Содержание
- 2. * А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 1. Относительная диэлектрическая проницаемость Поляризация представляет собой обратимое смещение электрически заряженных
- 3. * А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 2. Вектор поляризации При наложении электрического поля в диэлектрике возникают элементарные
- 4. * А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 3. Механизмы поляризации
- 5. * А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 4. Упругая и тепловая поляризации Если частицы в диэлектрике связаны достаточно
- 6. * А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 5. Спонтанная поляризация В некоторых диэлектриках происходит самопроизвольная ориентация диполей (спонтанная
- 7. * А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 6. Миграционная поляризация К макроскопической поляризации относят миграционную, или объемно-зарядную, поляризацию.
- 8. * А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 7. Виды упругой поляризации 7.1. Электронная Электронная упругая поляризация наблюдается во
- 9. * А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 7.2. Ионная упругая поляризация Ионная упругая поляризация имеет место в диэлектриках
- 10. * А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 7.3. Дипольная упругая поляризация Когда диполи связаны достаточно жестко (полярные кристаллы),
- 11. * А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 8. Виды тепловой поляризации 8.1. Ионная Ионная тепловая поляризация возможна только
- 12. * А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 8.2. Дипольная тепловая поляризация Слабосвязанные диполи в полярных диэлектриках под действием
- 13. * А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 8.3. Электронная тепловая поляризация Электронная тепловая поляризация характерна для твердых диэлектриков,
- 14. * А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 9. Диэлектрическая проницаемость Для газов, неполярных жидкостей и кубических кристаллов связь
- 15. * А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 10. Сегнетоэлектрики Сегнетоэлектрики обладают спонтанной поляризацией до определенной температуры TC, нелинейной
- 16. * А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 11. Пьезоэлектрики Пьезоэлектрики – вещества (диэлектрики и полупроводники), в которых при
- 17. * А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 12. Пироэлектрики Пироэлектрики – кристаллические диэлектрики, у которых при нагревании или
- 18. * А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 13. Фотополяризация Фотополяризация – изменение поляризации под действием интенсивных световых потоков.
- 19. * А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 14. Электреты Электреты – диэлектрики, длительное время сохраняющие поляризованное состояние после
- 21. Скачать презентацию
Слайд 2*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
1. Относительная диэлектрическая проницаемость
Поляризация представляет собой обратимое смещение
*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
1. Относительная диэлектрическая проницаемость
Поляризация представляет собой обратимое смещение
![* А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 1. Относительная диэлектрическая проницаемость Поляризация представляет собой](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/335364/slide-1.jpg)
Емкость конденсатора, имеющего на пластинах заряд Q и заполненного вакуумом, C0 = Q / U0, где U0 – разность потенциалов. После того, как в зазор будет вставлен диэлектрик, C = Q / U = εС0.
Величину ε = E0 / E (E – напряженность электрического поля ) называют относительной диэлектрической проницаемостью, она зависит от свойств диэлектрика и характеризует уменьшение силы взаимодействия электрических зарядов в диэлектрике по сравнению с вакуумом.
Слайд 3*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
2. Вектор поляризации
При наложении электрического поля в диэлектрике возникают
*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
2. Вектор поляризации
При наложении электрического поля в диэлектрике возникают
![* А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 2. Вектор поляризации При наложении электрического поля](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/335364/slide-2.jpg)
Вектор поляризации представляет собой объемную плотность электрического дипольного момента диэлектрика: P = (Σpj) / V.
При поддержании постоянной разности потенциалов и введении в конденсатор изотропного диэлектрика возрастает электрическая индукция (электрическое смещение) D: D = ε0E + P = ε0εE = εD0.
ε0 = 8,854⋅10–12 Кл / (В⋅м) – электрическая постоянная.
Вектора E и D направлены от положительного заряда к отрицательному. Вектор P направлен от отрицательного заряда к положительному. Векторы E, D и P в изотропных диэлектриках имеют одно и то же направление.
P = χeε0E = αE, χe = ε – 1, где χe – диэлектрическая восприимчивость; α – поляризуемость.
