Диэлектрические материалы и их свойства: Основные характеристики диэлектрических материалов — Студопедия

Содержание

Диэлектрик — Википедия

Диэле́ктрик (изолятор) (от греч. dia — через и англ. electric — электрический) — вещество (материал), относительно плохо проводящее электрический ток. Электрические свойства диэлектриков определяются их способностью к поляризации во внешнем электрическом поле. Термин введён английским физиком М. Фарадеем[1].

Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 см−3. С точки зрения электродинамики диэлектрик — среда с малым на рассматриваемой частоте значением тангенса угла диэлектрических потерь ( t g δ ≪ 1 {\displaystyle \mathrm {tg} \,\delta \ll 1} )[2], в такой среде сила тока проводимости[3] много меньше силы тока смещения. Под идеальным диэлектриком понимают среду со значением t g δ = 0 {\displaystyle \mathrm {tg} \,\delta =0} , прочие диэлектрики называют реальными или диэлектриками (средами) с потерями. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.

Физические свойства

Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10−5 Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых ρ > 108 Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10−8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 1016 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10−5—108 Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причём двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Чёткую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков — возбуждённым.

Развитие радиотехники потребовало создания материалов, в которых специфические электромагнитные свойства на радиочастотах сочетаются с необходимыми физико-механическими параметрами. Такие материалы называют высокочастотными. Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов, а также причин старения нужны знания их химического и фазового состава, атомной структуры и структурных дефектов.

Удельное сопротивление деионизированной воды (см. также: бидистиллят) — 18 МОм·см.

Параметры

Параметры диэлектриков определяют их механические (упругость, прочность, твердость, вязкость), тепловые (тепловое расширение, теплоемкость, теплопроводность), электрические (электропроводность, поляризация, поглощение энергии, электрическая прочность), магнитные, оптические свойства, а также определяют их электрический, механический, тепловой отклики на воздействие электрического поля, механического напряжения, температуры[4].

Примеры

К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стёкла, различные смолы, пластмассы.

Ряд диэлектриков проявляют интересные физические свойства. К ним относятся электреты, пьезоэлектрики, пироэлектрики, сегнетоэластики, сегнетоэлектрики, релаксоры и сегнетомагнетики.

Использование

При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств.

Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы.

Пассивные свойства

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, то есть с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных ёмкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определённой ёмкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

Активные свойства диэлектриков

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

Примечания

Ссылки

Литература

Диэлектрические материалы.

    1. Классификация и общие свойства диэлектриков. Температурные зависимости.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.

— вещества, способные поляризоваться в электрическом поле. В них существует внутреннее электрическое поле и равномерное распределение потенциалов.

Носители заряда в диэлектриках:

  1. В газах

  1. Положительные и отрицательные ионы. Причина: ионизация молекул газа.

  2. Электроны в сильных полях.

  1. В жидкостях

  1. Ионы. Причина: диссоциация молекул жидкости.

  2. Коллоидные заряженные частицы в эмульсиях и суспензиях.

  1. В твердых

  1. Ионы.

  2. Дефекты кристаллической решетки.

  3. Электроны или дырки проводимости.

Бывают полярные и неполярные.

Рисунок 50.

Основные электрические свойства диэлектриков:

  1. Поляризация

  2. Электропроводность

  3. Диэлектрические потери

  4. Электрическая прочность

При расчетах на постоянном токе учитывают только сквозной ток.

    1. Поляризация диэлектриков. Виды поляризации.

Поляризация – процесс смещения и упорядочения зарядов в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Численной мерой поляризации является поляризованность диэлектрика – количество электрического момента в единице объема диэлектрика:

где dp — электрический момент элемента диэлектрика;

dV – объем элемента диэлектрика

— напряженность внешнего электрического поля, В/м,

— диэлектрическая постоянная,

— относительная диэлектрическая проницаемость.

Поляризация определяет свойство диэлектриков образовывать электрическую емкость. В то же время поляризация диэлектриков, происходящая с затратами энергии и выделением теплоты, вызывает потери электрической энергии в материалах-изоляторах, особенно на высоких частотах, когда процессы поляризации диэлектрика повторяются большее количество циклов в единицу времени. Поэтому поляризацию описывают параметрами диэлектрика

и.

Различают несколько видов поляризации.

2.2.1. Упругая поляризация – совершается в диэлектрике без выделения энергии и рассеяния тепла. Различают электронную и ионную упругие поляризации

Электронная поляризация – упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов, приводящая к разделению геометрических центров положительного и отрицательного зарядов в атоме. Для установления требуемся минимальное время – 10-15с, т.е. образуется практически мгновенно. Поляризуемость при электронной поляризации не зависит от температуры, а диэлектрическая проницаемость плавно уменьшается с повышением температуры в связи с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением количества атомов в единице объема (рис. 2.2). Электронная поляризация наблюдается у всех диэлектриков независимо от их химического состава и внутренней структуры.

Ионная поляризация – упругое смещение ионов – узлов кристаллической решетки, характерна для материалов с ионным строением. С повышением температуры усиливается благодаря ослаблению межионных сил. Время установления поляризации 10-13с – больше, чем у электронной поляризации, так как ионы массивнее.

Так как процессы электронной и ионной поляризации происходят практически мгновенно, величина деэлектрической проницаемости материалов с упругой поляризацией постоянна и от частоты не зависит.

2.2.2. Релаксационная (неупругая) поляризация – медленные виды поляризации. Для их осуществления требуется затратить определенную энергию, которая затем выделяется в виде тепла при возвращении диэлектрика в исходное состояние. Различают дипольно-релаксационную, ионно-релаксационную, электронно-релаксационную, резонансную и миграционную виды поляризации.

Дипольно-релаксационная поляризация характерна для веществ с дипольным строением и вызывается переориентацией молекул-диполей в приложенном к диэлектрику внешнем электрическом поле. В зависимости от массы, плотности упаковки и размеров диполей время установления поляризации сставляет 10-10..10-2 с. После снятия поля, вызвавшего поляризацию, они возвращаются в исходное хаотичное состояние под действием теплового движения частиц, при этом поляризованность материала убывает по закону

(1.2)

где — поляризованность диэлектрика в момент снятия внешнего поля, Кл/м2,

— время релаксации (время, за которое количество упорядоченных диполей убывает в е раз), с.

Зависимость дипольной поляризации от температуры изображена на рис. 2.3. Спад графика в области низких температур обусловлен плотной упаковкой ионов и трудностью их переориентации, а в области высоких температур – малым количеством диполей, приходящимся на единицу объема диэлектрика.

Рис. 2.3. Зависимость дипольно-релаксационной поляризации от температуры

Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается у всех полярных веществ. У твердых диэлектриков поляризация вызывается не поворотом самой молекулы, а смещением имеющихся в ней полярных радикалов, например, Na

+ и Cl в молекуле поваренной соли.

С увеличением частоты дипольная поляризация и диэлектрическая проницаемость убывают, поэтому полярные диэлектрики являются частотно-зависимыми и не применяются на высоких частотах.

