициент теплопроводности обозначают буквой  и измеряют в Вт/мК. Коэффициент теплопроводности представляет собой тепловую мощность, Вт, передаваемую через стенку площадью 1м² при градиенте температуры в ней Т/L, равном 1К/м.

За счёт электронов проводимости теплопроводность металлов более высокая, чем диэлектриков. Исключение составляют два диэлектрика – алмазная керамика (алмаз - чисто ковалентный кристалл) и оксид бериллия ВеО, причина высокой теплопроводности которых неясна.

Порядок величин теплопроводности материалов различной природы представлен на рис. 3.8.


Р
ис. 3.8. Коэффициент теплопроводности материалов различной природы.

1 – полимеры (0,1); 2 – Стекло, ситаллы ( 1); 3 – Поликор (30); 4 – Железо (75); 5 – Кремний (130); 6 – Алюминий (200); 7 – Бериллиевая керамика (219); 8 – Медь (390); 9 – Серебро (420); 10 – Алмазная теплопроводная керамика (АТК) – 450.

На этом рисунке масштаб шкалы коэффициента теплопроводности не позволяет разглядеть первый и второй ряд – полимеры и стёкла. Диаграмма начинается с третьего ряда – с поликора. Тем не менее, диапазон значений теплопроводности для различных материалов представлен наглядно.


3.2.3. Тепловое расширение.

Характеристикой теплового расширения является температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР)  = L/LТ, величина которого уменьшается по мере повышения энергии связи. Так, материалы с сильной ковалентной связью (алмаз, кремний) имеют низкий ТКЛР,  = (3 – 5) 10^-6 К^-1 , а полимеры, в которых, наряду с ковалентной связью вдоль макромолекулы действуют слабые межмолекулярные связи, имеют  = (3 – 8) 10^-5 К^-1. У металлов  =(0,8 – 3) 10^-5 К^-1, стекло и керамика имеют  = (3 – 8) 10^-6. Области ТКЛР схематично представлены на рис. 3.9.






__________________________________________________________________


1^. 10^-6 . 1^.10^-5 1^.10^-4 


Рис. 3.9. Области значений ТКЛР материалов различной природы.

Коэффициент объёмного расширения  для твёрдых веществ приближённо равен 3. Это верно для изотропных тел. Для анизотропных материалов (многие кристаллы, волокна, плёнки) коэффициент линейного расширения в разных направлениях различен.

3.2.4. Температуры фазовых переходов.

Точкой плавления называется температура, при которой кристаллическое вещество и жидкость находятся в равновесии при давлении 760 мм. рт. ст.

Температурой плавления называется температура, при которой кристаллическое вещество и жидкость находятся в равновесии при полном приложенном давлении Р, т.е. в любых, а не только в стандартных условиях. Этим подчёркивается, что температура плавления зависит от давления. Если в справочниках специально не оговорено, при каких условиях измерена температура плавления, то значит, приведенные данные соответствуют давлению 760 мм рт.ст.

Температуры плавления металлов лежат в очень широком диапазоне – от –38,87^оС у ртути до +3380^оС у вольфрама. Керамические материалы обычно имеют достаточно высокие температуры плавления. Рекордсменами среди них являются керамики на основе диоксида тория ТhО₂ (3050⁰С), карбидов циркония ZrC (3530⁰С), тантала ТаС (3877^оС), гафния НfС (3887^оС).

Кристаллизующиеся полимеры обычно имеют не точку плавления, а температурную область плавления. Весь диапазон изменений температур плавления полимеров – от –55⁰С (полигексен–1) до +700⁰С (тринитроцеллюлоза). Температуры плавления наиболее распространённых полимеров находятся в диапазоне 100 – 300⁰С.

Аморфные материалы (стёкла, аморфные полимеры) характеризуются температурой размягчения.

Вообще, для оценки поведения материалов в широком температурном интервале необходимы сведения об их хладо-, тепло-, термо-, и огнестойкости.

Теплостойкость – это деформационная устойчивость при нагревании и кратковременном нагружении.

Термостойкость – это химическая устойчивость при нагревании, т.е. сохранение исходной химической структуры.