В анизотропных диэлектриках диэлектрическая проницаемость является симметричным тензором второго ранга εij (i, j = 1, 2, 3).
Слайд 4*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
3. Механизмы поляризации
*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
3. Механизмы поляризации
![* А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 3. Механизмы поляризации](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/335364/slide-3.jpg)
Слайд 5*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
4. Упругая и тепловая поляризации
Если частицы в диэлектрике связаны
*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
4. Упругая и тепловая поляризации
Если частицы в диэлектрике связаны
![* А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 4. Упругая и тепловая поляризации Если частицы](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/335364/slide-4.jpg)
В случае слабой связи между частицами на поляризации сказывается их тепловое движение. Под действием электрического поля за счет тепловой энергии при смещении частицы преодолевают потенциальные барьеры. Возникающие смещения достаточно велики: ~0,5 нм. После выключения поля вследствие дезориентирующего влияния теплового движения система возвращается (релаксирует) в исходное положение более медленно (τr ~10–6÷10–10 с), чем при упругой поляризации. Такая поляризация называется тепловой (прыжковой, релаксационной).
Слайд 6*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
5. Спонтанная поляризация
В некоторых диэлектриках происходит самопроизвольная ориентация диполей
*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
5. Спонтанная поляризация
В некоторых диэлектриках происходит самопроизвольная ориентация диполей
![* А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 5. Спонтанная поляризация В некоторых диэлектриках происходит](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/335364/slide-5.jpg)
При релаксационной и спонтанной поляризациях имеют место затраты энергии, рассеиваемой в диэлектриках в виде тепла.
Слайд 7*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
6. Миграционная поляризация
К макроскопической поляризации относят миграционную, или объемно-зарядную,
*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
6. Миграционная поляризация
К макроскопической поляризации относят миграционную, или объемно-зарядную,
![* А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 6. Миграционная поляризация К макроскопической поляризации относят](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/335364/slide-6.jpg)
τr = 10–5÷10–4 с
Слайд 8*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
7. Виды упругой поляризации
7.1. Электронная
Электронная упругая поляризация наблюдается во
*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
7. Виды упругой поляризации
7.1. Электронная
Электронная упругая поляризация наблюдается во
![* А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 7. Виды упругой поляризации 7.1. Электронная Электронная](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/335364/slide-7.jpg)
Время установления электронной упругой поляризации очень мало: 10–17÷10–16 с, поэтому она успевает устанавливаться в высокочастотных полях вплоть до оптических частот.
Слайд 9*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
7.2. Ионная упругая поляризация
Ионная упругая поляризация имеет место в
*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
7.2. Ионная упругая поляризация
Ионная упругая поляризация имеет место в
![* А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 7.2. Ионная упругая поляризация Ионная упругая поляризация](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/335364/slide-8.jpg)
Время установления ионной поляризации составляет ~10–15÷10–14 с, т. е. такая поляризация успевает устанавливаться и в сверхвысокочастотных полях (1010÷1011 Гц). Однако в инфракрасной области спектра наблюдается запаздывание в установлении ионной поляризации.
Слайд 10*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
7.3. Дипольная упругая поляризация
Когда диполи связаны достаточно жестко (полярные
*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
7.3. Дипольная упругая поляризация
Когда диполи связаны достаточно жестко (полярные
![* А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 7.3. Дипольная упругая поляризация Когда диполи связаны](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/335364/slide-9.jpg)
Поляризуемость зависит от электрического момента каждой молекулы, энергии межмолекулярных связей и направления электрического поля. Она максимальна при β = 90° и 270°. Когда внутреннее и внешнее поля параллельны, поляризуемость равна нулю. Поэтому вклад упругой дипольной поляризации может обусловливать анизотропию диэлектрической проницаемости.
Упругий поворот диполя на угол γ во внешнем электрическом поле E, образующем угол β с внутренним полем кристалла Eвн.