Ионно-релаксационная поляризация наблюдается в материалах с неплотной упаковкой ионов и вызвана физическим перемещением ионов в вакансии кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля. После снятия поля поляризация постепенно ослабевает. Наблюдается только для твердых веществ (рис. 3.х), так как в расплавленном состоянии ионы становятся свободными и материал становится проводником с электролитической проводимостью.

Рис. 3.х. Зависимость ионно-релаксационной поляризации

от температуры

Электронно-релаксационная поляризация вызвана перемещением от одного иона к другому (в направлении поля) избыточных (дефектных) электронов и дырок. Характерна для веществ с электронной электропроводностью, имеет центральный максимум в зависимости и уменьшается с ростом частоты.

Резонансная поляризация. Наблюдается в диэлектриках на световых частотах и обусловлена резонансом собственных колебаний (вращения) электронов или ионов и частоты внешнего электромагнитного поля (света). На практике не применяется и практически не влияет на свойства диэлектрика в области частот, используемой электроникой и микроэлектроникой.

Миграционная поляризация – проявляется в твердых телах неоднородной структуры при макроскопических неоднородностях и наличии примесей. Причинами поляризации являются наличие проводящих и полупроводящих включений в реальных технических диэлектриках(бумага, ткань). При миграционной поляризации электроны и ионы перемещаются в пределах проводящих включений, образуя большие поляризованные области. Данная поляризация связана с большими потерями энергии и наблюдается уже на низких частотах, время релаксации таких диэлектриков – минуты и секунды.

В реальных диэлектриках проявляется несколько видов поляризации одновременно, поэтому частотные и температурные зависимости поляризованности , диэлектрической проницаемостии тангенса угла диэлектрических потерьусложняются. По виду поляризации различают четыре группы диэлектриков:

  1. Диэлектрики в основном с электронной поляризацией. Это неполярные и слабополярные вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, полистирол, полиэтилен). Используют в качестве высокочастотных диэлектриков — изоляторов.

  2. Диэлектрики с электронной и дипольно-релаксационной поляризацией. Это полярные органические, полужидкие и твердые материалы (смолы, целлюлоза). Используют в качестве низкочастотных диэлектриков – изоляторов и в низкочастотных конденсаторах.

  3. Твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и релаксационной поляризацией (слюда, кварц, стекло, керамика, ситаллы). Используются в качестве диэлектриков в высокочастотных конденсаторах и как изоляторы.

  4. Сегнетодиэлектрики, обладающие всеми видами поляризации. Используются как активные (управляемые) диэлектрики.

Благодаря поляризации изменяется электрическое поле внутри диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость характеризует ослабление внешнего поля внутренним:

где — внешнее электрическое поле, В/м,

— внутреннее электрическое поле, В/м,

— электрическое смещение, Кл/м2,

— поверхностная плотность связанных зарядовна пластинах конденсатора при наличии диэлектрика, Кл/м2,

— добавочная поверхностная плотность заряда, возникающая благодаря поляризации диэлектрика, Кл/м2

— поверхностная плотность заряда на пластинах воздушного конденсатора, Кл/м2

Для получения необходимых свойств, например, минимума температурного коэффициента емкости ТКЕ, в электрических конденсаторах может применяться сложный диэлектрик, состоящий из смеси простых материалов с разными величинами диэлектрической проницаемости. В случае использования такого диэлектрика его эффективная диэлектрическая проницаемость рассчитывается по формуле Лихтенеккера: для случая хаотического распределения компонентов:

,

где 1 и 2 – объемные концентрации(доли) компонентов.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ.

— процесс смещения и упорядочения носителей заряда под действием электрического поля

— состояние вещества, при котором элементарный его объем приобретает электрический момент

Причины: внешнее электрическое поле, механическое напряжение, освещенность и другие факторы внешней среды, спонтанная поляризация.

Рисунок 51.

Поляризация – причина появления электрической емкости.

Диэлектрики:

1) линейные – изоляция, кондесы постоянной емкости

2)нелинейные – датчики, кондесы управляемого напряжения

Рисунок 52.

Полярные состоят из полярных молекул (вода). Неполярные – из неполярных, у которых электрический момент = 0 (газы, поваренная соль).

Виды поляризации:

  1. Быстрая поляризация (упругая) – происходит без рассеяния энергии.

  1. Электронная поляризация – смещение электронного облака относительно центра ядра атома. Время возникновения и ликвидации – 10^-14…10^-15 с. Поляризуемость не зависит от температуры, но диэлектрическая проницаемость зависит. Рисунок 53.

  2. Резонансная поляризация – возникает при совпадении частот вращения электронов с изменением магнитного поля.

  3. Ионная поляризация – смещение друг относительно друга положительных и отрицательных ионов. Время установления – 10^-11 с. Пример: поваренная соль. С ростом температуры параметры растут.

  1. Релаксационная

На ее создание тратится энергия, выделяемая в виде тепла, диэлектрические потери на переменном токе.

Разновидности:

  1. Дипольная релаксационная поляризация – поворот и ориентация молекул диполей по направлению поля.

Рисунок 54.

Время установления: 10^-2…10^-10 с.

Тау – время релаксации.

  1. Ионно-релаксационная поляризация – перемещение ионов от одного атома к другому в веществах с неполной упаковкой электронов. Пример: стекло.

Рисунок 55.

В жидком – проводники с электролитической проводимостью.

  1. Электронно – релаксационная – переход электрона к другому атому при поляризации.

Время установления: 10^-2…10^-5 с для комнатной температуры.

  1. Миграционная – наблюдается в неоднородных диэлектриках с проводящими включениями. Пример: бумага.

Рисунок 56.

Низкочастотная поляризация. Время релаксации: минуты и часы.

  1. Спонтанная поляризация. Фаза – состояние кристаллической решетки, ее структура.

В различных веществах возможно изменение фазы без изменения агрегатного состояния. Изменение фазы в диэлектриках может приводить к спонтанной поляризации – сегнетоэлектрики. Диэлектрическая проницаемость – до 10^5. Вид диэлектриков – нелинейные. Используются в датчиках.

Диэлектрическая проницаемость смеси.

Рисунок 57.

Электропроводность диэлектриков. Виды диэлектриков, их свойства и применение

Электропроводность диэлектриков является важной физической характеристикой. Информация о ней позволяет выявлять сферы применения материалов.

Термины

По проводимости электрического тока вещества подразделяют на группы:

  • диэлектрики;
  • полупроводники;
  • проводники.

Отлично проводят ток металлы — величина их удельной электропроводимости достигает 106-108 (Ом · м)-1.

А диэлектрические материалы не способны проводить электрический ток, поэтому они применяются в качестве изоляторов. Они не имеют свободных носителей зарядов, отличаются дипольным строением молекул.

Полупроводниками же являются твердые материалы, имеющие промежуточные значения проводимости.

электропроводность диэлектриков

Классификация

Все диэлектрические материалы подразделяют на полярные и неполярные виды. У полярных изоляторов центры положительных и отрицательных зарядов смещены от центра. Молекулы таких веществ по своим электрическим параметрам аналогичны жесткому диполю, имеющему свой дипольный момент. В качестве полярных диэлектриков можно привести воду, аммиак, хлороводород.