Тепло-, термо- и огнестойкость особенно важны для оценки работоспособности органических, в частности, полимерных материалов. Для неорганических стёкол и керамики очень важна способность выдерживать без разрушения резкие смены температуры – так называемая стойкость к термоударам. Она определяется несколькими факторами: теплопроводностью , коэффициентом линейного термического расширения , прочностными характеристиками – модулем упругости Е, напряжением, при котором происходит разрушение _р. Параметром, определяющим стойкость к термоударам, является R_ту = _р  / Е  . (3.8)

Чем выше этот параметр, тем выше стойкость к термоударам. Так, щелочное стекло имеет R_ту = 0,1 ^. 10³, у А1₂О₃ – 1,4 ^. 10³, у ВеО – 11,5 ^. 10³, у медной проволоки – 95 ^. 10³. Бериллиевая керамика выдерживает 21 теплосмену с 1400 ⁰С до 20 ⁰С и 4 теплосмены с 1700 до 20⁰С. Очевидно, что количество теплосмен, выдерживаемых материалом, зависит от перепада температур и толщины образца.

Т = К ^._р ^. ( /с ^. d )^0,5 / ^. Е , (3.9)

где К – константа, d – плотность, с – удельная теплоёмкость.


Вопросы для самопроверки

1. Основные характеристики теплофизических свойств материалов, их физический смысл.
   
2. Причины различия теплофизических свойств материалов различной природы.
   
3. Обоснуйте важность теплофизической совместимости материалов в различных устройствах и конструкциях.
   
4. Какая кружка – алюминиевая или полиэтиленовая нагреется быстрее, если в них налить горячий чай, и почему?
   
5. Могут ли стёкла иметь температуру плавления выше температуры плавления полимеров?
   

3.3. Электрические свойства.


3.3.1. Проводники, полупроводники и диэлектрики.

В зависимости от отношения к электрическому полю все материалы можно разделить на 3 вида: проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводниками называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность. Полупроводниковыми материалами называют те, электропроводность которых в сильной степени зависит от вида и количества примесей и от внешних воздействий: температуры, освещённости и т.п. Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Электростатическое поле в диэлектриках вызывается их поляризацией, а существование поля обусловлено чрезвычайно малой проводимостью (чрезвычайно большим электрическим сопротивлением ).

Удельное сопротивление проводников менее 10^-5 Ом^. м, полупроводников - 10^-6  10⁺⁹ Ом^. м, диэлектриков – более 10⁷ Ом^. м. Эти различия вызваны несколькими причинами и в рамках различных теорий объясняются различным образом. Так, в металлах, являющихся проводниковыми материалами с электронной проводимостью (их ещё называют проводниками первого рода в отличие от проводников второго рода – электролитов), атомы связаны металлической связью, характеризующейся наличием делокализованных валентных электронов. В диэлектриках, напротив, практически все валентные электроны связаны ковалентными связями и электрическое поле не приводит к переносу электронов, но вызывает некоторое смещение – электронную поляризацию. В полупроводниках преобладает ковалентная связь.

С точки зрения квантовых представлений различия между проводниками, полупроводниками и диэлектриками объясняются зонной теорией твёрдого тела.

Согласно этой теории, в конденсированном состоянии, т.е. в жидком и твёрдом, энергетические уровни атомов смещаются, образуя зоны энергетических уровней. Между зонами энергетических уровней могут остаться зоны запрещённых значений энергии

Для объяснения электропроводности, теплопроводности, оптических и ряда других свойств главное значение имеют внешняя энергетическая зона, содержащая электроны, определяющие валентные состояния атомов – так называемая валентная зона и следующая за ней разрешённая, но не заполненная электронами энергетическая зона.

Электроны, находящиеся в валентной зоне, не являются свободными и не могут принимать участия в переносе зарядов. Но они могут стать свободными, если их энергетическое состояние будет соответствовать следующей разрешённой зоне энергий, называемой свободной зоной или зоной проводимости. Для этого им необходимо преодолеть зону запрещённых значений энергии – запрещённую зону.

Можно представить 2 варианта зонной структуры: 1) валентная и свободная зоны не перекрываются, а разделены запрещённой зоной; 2) валентная и свободная зоны перекрываются или соприкасаются без перекрытия. Разберём эти варианты.

