3.14. Активные диэлектрики

Диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздействия для создания функциональных элементов электроники, относятся к группе активных диэлектриков.

К числу активных диэлектриков относятся сегнето-, пьезо- и пироэлектрики; электро-, магнито- и акустооптические материалы, диэлектрические кристаллы с нелинейными оптическими свойствами и др.

Сегнетоэлектрики — вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики обладают рядом специфических свойств, которые проявляются лишь в определенном диапазоне температур.

Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является нелинейная зависимость их поляризованности от напряженности электрического поля, показанная на рис. 3.1.2, которая носит название диэлектрической петли гистерезиса и резко выраженная температурная зависимость е, в которой максимум е достигается при температуре, соответствующей точке Кюри.

В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков, которые по типу химической связи и физическим свойствам принято подразделять на две основные группы: 1) ионные кристаллы, к которым относятся титанат бария (ВаТiOз), титанат свинца (РbТiOз), ниобат калия (КNbOз), барий-натриевый ниобат (Ba₂NaNb₅O₅) или сокращенно БАНАН и др.; 2) дипольные кристаллы, к которым относятся сегнетова соль (NаКС₄Н₄O₆·4Н₂O), триглицинсульфат (NH₂СНзСООНз)·Н₂SСO₄дигидрофосфат калия КН₂РO₄и др.

Сегнетоэлектрики находят применение для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью; материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и др. управляемых устройств; в счетно-вычислительной технике для ячеек памяти, для модуляции и преобразования лазерного излучения, в пьезо- и пироэлектрических преобразователях. Сегнетоэлектрики, петля диэлектрического гистерезиса которых по форме близка к прямоугольной, например, такие как триглицинсульфат (ТГС), можно применять в запоминающих устройствах ЭВМ. Электрооптические свойства сегнетоэлектрических кристаллов используют для модуляции лазерного излучения, осуществляемого электрическим полем, приложенным к кристаллу.

Все cегнетоэлектрики обладают пьезоэлектрическим эффектом, однако обратное не справедливо.

Пьезоэлектрики — это вещества с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений. При обратном пьезоэффекте происходит изменение размеров диэлектрика под действием приложенного электрического поля.

В различных пьезопреобразователях используют кристаллы кварца, сульфата лития, сегнетовой соли, ниобата и танталата лития. Широко применяется для изготовления пьезопреобразователей пьезоэлектрическая керамика, изготовляемая в основном на основе твердых растворов цирконата-титаната свинца (сокращенно ЦТС).

К активным диэлектрикам относятся пироэлектрики, то есть диэлектрики, обладающие пироэлектрическим эффектом. Пироэлектрический эффект состоит в изменении спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры. К типичным линейным пироэлектрикам относятся турмалин и сульфит лития. Пироэлектрики спонтанно поляризованы, но, в отличие от сегнетоэлектриков, направление их поляризации не может быть изменено электрическим полем. Пироэффект используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения. Значительным пироэффектом обладают некоторые сегнетоэлектрические кристаллы, к числу которых относятся ниобат бария стронция, триглицинсульфат-ТГС, ниобат и танталат лития.

Контрольные вопросы к разделу Диэлектрики

1. Электрической прочностью диэлектрика называют.

а) Напряжениt, при которой происходит пробой

б) напряженность электрического поля, при которой происходит пробой (+)

в) Механическую прочность диэлектрика в сильных электрических полях

2. Какова должна быть наименьшая толщина изоляции, выдерживающая напряжение 40 кВ, если его электрический прочность равна 20 кВ/мм.

а) 2мм (+)

б) 0,5мм.

в) Данных для решения задачи недостаточно.

г) 5мм.

3. В основе электрического пробоя твердых диэлектриков лежит явления:

а) Фотоионизации.

б) Ударной ионизации (+)

в) Тепловой ионизации атомов.

4. Электрический пробой в твердых диэлектриках протекает за время:

а) 1мин.

б) Зависит от природы диэлектрика.

в) 10^-810^-7с (+)

г) 10^-1510^-14с

5. Какая из приведенных зависимостей Uпр от толщины диэлектрика правильна?

а)

3 а) 3 и 2 (+)

Uпр б) 4 и 2

2 в) только 3

г) только 1

4

1

h

6. Какое из приведенных ниже соотношений правильно? Е- электрическая прочность соответственно твердых, жидких и газообразных диэлектриков.

а) Е_ж> Егаз > Етв

б) Е_жЕтв < Егаз.

в) Етв Е_ж> Егаз (+)

г) Етв > Е_ж> Егаз

7. Пленка диэлектрика при электрическом пробое разрушается при напряжении 1,5кВ. Определите толщину пленки, если её электрическая прочность равна 50кВ/м.