Неполярные диэлектрики отличаются совпадением центров положительных и отрицательных зарядов. Они сходны по электрическим характеристикам упругому диполю. Примерами таких изоляторов являются водород, кислород, тетрахлорметан.

диэлектрические материалы

Электропроводность

Электропроводность диэлектриков объясняется присутствием в их молекулах незначительного числа свободных электронов. При смещении зарядов внутри вещества за некоторый промежуток времени, наблюдается постепенное установление равновесного положения, что и является причиной появления тока. Электропроводность диэлектриков существует в момент выключения и включения напряжения. Технические образцы изоляторов имеют максимальное количество свободных зарядов, поэтому в них появляются незначительные сквозные токи.

Электропроводность диэлектриков в случае постоянного значения напряжения вычисляется по сквозному току. Данный процесс предполагает выделение и нейтрализацию на электродах имеющихся зарядов. В случае переменного напряжения на величину активной проводимости влияет не только сквозной ток, но и активные компоненты поляризационных токов.

Электрические свойства диэлектриков зависят от плотности тока, сопротивления материала.

виды изоляции

Твердые диэлектрики

Электропроводность твердых диэлектриков подразделяют на объемную и поверхностную. Для проведения сравнения этих параметров у различных материалов применяют значения объемного удельного и поверхностного удельного сопротивления.

Полная проводимость суммируется из двух этих величин, ее величина зависит от влажности среды и температуры окружающего воздуха. В случае продолжительной работы под напряжением, наблюдается уменьшение сквозного тока, проходящего через жидкие и твердые изоляторы.

А в случае увеличения тока через некоторый промежуток времени, можно вести речь о том, что внутри вещества будут протекать необратимые процессы, ведущие к разрушению (пробой диэлектрика).

газообразные диэлектрики

Особенности газообразного состояния

Газообразные диэлектрики имеют незначительную электропроводность в том случае, если напряженность поля принимает минимальные значения. Возникновение тока в газообразных веществах возможно только в тех случаях, когда в них присутствуют свободные электроны либо заряженные ионы.

Газообразные диэлектрики являются качественными изоляторами, поэтому используются в современной электронике в больших объемах. Ионизация в таких веществах обуславливается внешними факторами.

Из-за соударений ионов газа, а также при термическом воздействии, ультрафиолетовом или рентгеновском действии, наблюдается и процесс образования нейтральных молекул (рекомбинация). Благодаря этому процессу ограничивается увеличение количества ионов в газе, устанавливается определенная концентрация заряженных частиц через короткий временной промежуток после воздействия внешнего источника ионизации.

В процессе возрастания напряжения, прикладываемого к газу, увеличивается движение ионов к электродам. Они не успевают рекомбинироваться, поэтому осуществляется их разряжение на электродах. При последующем повышении напряжения ток не возрастает, его именуют током насыщения.

Рассматривая неполярные диэлектрики, отметим, что воздух является совершенным изолятором.

неполярные диэлектрики

Жидкие диэлектрики

Электропроводность жидких диэлектриков объясняется особенностями строения молекул жидкости. В неполярных растворителях существуют диссоциированные примеси, включая и влагу. В полярных молекулах проводимость электрического тока объясняется также процессом распада на ионы самой жидкости.

В этом агрегатном состоянии ток также вызывается движением коллоидных частиц. Из-за нереальности полного выведения из такого диэлектрика примесей, возникают проблемы получения жидкостей с незначительной проводимостью тока.

Все виды изоляции предполагают поиск вариантов снижения удельной проводимости диэлектриков. Например, удаляют примеси, корректируют температурный показатель. Повышение температуры вызывает снижение вязкости, возрастание подвижности ионов, рост степени тепловой диссоциации. Данные факторы воздействуют на величину удельной проводимости диэлектрических материалов.

электропроводность твердых диэлектриков

Электропроводность твердых тел

Она объясняется перемещением не только ионов самого изолятора, но и заряженных частиц примесей, содержащихся внутри твердого материала. По мере прохождения через твердый изолятор происходит частичное удаление примесей, что постепенно сказывается на проводимости тока. Учитывая особенности строения кристаллической решетки, перемещение заряженных частиц обусловлено флуктуацией теплового движения.

При невысоких температурах происходит движение положительных и отрицательных ионов примесей. Такие виды изоляции характерны для веществ с молекулярной и атомной кристаллической структурой.

Для анизотропных кристаллов величина удельной проводимости меняется в зависимости от его осей. К примеру, в кварце в направлении, расположенном параллельно основной оси, она превышает в 1000 раз перпендикулярное положение.

В твердых пористых диэлектриках, где практически нет влаги, незначительное повышение электрического сопротивления приводит к повышению их электрического сопротивления. У веществ, которые содержат примеси, растворимые в воде, наблюдается существенное уменьшение объемного сопротивления из-за изменения влажности.

Поляризация диэлектриков

Данное явление связано с изменением положения частиц изолятора в пространстве, которое приводит к приобретению каждым макроскопическим объемом диэлектрика некоторого электрического (индуцированного) момента.

Существует поляризация, которая возникаем под воздействием внешнего поля. Также выделяют самопроизвольный вариант поляризации, появляющейся даже при отсутствии действия внешнего поля.

Относительная диэлектрическая проницаемость характеризуется:

  • емкостью конденсатора с этим диэлектриком;
  • ее величиной в вакууме.

Сопровождается этот процесс возникновением на поверхности диэлектрика связанных зарядов, которые уменьшают внутри вещества величину напряженности.

В случае полного отсутствия внешнего поля отдельный элемент объема диэлектрика не обладает электрическим моментом, поскольку сумма всех зарядов равна нулю и наблюдается совпадение отрицательных и положительных зарядов в пространстве.

электропроводность жидких диэлектриков

Варианты поляризации

При электронной поляризации происходит смещение под воздействием внешнего поля электронных оболочек атома. В ионном варианте наблюдается смещение узлов решетки. Для дипольной поляризации характерны потери на преодоление внутреннего трения и сил связи. Структурный же вариант поляризации считается самым медленным процессом, он характеризуется ориентацией неоднородных макроскопических примесей.

Заключение

Электроизоляционные материалы представляют собой вещества, которые позволяют получать надежную изоляцию некоторых составных частей электрического оборудования, находящегося под определенными электрическими потенциалами. В сравнении с проводниками тока, у многочисленных изоляторов значительно большее электрическое сопротивление. Они способны создавать сильные электрические поля и накапливать дополнительную энергию. Именно это свойство изоляторов применяют в современных конденсаторах.

В зависимости от химического состава, их подразделяют на природные и синтетические материалы. Самой многочисленной является вторая группа, поэтому именно эти изоляторы применяют в разнообразных электрических приборах.

В зависимости от технологических характеристик, структуры, состава, выделяют пленочные, керамические, восковые, минеральные изоляторы.

При достижении величины пробивного напряжения, наблюдается пробой, приводящий к резкому возрастанию величины электрического тока. Среди характерных признаков подобного явления можно выделить незначительную зависимость прочности от напряжения и температуры, толщины.