Если валентная и свободная зоны перекрываются или различия между ними несущественны, электроны из валентной зоны могут легко менять энергию, переходя в свободную зону – зону проводимости. Такие материалы будут обладать электропроводностью даже при отсутствии внешних энергетических воздействий, даже при Т = 0 ⁰К.

Если валентная и свободная зоны разделены запрещённой зоной энергий, то электропроводность будет зависеть от ширины запрещённой зоны и её соотношения с обычно встречающимися значениями энергии

Тепловая энергия кТ при 300 ⁰К равна приблизительно 0,03 эВ. Электрон-Вольт (эВ) – это единица измерения энергии в атомной физике. 1эВ – это кинетическая энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов в 1 В. 1эВ = 1,6 ^. 10^-19 Дж. Энергия видимого света h равна приблизительно 3 эВ. Если ширина запрещённой зоны Е больше тепловой энергии кТ, но меньше энергии видимого света, то такие материалы будут полупроводниками. Таким образом, к полупроводникам условно относят вещества с шириной запрещённой зоны Е = 0,05 – 3 эВ, а к диэлектрикам – с Е  3 эВ.

Проводники отличаются от полупроводников и диэлектриков качественно – в проводниках отсутствует запрещённая зона. Полупроводники и диэлектрики отличаются друг от друга количественно – шириной запрещённой зоны. Поэтому многие свойства полупроводников и диэлектриков подобны. Например, с ростом температуры проводимость и тех и других возрастает, температурный коэффициент сопротивления ТК у них отрицательный. В металлических проводниках, напротив, с ростом температуры проводимость падает, ТК положительный.

Вместе с тем, количественные различия в ширине запрещённой зоны и, соответственно, в величине проводимости приводят к существенным различиям в оптических, магнитных и электрических свойствах полупроводников и диэлектриков.

В оптическом диапазоне волн диэлектрики прозрачны, а полупроводники отражают свет и обладают почти металлическим блеском. Это вызвано тем, что световые кванты с энергией около 3 эВ переводят электроны полупроводника из валентной зоны в зону проводимости. Эти свободные электроны, как и в металлах, отражают свет.

В диэлектриках такое отражение возможно при значительно большей энергии световых квантов – в ультрафиолетовой области.

В инфракрасной области, наоборот, полупроводники, в отличие от диэлектриков, прозрачны, т.к. энергии квантов этой частоты недостаточно для возбуждения свободных электронов.

То же относится и к тепловой энергии. При Т = 0 ^ОК полупроводники не имеют электронов в зоне проводимости и являются диэлектриками. В свою очередь, диэлектрики при высокой температуре могут проявлять свойства полупроводников и даже проводников.

Таким образом, следует не разделять вещества на диэлектрики, полупроводники и проводники, а различать диэлектрические, полупроводниковые и проводниковые свойства материалов.

3.3.2. Основные электрические характеристики материалов.

Проводниковые свойства материалов характеризуют величиной электропроводности  (См/м) или величиной, обратной , - удельным сопротивлением  = 1/ (Ом^.м). Допускается использование внесистемных единиц: 1 Ом^.м = 10⁶ мкОм^.м = 10⁶ Ом^.мм²/м. Сопротивление проводника произвольных размеров вычисляется по формуле R = L/S, где R – Ом,  - Омм, L – длина проводника, м, S – площадь поперечного сечения проводника, м².

Различают проводники первого и второго рода. Проводники первого рода обладают электронной проводимостью. В них проводимость  пропорциональна 1/Т и  растёт с температурой. К ним относятся все металлы. Проводники второго рода обладают ионной проводимостью, их называют электролитами. Проводимость электролитов растёт с ростом температуры

Общее уравнение электропроводности имеет вид  = qn, (3.10)

где q – заряд носителя заряда, n – число носителей заряда,  - подвижность носителя заряда. Если в материале имеются вещества, способные дисcоциировать на ионы, то рост температуры будет усиливать степень диссоциации и, соответственно, увеличивать число носителей электрического заряда и увеличивать электропроводность. Это справедливо и для диэлектриков, электропроводность которых в основном определяется присутствием ионных примесей. К твёрдым диэлектрическим материалам относятся подавляющее большинства полимеров и полимерных композиционных материалов, подавляющее большинство стёкол и керамики, многие кристаллы.