а) 0,03 мм (+)

б) 0,3 мм

в) 3 мм

г) 33,3 мм

8. На рисунке представлены зависимости Uпрот температуры окружающей среды для электрического и теплового пробоя. Какой вид пробоя будет наблюдаться температуре Т₁ и Т₂?

а) при Т₁- электрический

Uпр. при Т₂– тепловой (+)

б) при Т₁- тепловой

при Т₂- электрический

в) одновременно и

электрический и тепловой

Т₁Т₂. Т

9. Влияет ли наличие газообразных включений на электрическую прочность изоляции?

а) да, присутствие газообразных включений увеличивает её электрическую прочность

б) нет, не влияет

в) да, уменьшает электрическую прочность (+)

10. С какой целью твердую изоляцию пропитывают жидкими диэлектриками?

а) чтобы уменьшить потери

б) чтобы увеличить электрическое сопротивление

в) чтобы увеличить электрическую прочность (+)

11. В однородных электрических полях с уменьшением площади электродов электрическая прочность диэлектрика:

а) растёт

б) уменьшается (+)

в) остается неизменной

12. С изменением температуры окружающей среды Uпр при электрическом пробое:

а) значительно уменьшается

б) значительно увеличивается

в) практически не меняется (+)

13. Единицей измерения электрической прочности диэлектрика в системе Си является:

а) кВ/мм

б) В/м (+)

в) Мв/м

14. Какие диэлектрики относится к полярным?

а) которые имеют два полюса

в) ток, через которые в прямом и обратном направление различен

г) молекулы которых имеют электрический момент (+)

15. В неполярных диэлектриках основным видом поляризации является:

а) спонтанный вид поляризации

б) электронный вид поляризации (+)

в) дипольно-релаксационный вид поляризации

16. Диэлектрическая проницаемость это величина, характеризующая:

а) интенсивность процессов поляризации (+)

б) степень проникновения электрического поля в диэлектрик

в) потери в диэлектриках

17. Какой вид потерь является преобладающим в полярных диэлектриках в слабых электрических полях?

а) потери на электропроводность

б) потери на поляризацию (+)

в) потери на ионизацию

18. Угол диэлектрических потерь, это угол, дополняющий угол сдвига фаз между током и напряжением.

а) в емкостной цепи до 180^о градусов

б) в индуктивной цепи до 90^о градусов

в) в емкостной цепи до 90^о градусов (+)

19. К упругой поляризации относятся:

а) электронная и дипольно-релаксационная

б) спонтанная и дипольная

в) электронная и ионная (+)

20. Изменение диэлектрической проницаемости полярных диэлектриков от температуры объясняется:

а) изменением времени релаксации частиц, участвующих в поляризации (+)

б) изменением объема вещества

в) изменением скорости движения электронов

21. Как изменяется емкость плоского конденсатора, если в качестве диэлектрика в нем использовать не плёнку из фторопласта с ε=2, а пластику слюды тех же габаритов: но с ε=8.

а) останется неизменной

б) уменьшится в 4 раза

в) увеличится в 4 раза (+)

22. Уменьшение диэлектрической проницаемости неполярных диэлектриков с увеличением температуры объясняется:

а) изменением концентрации частиц при тепловом расширении вещества (+)

б) изменением времени релаксации диполей

в) изменением скорости движения электронов

23. В неполярных диэлектриках зависимость тангенса угла диэлектрических потерь определяется:

а) зависимостью активной составляющей электропроводности от температуры (+)

б) потерями на поляризации

в) изменением реактивной составляющей тока, протекавшего через диэлектрик

24. Какие виды потерь присутствуют в полярных диэлектриках, в слабых электрических полях?

а) потери на поляризацию

б) потери на электропроводность

в) потери на поляризацию и электропроводность (+)

25. Зависимость ε от частоты для неполярных и полярных диэлектриков имеет вид, соответственно:

ε а) 1 и 2

б) 2 и 1

3 в) 2 и 3

г) 3 и 1 (+)

1 2

f

26. Тангенс угла диэлектрических потерь характеризует потери

в диэлектриках

а) при постоянном напряжении

б) в переменных электрических полях (+)

в) при импульсной нагрузке диэлектрика

27. Потери на электропроводность и поляризацию описываются, соответственно графиками:

а) 1 и 3

б) 1 и 2

3 2 в) 3 и 2 (+)

г) 2 и 3

1

t

28. Какой из перечисленных материалов можно использовать, в качестве высокочастотной гибкой изоляции при температуре 150^оС?

а) гетинакс, текстолит

б) поливинилхлорид

в) фторопласт –4 (+)

29. Для работы в области высоких частот по приведенным значениям ε и наиболее подходит материал с:

а) ε=1,9.

=0,001.(+)

б) ε=5,5

=0,004.

в) ε=17.

=0,1.

30. В каком случае при измерении диэлектрической проницаемости была допущена ошибка?

а) ε=2500.

б) ε=5.

в) ε=0,5. (+)