Свойства твердых диэлектриков

E = E0 − χE , (14)

или

E0 = E(1+ χ) . (15)

Величину

ε = 1+ χ (16)

называют диэлектрической проницаемостью диэлектрика. Кроме того, электрическое поле в

веществе характеризуют величиной

r

которую

называют вектором электрической

D ,

индукции или электрическим смещением:

 

 

 

 

r

r

 

 

 

D = εε0 E , (17)

и, следовательно

 

 

 

 

r

r r

r

r

D = ε0 E + P или

D = ε0 (1

+ χ)E . (18)

В вакууме χ = 0,ε = 1. В

веществе

χ > 0,ε > 1.

Эти параметры зависят от свойств

диэлектрика, от условий, в которых он находится, например, от температуры, давления, напряженности поля E и др.

Плотные среды (жидкости, твердые тела) поляризуются заметно сильнее, чем газы. Это объясняется, во-первых, тем, что с возрастанием плотности вещества увеличивается концентрация микроскопических диполей, а во-вторых, тем, что при плотном расположении частицы сильнее влияют друг на друга, т.е. внешнее поле воздействует на частицу не только непосредственно, но и через изменения внутренних полей, создаваемых окружением частицы.

У поляризации твердых тел есть своя специфика, связанная с анизотропией. В анизотропной твердой среде поле и поляризованность могут не совпадать по направлению. Это наблюдается у некоторых монокристаллов.

Специфическим свойством твердого состояния является его способность сохранять в некоторых случаях поляризацию без внешнего поля. Вещества, обладающие таким свойством, называют электретами. Это электрические аналоги постоянных магнитов. Один из способов получения электретов – термический. Он годится для веществ, состоящих из полярных молекул, поляризуемость которых зависит от температуры. Таким веществом является, например, воск. Если его поляризовать при высокой температуре в электрическом поле, а затем охлаждать, не выключая поле, до такой температуры, что диполи потеряют способность вращаться, то образовавшиеся на его поверхности поляризационные заряды сохраняются и после выключения поля в течение длительного времени (часы, дни, и даже годы). Со временем поляризация электрета исчезает, т.к. свободные заряды из воздуха притягиваются к его поверхности и нейтрализуют поляризационные заряды. При нагревании электрета ориентация дипольных моментов приобретает все более хаотичный характер, и поляризация исчезает; поверхностные заряды осевших ионов создают собственное электрическое поле. Такой эффект называют пироэлектричеством.

В некоторых твердых диэлектриках, построенных определенным образом из полярных молекул (жестких диполей), было обнаружено явление, получившее название пьезоэлектричества. Если кристалл такого вещества (например, кварца или турмалина) подвергнуть упругой деформации (сжатию или растяжению), то составляющие его молекулярные диполи могут определенным образом поворачиваться и изменять поляризацию кристалла. При этом на противоположных гранях кристалла появляются связанные заряды, создающие электрическое поле и разность потенциалов между этими гранями. При переходе от растяжения к сжатию и обратно меняется знак поляризации возникающей разности потенциалов. Объяснить это явление можно следующим образом. Решетку всякого кристалла можно представить в виде нескольких простых решеток вставленных одна в другую. Если кристалл не имеет центра симметрии, то при деформации

смещаются решетки

и кристалл поляризуется. В

подобных кристаллах обязательно

наблюдается обратный пьезоэлектрический эффект –

электрострикция: если к кристаллу

приложить внешнюю разность потенциалов, то вследствие поворота диполей будут наблюдаться деформации растяжения или сжатия.

Указанные эффекты нашли применение в системах, превращающих механические воздействия в электрические сигналы и обратно (микрофоны, манометры, генераторы и приемники ультразвука).

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ И ИХ СВОЙСТВА

В некоторых твёрдых веществах, имеющих кристаллическую структуру, электрические моменты молекул коллективизируются таким образом, что создают самостоятельные поляризованные до насыщения области- домены, линейные размеры которых не превышают 10-5 м. Направления электрических моментов определённых доменов определяются симметрией кристаллов, поэтому результирующая поляризация всего кристалла обычно равна нулю. Поляризация такого образца во внешнем поле происходит, во-первых, за счёт смещения границ доменов и роста размеров тех из них, из которых векторы электрических моментов близки по направлению к направлению напряжённости поля, и, во-вторых, за счёт ориентации моментов доменов по полю. Это приводит к огромному эффекту усиления поляризации, а диэлектрическая проницаемость таких кристаллов достигает значений (5-10)*104. Типичным представителем таких веществ является сегнетова соль ( NaKC4 h5O6 4h3O) , поэтому все вещества, обладающие

подобными свойствами, стали называть сегнетоэлектриками. К ним относится титанат бария ( BaTiO2 ) и дигидрофосфат калия (Kh3 PO4 ). Сегнетоэлектрики являются

электрическими аналогами ферромагнитных материалов, поэтому нередко их называют

ферроэлектриками. Наиболее интересны следующие свойства сегнетоэлектриков:

Рис. 3. Зависимость диэлектрической проницаемости титаната бария от температуры.

1. Для них характерно резкое возрастание относительной диэлектрической проницаемости в определённом интервале температур (рис. 3). В отличие от других полярных диэлектриков, у которых диэлектрическая проницаемость обратно пропорциональна абсолютной температуре, у сегнетоэлектриков она меняется обратно пропорционально разности между абсолютной и критической температурами (закон Кюри-Вейсса):

ε −1

9

, (19)

β (T − TK )

где β – константа, величина коэффициента теплового расширения, приблизительно равная 10−5 ÷10−6 град−1 ; TK – температура Кюри.

Если увеличить температуру вышеTK , то сегнетоэлектрик теряет свои свойства.

2. У сегнетоэлектрика наблюдается нелинейная зависимость поляризованности P образца от напряженности внешнего электрического поля E (рис. 4). В достаточно сильных полях достигается состояние насыщения, когда поляризованность P образца не меняется при дальнейшем увеличении E .

Рис. 4. Зависимость поляризованности сегнетоэлектрика от напряженности внешнего электрического поля. PS — поляризованность при насыщении.

3. Зависимость электрического смещения D от напряженности E (рис. 5) носит сложный характер, и линейная связь между D и E существует лишь при больших значениях E , когда сегнетоэлектрик достигает состояния насыщения, т.е. при P = PS .

Рис.5. Зависимость электрической индукции в сегнетоэлектрике от напряженности поля.

4. Относительная диэлектрическая проницаемость ε и диэлектрическая восприимчивость χ сегнетоэлектриков являются функциями напряженности E в веществе (рис. 6), достигая значений порядка 104 ÷105 в области несильных полей.

Рис.6. Типичная зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от напряженности поля.

5. Для сегнетоэлектриков характерно явление гистерезиса (запаздывания), состоящее в

различии значений

P и

D при одном и том же значении E в зависимости от величины

предварительной поляризованности образца (рис. 7).

С увеличением E поляризованность неполяризованного образца возрастает от P = 0 при

E = 0 до PH при насыщении. При уменьшении E до нуля поляризованность не исчезает, а

лишь уменьшается

до

значения Pr , называемого остаточной поляризованностью.

