Dielektrisk

Dielektrisk (isolator) (från annan grekisk διά "genom; separat", och annan grekisk ἤλεκτρον  - " bärnsten ") - ett ämne ( material ) som leder elektricitet relativt dåligt . Dielektrikas elektriska egenskaper bestäms av deras förmåga att polarisera i ett yttre elektriskt fält. Termen introducerades i vetenskapen av den engelske fysikern M. Faraday [1] .

Koncentrationen av fria laddningsbärare i dielektrikumet överstiger inte 108 cm – 3 . Inom elektrodynamik är ett dielektrikum ett medium med ett litet värde på den dielektriska förlusttangenten ( ) [2] vid den betraktade frekvensen ; i ett sådant medium är ledningsströmmen [3] mycket mindre än förskjutningsströmmen .

Under "ideal dielektrikum" menas ett medium med ett värde , andra dielektrika kallas "riktiga" eller dielektrika (media) "med förluster". Ur synvinkeln av bandteorin för en solid kropp är ett dielektrikum ett ämne med ett bandgap som är större än 3 eV .

Studiet av dielektriska egenskaper rör lagring och förlust av elektrisk och magnetisk energi i material [4] [5] . Begreppet dielektrikum är viktigt för att förklara olika fenomen inom elektronik, optik, fasta tillståndets fysik och cellulär biofysik.

Terminologi

Medan termen "isolator" antyder låg elektrisk konduktivitet, betyder dielektrisk vanligtvis material med hög polariserbarhet . Det senare uttrycks av ett tal som kallas relativ permittivitet . Termen "isolator" används vanligtvis för att hänvisa till elektrisk icke-konduktivitet, medan termen "dielektrisk" används för att betona förmågan hos ett material att lagra energi genom polarisering.

Termen "dielektrisk" myntades av William Whewell som svar på en begäran från Michael Faraday [6] [7] . Ett idealiskt dielektrikum är ett material med noll elektrisk ledningsförmåga [8] .

Fysiska egenskaper

Konventionellt inkluderar ledare material med elektrisk resistivitet ρ < 10 −5 Ohm m, och dielektrikum är material med ρ > 10 8 Ohm m. Resistiviteten hos bra ledare kan vara så låg som 10 −8 ohm m, medan den för bästa dielektrikum kan överstiga 10 16 ohm m. Resistiviteten hos halvledare , beroende på struktur och sammansättning av material, såväl som på miljöförhållanden, kan variera inom 10 −5 -10 8 Ohm m.

Metaller är bra ledare av elektrisk ström . Av de 105 kemiska grundämnena är endast 25 icke-metaller, och 12 grundämnen kan uppvisa halvledaregenskaper. Men förutom elementära ämnen är tusentals kemiska föreningar , legeringar eller kompositer kända med egenskaperna hos ledare, halvledare eller dielektrika. Det är ganska svårt att dra en tydlig gräns mellan resistivitetsvärdena för olika materialklasser. Till exempel beter sig många halvledare som dielektrikum vid låga temperaturer. Samtidigt kan dielektrika under stark uppvärmning uppvisa halvledarnas egenskaper. Den kvalitativa skillnaden är att för metaller är det ledande tillståndet grundtillståndet, medan det för halvledare och dielektrika är det exciterade tillståndet.

Utvecklingen av radioteknik krävde skapandet av material där specifika elektromagnetiska egenskaper vid radiofrekvenser kombineras med nödvändiga fysiska och mekaniska parametrar. Sådana material kallas högfrekventa. Att förstå de elektriska, magnetiska och mekaniska egenskaperna hos material, såväl som orsakerna till åldrande, kräver kunskap om deras kemiska och fassammansättning, atomära struktur och strukturella defekter.

Alternativ

Parametrarna för dielektrika bestämmer deras mekaniska ( elasticitet , styrka , hårdhet , viskositet ), termiska ( värmeutvidgning , värmekapacitet , värmeledningsförmåga ), elektriska ( elektrisk konduktivitet , polarisation , energiabsorption, elektrisk styrka ), magnetiska, optiska egenskaper och även bestämma deras elektriska, mekaniska, termiska svar på verkan av ett elektriskt fält, mekanisk stress, temperatur [9] .