Слайд 11*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
8. Виды тепловой поляризации
8.1. Ионная
Ионная тепловая поляризация возможна только
*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
8. Виды тепловой поляризации
8.1. Ионная
Ионная тепловая поляризация возможна только
![* А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 8. Виды тепловой поляризации 8.1. Ионная Ионная](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/335364/slide-10.jpg)
В зависимости от особенностей структуры диэлектрика и типа дефектов время релаксации ионной тепловой поляризации при комнатной температуре составляет ~10–8÷10–4 с. Поэтому ионная тепловая поляризация может быть основной причиной диэлектрических потерь на радиочастотах.
Слабосвязанные ионы в результате тепловых флуктуаций могут переходить из одного положения равновесия в другое, преодолевая потенциальные барьеры.
Слайд 12*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
8.2. Дипольная тепловая поляризация
Слабосвязанные диполи в полярных диэлектриках под
*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
8.2. Дипольная тепловая поляризация
Слабосвязанные диполи в полярных диэлектриках под
![* А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 8.2. Дипольная тепловая поляризация Слабосвязанные диполи в](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/335364/slide-11.jpg)
Время релаксации дипольной тепловой поляризации экспоненциально зависит от температуры, уменьшаясь при нагревании диэлектрика. При комнатной температуре для различных диэлектриков оно лежит в пределах ~10–10÷10–4 с.
Слайд 13*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
8.3. Электронная тепловая поляризация
Электронная тепловая поляризация характерна для твердых
*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
8.3. Электронная тепловая поляризация
Электронная тепловая поляризация характерна для твердых
![* А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 8.3. Электронная тепловая поляризация Электронная тепловая поляризация](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/335364/slide-12.jpg)
Пример: в стехиометрическом TiO2 атомы Ti имеют валентность 4. При наличии вакансий кислорода, возникают слабосвязанные электроны, и часть атомов Ti становится трехвалентной. В результате теплового движения такие электроны хаотически переходят от одного близко лежащего к вакансии атома Ti к другому, преодолевая определенный потенциальный барьер. При наложении внешнего электрического поля возникает преимущественная направленность перескоков электронов и результирующий дипольный момент.
Для электронной тепловой поляризации τr~10–7÷10–2 с.
Слайд 14*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
9. Диэлектрическая проницаемость
Для газов, неполярных жидкостей и кубических кристаллов
*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
9. Диэлектрическая проницаемость
Для газов, неполярных жидкостей и кубических кристаллов
![* А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 9. Диэлектрическая проницаемость Для газов, неполярных жидкостей](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/335364/slide-13.jpg)
В постоянном электрическом поле все виды поляризации, присущие данному веществу, успевают установиться. В переменном электрическом поле с ростом частоты ν начинают запаздывать наиболее медленные виды поляризации, а затем и другие виды. Это приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости с ростом частоты, вплоть до ε = 1 в полях с частотой ν = 1017÷1018 Гц.
Слайд 15*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
10. Сегнетоэлектрики
Сегнетоэлектрики обладают спонтанной поляризацией до определенной температуры TC,
*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
10. Сегнетоэлектрики
Сегнетоэлектрики обладают спонтанной поляризацией до определенной температуры TC,
![* А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 10. Сегнетоэлектрики Сегнетоэлектрики обладают спонтанной поляризацией до](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/335364/slide-14.jpg)
Сегнетоэлектрики получили свое название от сегнетоэлектрической соли NaKC4H4O6⋅4H2O – минерала, для которого впервые наблюдалась нелинейность зависимости P(T).
Характерной особенностью сегнетоэлектриков является наличие петли гистерезиса на зависимости P(T).
Существование сегнетоэлектрического гистерезиса связано с наличием сегнетоэлектрических доменов – объемных областей, в каждой из которых дипольные моменты ориентированы одинаково.
Слайд 16*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
11. Пьезоэлектрики
Пьезоэлектрики – вещества (диэлектрики и полупроводники), в которых при
*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
11. Пьезоэлектрики
Пьезоэлектрики – вещества (диэлектрики и полупроводники), в которых при
![* А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 11. Пьезоэлектрики Пьезоэлектрики – вещества (диэлектрики и](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/335364/slide-15.jpg)
Следствие прямого пьезоэффекта – обратный пьезоэффект – появление механических деформаций под действием электрического поля.