Поляризация полностью исчезает лишь под действием электрического поля противоположного направления, величина которого− EC . Величину EC называют

коэрцитивной силой, а наблюдаемую кривую при циклическом изменении напряженности E

– петлей гистерезиса.

Рис. 7. Петля гистерезиса.

Периодическое изменение поляризации сегнетоэлектрика при изменении поля связано с затратой энергии, которая в конечном счете идет на нагревание вещества. Площадь петли гистерезиса пропорциональна теплоте, выделяющейся в единице объема сегнетоэлектрика за

один цикл изменения его поляризации. По ширине петли судят о свойстве сегнетоэлектрика. Сегнетоэлектрики с широкой петлей называют жесткими (из них делают электреты), а с узкой – мягкими (применяют для изготовления конденсаторов).

6. Существует предельная температура, выше которой свойства сегнетоэлектриков исчезают. Эту температуру называют точкой Кюри. Существуют сегнетоэлектрики с несколькими точками Кюри. В точке Кюри происходит фазовое превращение вещества. Оно переходит из спонтанно поляризованной фазы в неполяризованную (разрушение доменов) или наоборот.

Сегнетоэлектрики находят широкое применение в современной электро- и радиотехнике. Их используют для изготовления конденсаторов, емкость которых очень велика (из-за огромных значений диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика) и зависит от приложенного напряжения. Такие конденсаторы называют варикондами. Их используют при устройстве стабилизаторов напряжения, в электронно-вычислительных машинах как “ячейки памяти”. Титанат бария из-за его химической устойчивости и механической прочности, а также из-за сохранения сегнетоэлектрических свойств в широком температурном интервале нашел большое техническое применение (например, в качестве генератора и приемника ультразвуковых волн).

ОПИСАНИЕ МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ.

Исследуемый сегнетоэлектрик — триглицинсульфат (ТГС-49).

На схеме установки видно, что исследуемые элементы сегнетоэлектрика С1 и С2 и эталонный конденсатор СЭ с помощью переключателя П включаются последовательно с конденсатором Со а т.к. Со>>С, то практически все подводимое к схеме напряжение будет приложено к исследуемому образцу С1 (С2). Напряжение с конденсатора Со подается на пластины “У” осциллографа. На конденсаторе при этом сосредотачивается заряд Q = CoUo, но при последовательном соединении такой же заряд сосредоточен на С1 (С2) и СЭ. Заряд Q и электрическое смещение D, возникающее в образце связаны соотношением Q=DS (S-

Диэлектрические свойства — это… Что такое Диэлектрические свойства?

Диэлектрические свойства

3. Диэлектрические свойства

Ндп. Электроизоляционные свойства

Электроизолирующие свойства

Совокупность свойств диэлектрика, связанных с явлением поляризации.

Примечание. Диэлектрические свойства характеризуются такими параметрами, как диэлектрическая восприимчивость, абсолютная и относительная диэлектрическая проницаемость, угол диэлектрических потерь и т. д.

Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации. academic.ru. 2015.

  • Диэлектрические потери на электропроводность
  • Диэлектрический гистерезис

Смотреть что такое «Диэлектрические свойства» в других словарях:

  • диэлектрические свойства — Ндп. электроизоляционные свойства электроизолирующие свойства Совокупность свойств диэлектрика, связанных с явлением поляризации. Примечание Диэлектрические свойства характеризуются такими параметрами, как диэлектрическая восприимчивость,… …   Справочник технического переводчика

  • диэлектрические свойства — электроизоляционные свойства; отрасл. диэлектрические свойства Совокупность технически важных электрических характеристик электроизоляционного материала или электрической изоляции …   Политехнический терминологический толковый словарь

  • диэлектрические свойства — dielektrinės savybės statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. dielectric properties vok. dielektrische Eigenschaften, f rus. диэлектрические свойства, n pranc. propriétés diélectriques, f …   Fizikos terminų žodynas

  • Физико-механические и диэлектрические свойства кремнийорганических пресс-материалов — Стеклотекстолит Волокнит Плотность, кг/м3 1600 1800 1800 2000 Разрушающее напряжение, МПа при растяжении при сжатии при изгибе …   Химический справочник

  • Физико-механические и диэлектрические свойства мочевино-(I) и меламиноформальдегидных (II) аминопластов — I II Плотность, кг/м3 1400 1500 1500 Разрушающее напряжение, МПа при растяжении при сжатии при изгибе …   Химический справочник

  • Физико-механические и диэлектрические свойства пенополистирола ПСВ — Кажущаяся плотность, кг/м3 12 350 Разрушающее напряжение, МПа при растяжении при сжатии при изгибе 0,18 0,30 0,08 0,53 0,10 1,63 Ударная вязкость, кДж/м2 …   Химический справочник

  • Физико-механические и диэлектрические свойства пластиката и винипласта — Пластикат Винипласт Плотность, кг/м3 1150 1340 1380 1400 Разрушающее напряжение, МПа при растяжении при изгибе 10 …   Химический справочник

  • Физико-механические и диэлектрические свойства поли-3,3-бис(хлорметил)оксациклобутана — Плотность, кг/м3 1400 Разрушающее напряжение, МПа при растяжении при сжатии при изгибе 38 55 85 95 60 85 Относительное удлинение при разрыве, % …   Химический справочник

  • Физико-механические и диэлектрические свойства полиамидов — П 6 П 12л* П 66л* Фенилон Плотность, кг/м3 1130 1020 1140 1350 …   Химический справочник

  • Физико-механические и диэлектрические свойства полиметиленоксида — Плотность, кг/м3 1410 Разрушающее напряжение, МПа при растяжении при сжатии при изгибе 65 70 110 130 125 Относительное удлинение при разрыве, % …   Химический справочник

Книги

  • Строение и свойства простых веществ. Благородные газы. Учебное пособие. Гриф МО РФ, Д. Н. Путинцев, Н. М. Путинцев. В книге рассмотрены структурные, термодинамические и диэлектрические свойства благородных газов, их взаимосвязь друг с другом и с межмолекулярным взаимодействием. Часть текста пособия служит… Подробнее  Купить за 1085 грн (только Украина)
  • Строение и свойства простых веществ. Благородные газы. Учебное пособие. Гриф МО РФ, Путинцев Д.Н.. В книге рассмотрены структурные, термодинамические и диэлектрические свойства благородных газов, их взаимосвязь друг с другом и с межмолекулярным взаимодействием. Часть текста пособия служит… Подробнее  Купить за 919 руб
  • Строение и свойства простых веществ Благородные газы Учебное пособие, Путинцев Д., Путинцев Н.. В книге рассмотрены структурные, термодинамические и диэлектрические свойства благородных газов, их взаимосвязь друг с другом и с межмолекулярным взаимодействием. Часть текста пособия служит… Подробнее  Купить за 723 руб
Другие книги по запросу «Диэлектрические свойства» >>

Диэлектрик

Диэлектрик

Диэлектрик (изолятор) — материал, плохо проводящий или совсем не проводящий электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 см−3. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.

Физические свойства

Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10−5 Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых ρ > 108 Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10−8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 1016 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10−5—108 Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причём двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Чёткую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков — возбуждённым.