Exempel

Dielektrika inkluderar olika gaser, vätskor, till exempel oljor, glas , olika hartser , plaster , etc.

Det specifika motståndet för avjoniserat vatten (se även: bidistillat ) - 18 MΩ cm.

Dielektrika inkluderar också paraelektriska - olinjära dielektrika som inte har spontan polarisation, vars relativa permittivitet minskar med ökande temperatur (strontium, kalium, kadmiumtitanater; ferroelektriska ämnen över Curie-temperaturen).

Ett antal dielektrika uppvisar intressanta fysikaliska egenskaper. Dessa inkluderar elektreter , piezoelektrik , pyroelektrik , ferroelastik , ferroelektrik , relaxatorer och ferroelektrik .

Användning

När man använder dielektrikum av en av de mest omfattande klasserna av elektriska material, var behovet av att använda både passiva och aktiva egenskaper ganska tydligt.

Dielektrikum används inte bara som isoleringsmaterial .

Passiv

De passiva egenskaperna hos dielektriska material utnyttjas när de används som elektriska isoleringsmaterial och som dielektrika i konventionella typer av kondensatorer . Elektriska isoleringsmaterial kallas dielektrika som inte tillåter läckage av elektriska laddningar, det vill säga med deras hjälp separerar de elektriska kretsar från varandra eller strömförande delar av enheter, instrument och apparater från ledande, men inte strömförande delar (från kroppen, från "marken"). I dessa fall spelar materialets dielektriska konstant inte någon speciell roll, eller så bör den vara så liten som möjligt för att inte införa parasitiska kapacitanser i kretsarna . Om ett material används som dielektrikum för en kondensator med en viss kapacitet och av de minsta dimensionerna, är det, allt annat lika, önskvärt att detta material har en stor dielektricitetskonstant.

Aktiva egenskaper hos dielektrikum

Aktiv dielektrik, vars dielektriska egenskaper beror på den applicerade spänningen, påverkan av den yttre miljön är ferroelektrik , piezoelektrik , pyroelektrik , elektroluminoforer , material för sändare och slutare i laserteknik, elektreter , etc.

Anteckningar

  1. ↑ Levanyuk A.P. Dielectrics // Physical Encyclopedia / Kap. ed. A. M. Prokhorov . - M .: Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1. - S. 694-698. - 704 sid. — 100 000 exemplar.
  2. ↑ Nikolsky V.V., Nikolskaya T.I. Elektrodynamik och utbredning av radiovågor. Moskva: Nauka, 1989.
  3. ↑ Ledningsström - riktad rörelse av elektriska laddningar
  4. ↑ Thoms, E.; Sippel, P.; et., al. Dielektrisk studie av blandningar av joniska vätskor   // Sci . Rep. : journal. - 2017. - Vol. 7 , nr. 1 . — S. 7463 . - doi : 10.1038/s41598-017-07982-3 . - . - arXiv : 1703.05625 . — PMID 28785071 .
  5. ↑ Belkin, A.; Bezryadin, A.; Hendren, L.; Hubler, A. Återvinning av nanokondensatorer av aluminiumoxid efter högspänningsavbrott   // Sci . Rep. : journal. - 2017. - Vol. 7 , nr. 1 . — S. 932 . - doi : 10.1038/s41598-017-01007-9 . - . — PMID 28428625 .
  6. ↑ Daintith, J. Biographical Encyclopedia of Scientists. - CRC Press , 1994. - P. 943. - ISBN 978-0-7503-0287-6 .
  7. ↑ James, Frank AJL, redaktör. The Correspondence of Michael Faraday, Volym 3, 1841-1848, Brev 1798, William Whewell till Faraday, sid. 442. (otillgänglig länk) . Hämtad 18 maj 2012. Arkiverad från originalet 23 december 2016.   The Institution of Electrical Engineers, London, Storbritannien, 1996. ISBN 0-86341-250-5
  8. ↑ [ [1]  i Google Books Microwave Engineering – RS Rao (Prof.)]  (eng) .
  9. ↑ Res, 1989 , sid. arton.

Länkar

Litteratur

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
 Ledande material