При упругой деформации происходит смещение положительных и отрицательных ионов друг относительно друга, что приводит к возникновению электрического момента. Пьезоэффекты наблюдаются только в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Смещение частиц в кристаллах, обладающих центром симметрии, не приводит к появлению поляризованного состояния, а происходит электрическая компенсация моментов.
К пьезоэлектрикам относятся, например, кварц, кристаллы дигидрофосфата калия KH2PO4, различные виды пьезокерамики и др. Пьезоэлектрики находят применение в качестве мощных излучателей, приемников и источников ультразвука, стабилизаторов частоты, электрических фильтров высоких и низких частот, трансформаторов напряжения и тока.
Слайд 17*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
12. Пироэлектрики
Пироэлектрики – кристаллические диэлектрики, у которых при нагревании или
*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
12. Пироэлектрики
Пироэлектрики – кристаллические диэлектрики, у которых при нагревании или
![* А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 12. Пироэлектрики Пироэлектрики – кристаллические диэлектрики, у](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/335364/slide-16.jpg)
Повышение температуры приводит к разупорядочению диполей за счет теплового движения, а следовательно, к изменению спонтанной поляризации – первичный пироэффект. С увеличением температуры изменяются линейные размеры кристалла (тепловое расширение), что также приводит к изменению спонтанной поляризации – вторичный (ложный) пироэффект.
Примеры пироэлектриков: турмалин Li2SO4⋅H2O; LiTaO3, LiNbO3, Pb5Ge3O11; керамические: BaTiO3, титанат-цирконат свинца; полимеры: поливинилфторид [–CH2–CHF–]n, полиакрилонитрил [–CH2CH(CN)–]n. На основе пироэлектриков изготавливают высокочувствительные теплодатчики, термоэлектрические преобразователи, детекторы инфракрасного излучения малой мощности.
Слайд 18*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
13. Фотополяризация
Фотополяризация – изменение поляризации под действием интенсивных световых потоков.
*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
13. Фотополяризация
Фотополяризация – изменение поляризации под действием интенсивных световых потоков.
![* А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 13. Фотополяризация Фотополяризация – изменение поляризации под](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/335364/slide-17.jpg)
Ниобат лития обладает широкой запрещенной зоной ~3,6 эВ. В этом случае носители заряда могут генерироваться в запрещенной зоне только за счет фотоионизации примесей. Неравномерное освещение образца приводит к тому, что в освещенной области генерируются носители, которые под действием внутреннего электрического поля перемещаются в неосвещенные области, где захватываются ловушками. В результате возникает перераспределение заряда, приводящее к электрическому полю объемного заряда. Конфигурация такого поля определяется распределением интенсивности светового потока.
Явление фотополяризации может быть использовано при записи голограмм.
Слайд 19*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
14. Электреты
Электреты – диэлектрики, длительное время сохраняющие поляризованное состояние после
*
А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ
14. Электреты
Электреты – диэлектрики, длительное время сохраняющие поляризованное состояние после
![* А.В. Шишкин, АЭТУ, НГТУ 14. Электреты Электреты – диэлектрики, длительное время](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/335364/slide-18.jpg)
Электреты могут быть получены практически из любых полярных диэлектриков: органических полимерных (политетрафторэтилен, он же фторопласт-4, фторлон-4, тефлон [–CF2–CF2–]n, полипропилен [–CH2CH(CH3)–]n, поликарбонаты [–ORO–C(O)–]n, где R – аромати-ческий или алифатический остаток; полиметилметакрилат, он же плексиглас [–CH2–CH3(COOCH3)–]n и др.); неорганических монокристаллических (кварц, корунд и др.), поликристаллических (керамики, ситаллы и др.), стекол. Наиболее стабильны электреты из пленочных фторсодержащих полимеров.