Развитие радиотехники потребовало создания материалов, в которых специфические высокочастотные свойства сочетаются с необходимыми физико-механическими параметрами. Такие материалы называют высокочастотными. Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов, а также причин старения нужны знания их химического и фазового состава, атомной структуры и структурных дефектов.

Параметры

Физическим параметром, который характеризует диэлектрик, является диэлектрическая проницаемость. Диэлектрическая проницаемость может иметь дисперсию.

К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стекло, различные смолы, пластмассы непременно сухие. Химически чистая вода также является диэлектриком.

Ряд диэлектриков проявляют интересные физические свойства.

К ним относятся электреты, пьезоэлектрики, пироэлектрики, сегнетоэластики, сегнетоэлектрики, релаксоры и сегнетомагнетики.

Использование

При применении диэлектриков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Диэлектрики используются не только как изоляционные материалы.

Пассивные свойства диэлектриков

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, то есть с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных ёмкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определённой ёмкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

Активные свойства диэлектриков

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

Изоляционные и диэлектрические материалы — типы, свойства и области применения

Введение в изоляционные и диэлектрические материалы

Определение изоляционных и диэлектрических материалов

Электроизоляционный материал можно определить как материал, которого не имеет пропустите электрический ток через него .

Types, Properties & Applications of Insulating And Dielectric Materials Types, Properties & Applications of Insulating And Dielectric Materials

Для электрических применений особая категория из изоляционных материалов используется для электрически проводящих частей оборудования друг от друга и от заземления и «нет жизни» Компоненты оборудования и сетей.

Диэлектрические материалы . Диэлектрик представляет собой электрический изоляционный материал , который может быть поляризован приложенным электрическим полем (обозначение: E ; единица измерения: В на метр В / м ). Когда диэлектрик помещается в электрическое поле , электрические заряды не протекают через материал, как в проводнике , а только слегка смещаются от своих средних положений равновесия , вызывая диэлектрическую поляризацию , который пример можно увидеть на рисунке 1. Dielectric polarization - Types, Properties & Applications of Insulating And Dielectric Materials  Dielectric polarization - Types, Properties & Applications of Insulating And Dielectric Materials

Рисунок 1 — Диэлектрическая поляризация

Благодаря диэлектрической поляризации , положительных зарядов смещены в сторону к полю и отрицательных зарядов сдвинуты в противоположном направлении , что создает внутреннее электрическое поле который уменьшает общее поле в самом диэлектрике .

Различие между изоляционными, изоляционными и диэлектрическими материалами

Из приведенных выше утверждений было ясно, что все диэлектрики являются изоляторами, но все изоляторы не являются диэлектриками.

Очень простыми словами,

Изолятор или изоляционный материал:

— это те вещества, которые не позволяют потоку электронов проходить через них из-за очень низкого количества свободных электронов в них, и они имеют низкую диэлектрическую проницаемость (Относительная диэлектрическая проницаемость = ( r ). Это то же самое, что и сопротивление резистора.

Примеры: фарфоровые изоляторы, используемые в опорах и опорах передачи и распределения, резина, стекло, пластик и т. Д.

Диэлектрические или диэлектрические материалы:

— это те же вещества, что и изоляторы, но они позволяют потоку электронов проходить через них при воздействии внешнего электрического поля, поскольку они могут быть поляризованы. Это также может быть определено как способность хранить заряд (энергию) посредством поляризации, такой как в конденсаторе. Кроме того, они имеют высокую диэлектрическую проницаемость (относительная диэлектрическая проницаемость = ε r ).

Примеры: Типичным примером диэлектрика является электроизоляционный материал между металлическими пластинами конденсатора (например, слюда , ламинированная бумага ). Другие примеры : воздух , керамика и т. Д.

Полезно знать:
  • Все диэлектрики являются изоляторами, но все диэлектрики не являются диэлектриками.
  • Все является проводником в некоторой точке температуры или электрического поля из-за пробоя, поскольку каждый изолятор имеет свои пределы, чтобы противостоять разности потенциалов в материале

Также читайте: Подводные кабели — Конструкция, характеристики, Прокладка и соединения кабелей

Типы диэлектрических материалов

Диэлектрические материалы в основном используются в электрическом оборудовании и сетях, причем наиболее часто используются типы, указанные в таблице 1, Common dielectric materials - Types of Dielectirc and Insulating materials Common dielectric materials - Types of Dielectirc and Insulating materials

Таблица 1 — Обычные диэлектрические материалы

Применение диэлектрических материалов

Основное применение неорганических материалов — это оборудование подстанций высокого и среднего напряжения и воздушные линии в качестве изоляторов или вводов на высоковольтных трансформаторах и распределительных устройствах.

Пластиковые пленки используются в качестве пленок в различных областях, таких как изоляция между фольгами в конденсаторах и изоляция прорезей во вращающихся электрических машинах.

Общее использование для гибких изоляционных оболочек — это защита кабелей и компонентов от вредного воздействия механического и термического повреждения, и может найти применение в электрических машинах, трансформаторах, бытовых и отопительных приборах, осветительных приборах, кабельных соединениях (соединения и окончания) и распределительные устройства.

Смолы и лаки используются для пропитки и нанесения покрытий на электрооборудование (например, трансформаторы сухого типа ) с целью повышения его устойчивости к условиям труда, улучшения его электрических характеристик и увеличения срока службы. ,

Эластомеры и термопластики широко используются для изоляции силовых, управляющих и коммуникационных кабелей.

В настоящее время основные виды применения жидких диэлектриков , в основном ч углеводородных минеральных масел , используются в качестве изолирующей и охлаждающей среды для трансформаторов, заземляющих реакторов и шунтирующих реакторов, конденсаторов и реостатов.

Важными свойствами диэлектрических жидкостей являются электрическая прочность, вязкость, химическая стабильность и температура вспышки .

Два газа, которые уже широко используются для изоляции, — это азота и гексафторида серы ( SF6 ). Азот используется в качестве изолирующей среды в некоторых герметичных трансформаторах и Линии с газовой изоляцией ( GIL ), в то время как SF6 используется в распределительных устройствах высокого и среднего напряжения и автоматических выключателях из-за его изолирующих свойств и дуги. — возможности пожаротушения, а также трансформаторов с газовой изоляцией ( GIT ) в качестве изолирующей и охлаждающей среды.

Однако из-за условий окружающей среды , в установках среднего напряжения (автоматические выключатели, контакторы и конденсаторы) вакуум в настоящее время имеет преимущественное использование.