В диэлектриках различают удельное объёмное _v и удельное поверхностное _s сопротивления. Удельное объёмное сопротивление (Омм) – это отношение напряжённости электрического поля к плотности тока, проходящего через объём образца материала. Удельное поверхностное сопротивление (Ом) - это отношение напряжённости электрического тока к току на единицу ширины поверхности образца материала.

Поверхностная проводимость зависит от состояния поверхности диэлектрика, наличия слоя сорбированной влаги, толщина которого зависит от относительной влажности воздуха. Поэтому удельное поверхностное сопротивление растёт с понижением влажности воздуха.

Температурная зависимость удельного объёмного сопротивления имеет вид _v = _oe^U/RT , (3.11)

где U – энергия активации электропроводности. Для полимеров температурная зависимость lg(_v) от 1/Т имеет вид ломаной кривой с точкой излома при температуре стеклования Т_с (рис. 3.10). При этой температуре _v = 4 ^. 10¹² Ом^. м и U/RT = 466.

Кроме электропроводности характеристиками диэлектриков являются диэлектрическая проницаемость , диэлектрические потери, электрическая прочность на переменном токе (обычно 50 Гц). Все эти параметры тесно связаны с поляризацией.



lg_v

Т_с




1/T

Рис. 3.10. Температурная зависимость _v полимеров.


Поляризация заключается в изменении расположения в пространстве электрически заряженных частиц диэлектрика под действием электрического поля. Существует большое число различных физических механизмов поляризации. Основными являются электронная, ионная и дипольная поляризации, названные по типу электрически заряженных частиц диэлектрика – электронов, ионов или электрических диполей, изменяющих своё расположение в пространстве.

Электрические диполи – это молекулы, в которых центры тяжести всех положительных зарядов (ядер) и всех отрицательных зарядов (электронов) не находятся в одной точке. В этом случае молекула будет иметь постоянный электрический момент р_н = q ^. L, где q – суммарный заряд без учёта знака, L- расстояние между суммарными зарядами. Обычно р_н = 10^-30 – 10^-29 Кл ^. м.

Вещества, состоящие из молекул, имеющих постоянный электрический момент, называются полярными. Молекула будет полярной, если в её состав входят атомы различной электроотрицательности, а структура молекулы не симметрична. Полярными являются вода Н₂О, аммиак NН₃, хлористый метил СН₃С1, нитробензол С₆Н₅NO₂, поливинилхлорид - СН₂ – СНС1_n- и др.

Дипольная поляризация заключается в поворотах и ориентации электрических моментов диполей в одном направлении в диэлектрике. Она связана с тепловым движением молекул, поэтому зависит от температуры. Движению молекул препятствуют их соседи, поэтому дипольная поляризация протекает относительно медленно по экспоненциальному закону:

Р^_(t) = Р^_о^. е^-t/ , (3.12)

где t – время от начала процесса (наложения или снятия электрического поля);  - время релаксации, т.е. время, в течение которого поляризация изменится в е раз (е = 2,718..).

Время дипольной релаксации 10^-6 – 10^-10 с, поэтому дипольная поляризация наблюдается при частотах ниже 10⁶ – 10¹⁰ Гц.

В полимерах может быть минимум 2 вида дипольной поляризации – дипольно – групповая () и дипольно-сегментальная (). Дипольно – групповая поляризация – это ориентация полярных групп, содержащихся в молекулах. Дипольно-сегментальная поляризация также связана с ориентацией полярных групп, но не отдельно, а в составе сегментов – отрезков макромолекул. Каждый вид дипольной поляризации осуществляется при определённой молекулярной подвижности, делающей возможной такую ориентацию. Дипольно-сегментальная подвижность осуществляется при нагревании полимера выше температуры стеклования Т_с (так называемый основной или -переход), а дипольно-групповая подвижность осуществляется при нагревании до температур, при которых размораживается подвижность соответствующих отдельных полярных групп (температуры вторичных ,  - переходов).

Ионная поляризация наблюдается у диэлектриков ионного строения, например, NaCl, TiO₂, PbO и заключается в упругом смещении разноимённо заряженных ионов относительно положения равновесия в кристаллической решётке. Устанавливается за 10^-13 с, поэтому не сопровождается потерями энергии.

Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков независимо от наличия других видов поляризации и заключается в упругом смещении электронных облаков относительно атомных ядер. Она не зависит от температуры, устанавливается при наложении электрического поля и исчезает при снятии поля очень быстро - за 10^-15 с, поэтому не сопровождается потерями энергии. Скорость установления электронной поляризации сравнима с периодом световых колебаний, поэтому она проявляется во всех частотах электрического поля, вплоть до оптических.

В неполярных диэлектриках, не имеющих ионных примесей, например, Н₂, О₂, Не, СС1₄ – четырёххлористый углерод, С₆Н₆ – бензол, -СН₂ – СН₂]_n- полиэтилен, проявляется практически только электронная поляризация.

О поляризации можно судить по диэлектрической проницаемости . Диэлектрическая проницаемость характеризует способность диэлектрика образовывать ёмкость.  = С/С₀, (3.13)

где С – ёмкость конденсатора с данным диэлектриком; С₀ – ёмкость того же конденсатора, но вместо диэлектрика – вакуум. Помимо диэлектрической проницаемости , удельных сопротивлений _v и _s, важным параметром диэлектриков является тангенс угла диэлектрических потерь tg, характеризующий потери энергии при прохождении электрического тока через конденсатор с диэлектриком.

Поведение диэлектриков при изменении частоты электрического поля, температуры и прочее определяется видом поляризации, преобладающим в данном диэлектрике. Так, в диэлектриках с преобладающей электронной поляризацией (неполярные диэлектрики)  и tg практически не зависят от частоты электрического поля, а с ростом температуры  слабо уменьшается, tg возрастает. Уменьшение  объясняется температурным расширением вещества и связанным с этим уменьшением поляризующихся частиц в единице объёма, а увеличение tg - c увеличением проводимости.

У диэлектриков с преобладающей дипольной поляризацией (полярные диэлектрики) до определённой частоты (f_кр)  не изменяется, а затем снижается, приближаясь при высоких частотах к значениям, характерным для неполярных диэлектриков. Снижение  объясняется тем, что выше f_кр поляризация не успевает за изменениями поля.

Зависимость tg полярных диэлектриков от частоты экстремальна; максимум соответствует такой частоте, при которой наблюдается наибольшая затрата энергии на повороты и ориентацию диполей из-за сопротивления вязкой среды.

Также экстремальна у полярных диэлектриков зависимость  и tg  от температуры. Максимум зависимости  от температуры объясняется тем, что повышение температуры вызывает, с одной стороны, уменьшение вязкости системы, что облегчает ориентацию диполей, а, с другой стороны, – усиливает хаотическое движение в системе, что затрудняет ориентацию диполей. Максимум на температурной зависимости tg соответствует такой температуре, при которой затраты энергии на преодоление диполями сопротивления вязкой среды будут наибольшими. При повышении частоты температурный максимум сдвигается вправо в область более высоких температур. Аналогично, частотный максимум tg при увеличении температуры сдвигается вправо в область более высоких частот. Отмеченная аналогия обусловлена единым релаксационным механизмом поляризации

Для каждой температуры характерна своя частота, при которой наблюдается максимум, так называемая критическая частота _кр. Между критической частотой и временем релаксации  существует простое соотношение:

_кр = 1. (3.14).

Это – условие максимума диэлектрических потерь в полярном диэлектрике при данной температуре. Типичные графики представлены на рисунках 3.11.

В диэлектриках с ионной поляризацией в температурных и частотных зависимостях  и tg строгих закономерностей не наблюдается.

В большинстве диэлектриков поляризованность Р пропорциональна напряжённости электрического поля Е. Такие диэлектрики называют линейными. Вместе с тем существует большая группа материалов, в которых поляризация нелинейно зависит от напряжённости электрического поля, – такие материалы называют нелинейными диэлектриками. В нелинейных диэлектриках наблюдается резко выраженная зависимость  и, соответственно, ёмкости конденсатора С от Е или от приложенного напряжения U. Представителем таких диэлектриков являются сегнетоэлектрики. Сегнетоэлектрики обладают спонтанной поляризацией, возникающей под влиянием внутренних процессов в диэлектрике, без внешних воздействий. Области спонтанной поляризации в материале называют сегнетоэлектрическими доменами. Внутри каждого домена направление поляризации самопроизвольно устанавливается в одну сторону.







  2

2




1 1  Т



tg tg 2 2

1

1



 Т

Рис. 3.11. Частотные и температурные зависимости  и tg полярных и неполярных диэлектриков. 1 – неполярный диэлектрик; 2 – полярный диэлектрик.


По мере увеличения напряжённости электрического поля Е вначале наблюдается линейный участок (упругая обратимая поляризация), затем происходит перестройка доменной структуры, сопровождаемая смещением доменных стенок. На последнем участке наблюдается опять упругая поляризация вплоть до насыщения. При уменьшении поля часть поляризованности Р_о остаётся – это остаточная поляризованность. Для изменения вектора поляризации требуется приложить поле обратной полярности. Напряжённость электрического поля, при которой поляризация станет равной нулю, называют коэрцитивной силой Е_с. При циклическом изменении напряжённости электрического поля кривая поляризации будет описывать замкнутую фигуру, называемую петлёй гистерезиса. Площадь гистерезисной петли пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период.

При увеличении температуры домены разрушаются и сегнетоэлектрические свойства (спонтанная поляризованность Р, большие значения диэлектрической проницаемости ) исчезают и сегнетоэлектрик превращается в параэлектрик, - тоже нелинейный диэлектрик, но не обладающий спонтанной поляризацией. Температура, при которой происходит этот переход, называется сегнетоэлектрической точкой Кюри.





Рис. 3.12. Зависимость поляризации Р от напряжённости электрического поля Е.


Первым веществом, в котором обнаружены такие свойства, была сегнетова соль NaКС₄Н₄О₆  4Н₂О. В ней сегнетоэлектрические свойства проявляются вдоль одной оси кристалла в области температур от –18 до +23 ^оС. В настоящее время создано и изучено большое количество веществ, обладающих сегнетоэлектрическими свойствами. Одним из важнейших сегнетоэлектрических материалов является титанат бария ВаTiО₃ и материалы на его основе.

8000  8000 




6000


4000 4000


2000






4 8 12 Е, кВ/см 100 300 500 Т, К


Рис. 3.13. Зависимость  от Е сегнетоэлектрика.

Рис. 3.14. Зависимость  от Т сегнетоэлектрика.


Сегнетоэлектрики относятся к активным диэлектрикам, т.е. к диэлектрикам, способным генерировать, преобразовывать или усиливать электрические сигналы в электрических цепях. К активным диэлектрикам относятся ещё пьезоэлектрики, пироэлектрики, материалы квантовой электроники, электрооптические и нелинейнооптические материалы – жидкие кристаллы и электреты.

В любых диэлектриках по мере увеличения напряжения рано или поздно произойдёт пробой диэлектрика. Это равносильно короткому замыканию между электродами. Минимальное приложенное к диэлектрику электрическое напряжение, вызывающее его пробой, называют пробивным напряжением диэлектрика U_пр. Пробивное напряжение, естественно, зависит от толщины диэлектрика h, однако эта зависимость не линейная – наблюдается запаздывание увеличения U_пр при увеличении h.

U_пр = Е_пр ^. h (3.17)

где Е_пр – электрическая прочность диэлектрика, то есть минимальная напряжённость однородного электрического поля, приводящая к пробою.

По физической сущности развития различают несколько типов пробоя. Основными являются чисто электрический и тепловой.

Чисто электрический пробой представляет собой непосредственное разрушение структуры диэлектрика силами электрического поля, воздействующими на электрически заряженные частицы в диэлектрике. Величина электрической прочности при чисто электрическом пробое изменяется для данного материала в достаточно узком интервале, поэтому может считаться параметром материала. Чисто электрический пробой развивается практически мгновенно.

Тепловой пробой связан с нагревом диэлектрика в электрическом поле в результате диэлектрических потерь. Нагрев диэлектрика вызывает возрастание tg и, соответственно, величины диэлектрических потерь Р.

Р = U²C tg , (3.18)

где U – напряжение, приложенное к диэлектрику, В;  - круговая частота электрического поля, рад/с ( = 2f); С – ёмкость, образованная диэлектриком, Ф; tg  = тангенс угла диэлектрических потерь.

Рост диэлектрических потерь приводит к разогреву диэлектрика. Процесс идёт, всё усиливаясь, и в результате диэлектрик может расплавиться, обуглиться и видоизмениться так, что его собственная электрическая прочность снизится настолько, что произойдёт пробой. При этом не обязательно, чтобы разогрелся весь диэлектрик. Достаточно разогрева какого-нибудь места диэлектрика, в котором теплоотдача хуже или потери выше. Таким образом, тепловой пробой представляет собой электрический пробой, возникновение которого подготовлено предварительным разогревом части диэлектрика в результате диэлектрических потерь.

Для одного и того же диэлектрического материала переход из области чисто электрического пробоя (с электрической прочностью, не зависящей или мало зависящей от температуры и частоты) в область теплового пробоя (с выраженной зависимостью от температуры и частоты) может произойти при возрастании температуры, при переходе от постоянного напряжения к переменному, при увеличении частоты или ухудшении условий теплообмена.

В полупроводниках носителями электрического заряда являются электроны и дырки. Электроны проводимости – это те электроны, которые преодолели запрещённую зону и находятся в зоне проводимости. Дырки – это вакансии, образовавшиеся после перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Заряд дырки положительный. Он возник в результате нарушения баланса положительных зарядов атомных ядер и отрицательных зарядов электронов после перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Подвижность  (смотри формулу 1.3) электронов и дырок различна, а измеряется в см²/В^.с. В подавляющем большинстве случаев подвижность электронов выше подвижности дырок. Полупроводники с электронной проводимостью называют электронными полупроводниками или проводниками п-типа (от negative – отрицательный), а с дырочной проводимостью – дырочными полупроводниками или р-типа (от positive – положительный).

В химически чистых, не содержащих примесей полупроводниках количество электронов и дырок одинаково (п = р). Они называются собственными полупроводниками. Полупроводники, содержащие примеси (реальные полупроводники) называют примесными. Примеси в полупроводниках принято делить на донорные и акцепторные. Донорные создают электронную проводимость, они являются поставщиками электронов. Акцепторные примеси создают дырочную проводимость, являются поставщиками дырок.

Регулируя вид и количество примесей, можно создать в одном кристалле полупроводникового вещества области с различным типом проводимости. Контакты между такими областями получили название электронно-дырочного перехода или р-п перехода. На границе р-п перехода формируются объёмные заряды противоположного знака, образующие контактное электрическое поле. Благодаря этому р-п переход обладает способностью выпрямлять переменный электрический ток, играя роль вентиля. Именно этим определяется применение примесных полупроводников в электронном приборостроении.

Атомы примесей могут замещать в кристаллической решётке атомы полупроводникового вещества или находиться в межузлие. Образующиеся дефектные структуры называются структурами замещения в первом случае и структурами внедрения во втором случае. Кристаллические структуры подобного типа относятся к твёрдым растворам. Твёрдые растворы могут образовываться не только при введении в полупроводник атомов примесей, но и при совместной кристаллизации двух или более веществ. Наибольшее значение имеют твёрдые растворы замещения. Они образуются в том случае, если значения электроотрицательности и атомные радиусы замещающих друг друга атомов близки. Чем меньше различия между замещающимися атомами, тем в более широкой области составов образуются структуры твёрдых растворов.

Полупроводникам присущи многие свойства диэлектриков. Так, в них возможна поляризация и одной из характеристик полупроводников является диэлектрическая проницаемость .

Вопросы для самопроверки

1. Приведите общую классификацию материалов по электрическим свойствам. Что общего и в чём различия между ними?
   
2. Какие основные виды проводников электрического тока вам известны?
   
3. Что называется поляризацией диэлектрика? Какие виды поляризации можно считать мгновенными, а какие являются замедленными?
   
4. Что понимать под линейными и нелинейными, полярными и неполярными диэлектриками?
   
5. Каков механизм электропроводности твёрдых диэлектриков? Как влияет температура на их удельную проводимость?
   
6. Что называют сегнетоэлектрической точкой Кюри?