Свойства и поведение диэлектрических материалов

Наиболее важными свойствами диэлектрических материалов являются:

  • Объемное сопротивление или удельное сопротивление.
  • Диэлектрическая проницаемость (обозначение: ε; единица измерения: Фарад на метр В / м) определяется как сопротивление диэлектрика электрическому полю в конкретной среде.
  • Относительная диэлектрическая проницаемость , или диэлектрическая проницаемость (обозначение: ε r арифметическая ), которая определяется как отношение плотности электрического потока , произведенного в материале , к плотности, произведенной в вакуума с той же напряженностью электрического поля или соотношением между диэлектрической проницаемостью и диэлектрической проницаемостью (обозначение: ε 0 85 × 10 −12 F / м ): ε / ε 0 .
  • Диэлектрическая прочность , которая является способностью противостоять электрическому напряжению без разрушения. Обычно оно указывается в кВ / мм ( типичных значений могут варьироваться от 5 до 100 кВ / мм ).
  • Диэлектрические потери или Коэффициент электрического рассеяния , который определяется как отношение потерь мощности в диэлектрическом материале к общей мощности, передаваемой через него. Он задается тангенсом угла потерь и широко известен как « tan δ ».В идеальном изоляторе ток, который проходит через него, является емкостью емкостного ( I C ), но реальные изоляторы не имеют 100% чистоты , это означает, что ток через изолятор также является резистивный компонент ( I R ), и мы говорим, что изолятор имеет потерь , которые представлены tan δ , при этом δ угол, показанный на рисунке 2.

Рисунок 2 — Angle of losses and currents of an insulator Angle of losses and currents of an insulator

Рисунок 2 — Угол потерь и токи изолятора

Также читайте: Резисторы и типы резисторов | Фиксированная, переменная, линейная и нелинейная

Другим важным аспектом всех диэлектрических материалов является максимальная температура , при которой они будут работать удовлетворительно .

Вообще говоря, диэлектрических материалов разрушаются быстрее при более высоких температурах , и износ может достичь точки, в которой изоляция перестает выполнять свою требуемую функцию.

Эта характеристика известна как , старение , и для каждого материала обычно назначают максимальную температуру, выше которой нецелесообразно работать.

Старение диэлектрика зависит не только от физических и химических свойств материала и теплового напряжения , которому он подвергается, но также от присутствия и степени влияния механического , электрические и экологические нагрузки .

Диэлектрические материалы могут быть повреждены ( преждевременного старения ) при воздействии чрезмерного тепла и перенапряжения и могут быть загрязнены другими материалами , такими как частицы меди, вода и газ , вызывая диэлектрическое повреждение ,

Определение срока полезного использования также будет варьироваться в зависимости от типа и использования оборудования; это необходимо учитывать при выборе диэлектрического материала для конкретного применения.

Angle of losses and currents of an insulator Angle of losses and currents of an insulator

Об авторе: Мануэль Болотинья

— Степень бакалавра в области электротехники — Энергетика и энергетические системы (1974 г. — Высший учебный институт / Университет Лиссабона)
— Степень магистра в области электротехники и вычислительной техники (2017 г. — Faculdade de Ciências e Tecnologia / Nova University of Lisbon)
— Старший консультант по подстанциям и энергосистемам; Профессиональный инструктор

Вы также можете прочитать

.
подложек печатной платы: знание ваших печатных плат Диэлектрические материалы

Диэлектрический материал проводит минимальное электричество и обеспечивает изолирующий слой между двумя проводящими медными слоями. Самым распространенным диэлектрическим материалом является FR-4, но перед тем, как выбрать его для своей платы, вы должны внимательно рассмотреть его свойства.

Вот обзор наиболее важных свойств, которые следует учитывать для любого диэлектрического материала:

1. Тепловые свойства
2. Электрические свойства
3.Химические свойства
4. Механические свойства

Когда вы будете готовы выбрать материал, используйте инструмент выбора материала Sierra Circuits для ввода критериев и получения удобного для сравнения списка диэлектриков с правильными свойствами.

Тепловые свойства

Диэлектрический материал обеспечивает изоляцию между проводящими слоями (здесь показано как медная фольга) в печатной плате.

Температура стеклования (Tg)
Температура стеклования, или Tg, — это температурный диапазон, в котором подложка печатной платы переходит из стеклообразного, жесткого состояния в размягченное, деформируемое состояние, когда полимерные цепи становятся более подвижными.Когда материал остывает, его свойства возвращаются в исходное состояние. Tg выражается в единицах градусов Цельсия (ºC).

Температура разложения (Td)
Температура разложения, или Td, — это температура, при которой материал ПХД химически разлагается (материал теряет не менее 5% массы). Как и Tg, Td выражается в градусах градусов Цельсия (ºC).

Td материала является важным потолком при сборке печатных плат, потому что, когда материал достигает или превышает его Td, изменения его свойств необратимы.Сравните это с Tg, температурой стеклования, когда свойства вернутся в исходное состояние, когда материал остынет ниже диапазона Tg.

Выберите материал, в котором вы можете работать в диапазоне температур выше Tg, но значительно ниже Td. Большинство температур пайки при сборке печатных плат находятся в диапазоне от 200 ºC до 250 ºC, поэтому убедитесь, что Td выше этого значения (к счастью, большинство материалов имеют Td выше 320 ºC).

Коэффициент теплового расширения (CTE)
Коэффициент теплового расширения, или CTE, — это скорость расширения материала печатной платы при его нагреве.CTE выражается в частях на миллион (ppm), расширенных на каждый градус Цельсия, который он нагревает.

Когда температура материала поднимется выше Tg, CTE также повысится.

CTE подложки обычно намного выше, чем у меди, что может вызвать проблемы с соединением при нагреве печатной платы.

CTE вдоль осей X и Y, как правило, низкие — около 10-20 промилле на градус Цельсия. Обычно это происходит из-за тканого стекла, которое ограничивает материал в направлениях X и Y, и CTE не сильно изменяется даже при повышении температуры материала выше Tg.

Таким образом, материал должен расширяться в направлении Z. CTE вдоль оси Z должен быть как можно ниже; стремитесь к менее чем 70 ppm на градус Цельсия, и это будет увеличиваться, когда материал превосходит Tg.

Расширение материала измеряется коэффициентом теплового расширения (CTE). Это изображение показывает CTE в направлении Z.

CTE также полезен для определения Tg материала с использованием кривой CTE. Постройте график зависимости температуры материала от смещения, затем найдите пересечение двух кривых:

Теплопроводность (k)
Теплопроводность, или k, является свойством материала проводить тепло; низкая теплопроводность означает низкую теплопередачу, в то время как высокая теплопроводность означает высокую теплопередачу.Мера скорости теплопередачи выражается в ваттах на метр на градус Цельсия (Вт / м ºC).

Большинство диэлектрических материалов на печатной плате имеют теплопроводность в диапазоне от 0,3 до 0,6 Вт / М-ºC, что довольно мало по сравнению с медью, у которой k составляет 386 Вт / М-ºC. Следовательно, больше тепла будет быстро уноситься медными плоскими слоями в печатной плате, чем диэлектрическим материалом.

Электрические свойства

Диэлектрическая постоянная или относительная диэлектрическая проницаемость (Er или Dk)
Рассмотрение диэлектрической проницаемости материала важно для соображений целостности сигнала и импеданса, которые являются критическими факторами для высокочастотных электрических характеристик.Er для большинства материалов печатных плат находится в диапазоне от 2,5 до 4,5.

Диэлектрическая проницаемость изменяется с частотой и обычно уменьшается с увеличением частоты; некоторые материалы имеют меньшее изменение относительной диэлектрической проницаемости, чем другие. Материалы, подходящие для высокочастотных применений, — это материалы, диэлектрическая проницаемость которых остается относительно одинаковой в широком диапазоне частот — от нескольких 100 МГц до нескольких ГГц.

Коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь или коэффициент рассеяния (Tan δ или Df)
Тангенс потерь материала дает показатель мощности, потерянной из-за материала.Чем ниже тангенс потерь материала, тем меньше потери мощности. Tan δ большинства материалов для печатных плат варьируется от 0,02 для наиболее часто используемых материалов до 0,001 для высококачественных материалов с очень низкими потерями. Это также изменяется с частотой, увеличиваясь с увеличением частоты.

Касательная потери

обычно не является критическим фактором для цифровых схем, за исключением очень высоких частот выше 1 ГГц. Однако это очень важный параметр для аналоговых сигналов, поскольку он определяет степень ослабления сигнала и, таким образом, влияет на отношение сигнал / шум в различных точках вдоль трасс сигналов.

Объемное удельное сопротивление (ρ)
Объемное удельное сопротивление, или удельное электрическое сопротивление (ρ), является одной из мер электрического или изоляционного сопротивления материала печатной платы. Чем выше удельное сопротивление материала, тем менее легко оно позволяет перемещать электрический заряд, и наоборот. Удельное сопротивление выражается в ом-метрах (Ом-м) или Ом-сантиметрах (Ом-см)

В качестве диэлектрических изоляторов, материалы на печатных платах должны иметь очень высокие значения удельного сопротивления, порядка 10–10 мОм-сантиметров.На удельное сопротивление несколько влияют влажность и температура.

Удельное поверхностное сопротивление (ρS)
Удельное поверхностное сопротивление (ρS) — это мера электрического или изоляционного сопротивления поверхности материала печатной платы. Как и объемное удельное сопротивление, материалы на печатных платах должны иметь очень высокие значения удельного поверхностного сопротивления, порядка 10–10 мОм на квадрат. Это также несколько зависит от влажности и температуры.

Электрическая прочность
Электрическая прочность измеряет способность материала печатной платы противостоять электрическому разрушению в направлении Z печатной платы (перпендикулярно плоскости печатной платы).Выражается в вольт / мил. Типичные значения электрической прочности для платных диэлектриков находятся в диапазоне от 800 до 1500 В / мил.

Электрическая прочность определяется воздействием на печатную плату коротких импульсов высокого напряжения при стандартных частотах переменного тока.

Химические свойства

Спецификации воспламеняемости (UL94)
UL94, или Стандарт безопасности горючести пластиковых материалов для деталей при испытаниях устройств и приборов, является стандартом воспламеняемости пластмасс, который классифицирует пластмассы от самых низких (наименее огнестойких) до самых высоких (большинство пламенных). -retardant).

Стандарты определены Underwriters Laboratories (UL). Большинство материалов для печатных плат соответствуют UL94 V-0; вот его требования

1. Образцы не могут гореть при горящем горении в течение более 10 секунд после любого применения испытательного пламени.
2. Общее время горения пламени не может превышать 50 секунд для 10 применений пламени для каждого набора из 5 образцов.
3. Образцы не могут гореть при горящем или пылающем сгорании вплоть до удерживающего зажима.
4. Образцы не могут капать пылающими частицами, которые воспламеняют сухой абсорбирующий хирургический хлопок, расположенный на 300 мм ниже испытуемого образца.
5. Образцы могут не иметь горения, которое длится более 30 секунд после второго удаления испытательного пламени.

Поглощение влаги
Поглощение влаги — это способность материала печатной платы противостоять поглощению воды при погружении в воду. Это выражается в процентном увеличении массы материала печатной платы из-за поглощения воды в контролируемых условиях в соответствии со стандартными методами испытаний.Большинство материалов имеют значения поглощения влаги в диапазоне от 0,01% до 0,20%.

Поглощение влаги влияет на тепловые и электрические свойства материала, а также на способность материала противостоять образованию проводящих анодных нитей (CAF) при питании цепи печатной платы.

Сопротивление метиленхлориду
Сопротивление метиленхлориду является мерой химической стойкости материала; в частности, способность материала ПХД противостоять поглощению метиленхлорида.

Так же, как поглощение влаги, оно выражается в процентном увеличении веса материала ПХБ в результате воздействия или пропитывания метиленхлоридом в контролируемых условиях. Большинство материалов ПХБ имеют значения сопротивления метиленхлориду в диапазоне от 0,01% до 0,20%.

Механические свойства

Прочность на отрыв
Прочность на отрыв — это мера прочности связи между медным проводником и диэлектрическим материалом. Он выражается в фунтах силы на линейный дюйм (PLI или средняя нагрузка на ширину проводника), необходимых для разделения склеиваемых материалов, где угол разделения составляет 180 градусов.

Испытания на прочность на отслаивание проводятся на образцах медных следов толщиной 1 унция и шириной ~ 32–125 мм после стандартных процессов изготовления печатных плат. Выполняется в 3-х условиях:
• После термического напряжения: после того, как образец плавает на припое при 288 ºC в течение 10 секунд
• При повышенных температурах: после того, как образец подвергается воздействию горячего воздуха или жидкости при 125 ºC
• После воздействия технологические химикаты: после того, как образец подвергается определенной последовательности этапов химического или термического процесса

Прочность на изгиб
Прочность на изгиб является мерой способности материала противостоять механическим нагрузкам без разрушения.Он выражается либо в кг на квадратный метр, либо в фунтах на квадратный дюйм (KPSI).

Прочность на изгиб обычно проверяется путем поддержки печатной платы на ее концах и загрузки ее в центр. IPC-4101 — это спецификация базовых материалов для жестких и многослойных печатных плат, которая обеспечивает минимальную прочность на изгиб различных материалов на печатной плате.

Модуль Юнга
Модуль Юнга, или модуль растяжения, также измеряет прочность материала печатной платы. Он измеряет отношение напряжение / деформация в определенном направлении, и некоторые производители ламинированных печатных плат дают прочность с точки зрения модуля Юнга вместо прочности на изгиб.3).

Время до расслаивания
Время до расслаивания определяет, как долго материал будет противостоять расслаиванию — отделению смолы от ламината, фольги или стекловолокна — при определенной температуре. Расслоение может быть вызвано тепловым шоком, неправильной Tg в материале, влажностью, плохим процессом ламинирования.

Расслоение — это отделение смолы от меди или арматуры, а время до расслаивания измеряет, сколько времени это займет при определенной температуре.

Для получения дополнительной помощи в выборе правильного материала печатной платы используйте инструмент выбора материала Sierra Circuits. Введите определенное свойство или свойства материала, и инструмент предоставит вам список материалов, которые им соответствуют. Простая в использовании таблица сравнения позволяет сравнивать подробные свойства до пяти материалов.

,
Диэлектрические материалы для беспроводной связи
перейти к содержанию
  • О Elsevier
    • О нас
    • Elsevier Connect
    • Карьера
  • Продукты и решения
    • R & D Solutions
    • Клинические Решения
    • Исследовательские платформы
    • Исследовательская разведка
    • образование
    • Все решения
  • Сервисы
    • Авторы
    • редакторы
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *