Исследование электрических свойств диэлектрических кристаллов
Скачать 187.98 Kb.
|
| Тема научной работы по физике: ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ Выполнили: Пак Полина Иванушкина Анжелика Куратор: Четвергов Н. А. Красноярск 2011г. СОДЕРЖАНИЕ
Введение В зависимости от характера действия на тела электрического поля их можно разделить на проводники, диэлектрики и полупроводники. Свойства тел и поведение их в электрическом поле определяются строением и расположением атомов в телах. В состав атомов входят электрически заряженные частицы: положительные – протоны, отрицательные – электроны. В нормальном состоянии атом электрически нейтрален, так как число протонов, входящих в состав ядра атома, равно числу электронов, вращающихся вокруг ядра и образующих «электронные оболочки» атома. Электроны внешней валентной оболочки определяют электропроводность вещества. Проводники - вещества, хорошо проводящие электрический ток благодаря наличию в них большого количества подвижных заряженных частиц. Делятся на электронные (металлы, полупроводники), ионные (электролиты) и смешанные, где имеет место движение, как электронов, так и ионов (напр., плазма). Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов – это часть электронов сравнительно слабо связанных с ядром, которые могут перемещаться с орбиты одного ядра на орбиту другого под воздействием внешнего электрического поля. Типичные проводники – металлы (медь, алюминий и т.д.) Полупроводники — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры. К полупроводникам относятся элементы IV группы периодической системы элементы Д.М. Менделеева, которые на внешней оболочке имеют четыре валентных электрона. Типичные полупроводники – германий Ge и кремний Si. Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее или совсем не проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 см−3. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. Диэлектрики. Классификация. Диэлектрические материалы классифицируются: - по агрегатному состоянию:
- по химическому составу:
К разряду органических изолирующих материалов относятся вещества животного (шелк, воск) и растительного (бумага, резина, канифоль, лаки, смолы и масла) происхождения, а также искусственные синтетические продукты, относящиеся к классу органических соединений (бакелиты, полистирол, полихлорвинил, целлулоид и др.).
К этому классу относятся минеральные вещества и разнообразные сорта керамики (кварц, стекло, стеклоэмали, фарфор электротехнический и радиофарфор, большое количество специальных сортов керамики) - по способу получения:
- по строению молекул:
С  остоят из неполярных молекул, не обладающих электрическим моментом их электрический момент p = q • l = 0. Центры тяжести положительного и отрицательного зарядов совпадают. К неполярным диэлектрикам относятся углеводороды, нефтяные электроизоляционные масла, полиэтилен, полистирол и др.
Состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают. К полярным диэлектрикам относятся феноло-формальдегидные и эпоксидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др. - по области применения
Используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потенциалами.
Используются для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры и других факторов. - По возможности управления электрическими свойствами
Обладают постоянными свойствами
Обладают свойствами, которыми можно управлять Диэлектрики в электрическом поле В диэлектрике, помещенном в электрическое поле, заряды не разделяются, следовательно, в нем нет свободных зарядов. Притяжение незаряженного тела из диэлектрика к заряженному телу объясняется тем, что в электрическом поле происходит поляризация диэлектрика - смещение в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества.  При отсутствии электрического поля электронное облако расположено симметрично относительно атомного ядра.  В электрическом поле с напряженностью  оно изменяет свою форму, и центр отрицательно заряженного электронного облака уже не совпадает с центром положительного атомного ядра.Р  ассмотрим диэлектрик, помещенный во внешнее однородное поле E0. Опыт показывает, что на противоположных поверхностях диэлектрика появляются заряды разных знаков: Связанные заряды создают электрическое поле E1, которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности E0 внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика. При этом E1 < E0, поэтому внешнее поле ослабляется лишь частично (а не гасится полностью, как внутри проводника) Результирующее поле внутри диэлектрика равно: E= E0 – E1 Результирующее поле E направлено в ту же сторону, что и внешнее поле E0 Что и записывают в виде:  Физическая величина, равная отношению модуля напряженности E0 внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности E результирующего поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества. Типы поляризации
Молекулы полярных диэлектриков с точки зрения электрических свойств являются диполями. Диполь – это система двух одинаковых по модулю и противоположных по знаку зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга:   При отсутствии внешнего электрического поля молекулы – диполи полярного диэлектрика, совершают хаотическое тепловое движение, ориентированы в самых различных направлениях. Электрическое поле этих диполей полностью компенсируют друг друга, и результирующее поле равно нулю во всех областях диэлектрика. Но если поместить такой диэлектрик во внешнее поле E0 , то оно «развернет» диполи так, что они окажутся ориентированными вдоль линий напряженности («минусы» диполей повернутся влево – к тем «плюсам», которые создают внешнее поле) :   В реальности не будет столь идеально правильного порядка расположения диполей – ведь они по-прежнему совершают хаотическое тепловое движение. Но теперь у диполей появится преимущественная ориентация – вдоль линий напряженности внешнего поля E0. Внутри диэлектрика заряды диполей по-прежнему компенсируют друг друга. Итак, механизм ориентационной поляризации ясен: поворот молекул-диполей и их ориентация вдоль линий напряженности внешнего поля.
Диэлектрик называется неполярным, если его молекулы имеют симметричное распределение положительных и отрицательных зарядов и потому не ведет себя как диполи. К неполярным диэлектрикам относятся, например, керосин, масло, воздух, инертные газы. Тем не менее, поляризация наблюдается и у неполярных диэлектриков.  На данном рисунке изображена симметричная электронная орбита в атоме неполярного диэлектрика.  При наложении внешнего поля E0 эта орбита деформируется: электрон смещается в сторону положительных зарядов, создающих внешнее поле. Во внешнем поле электрон будет проводить больше времени слева от ядра, нежели чем справа. Из-за этого центры положительных и отрицательных зарядов в атоме неполярного диэлектрика разойдутся в разные стороны. Соответственно, атомы или молекулы неполярного диэлектрика во внешнем поле начнут вести себя подобно диполям, также как в случае ориентационной поляризации. Объяснение механизма ослабления поля внутри диэлектрика останется тем же самым. Итак, электронная поляризация вызвана деформацией электронных оболочек атомов во внешнем электронном поле. Разумеется, электронная поляризация присутствует и у полярных диэлектриков; но там она теряется на фоне куда более мощного эффекта разворота самих диполей. Электрическое смещение Напряженность электростатического поля, как следует из ранее полученной формулы E=E0/ε , зависит от свойств среды: в однородной изотропной среде напряженность поля Е обратно пропорциональна ε. Вектор напряженности Е, при переходе через границу диэлектриков, испытывает скачкообразное изменение, тем самым делая неудобства при расчетах электростатических полей. Поэтому необходимо помимо вектора напряженности характеризовать поле еще вектором электрического смещения, который для электрически изотропной среды, по определению, равен:  e – диэлектрическая проницаемость e0 = 8,854 * 10-12 Ф/м (электрическая постоянная) Либо вектор электрического смещения можно выразить как:  где P – вектор поляризацииЕдиница электрического смещения — кулон на метр в квадрате (Кл/м2). Вектор D направлен в ту же сторону, что и E. В отличие от напряженности поля E вектор D имеет постоянное значение во всех диэлектриках. Выясним, с чем можно связать вектор электрического смещения. Связанные заряды образуются в диэлектрике при наличии внешнего электростатического поля, который создается системой свободных электрических зарядов, т. е. в диэлектрике электростатическое поле свободных зарядов суммируется с дополнительным полем связанных зарядов. Результирующее поле в диэлектрике характеризуется вектором напряженности Е, и потому он зависит от свойств диэлектрика. Вектором D характеризуется электростатическое поле, которое создавается свободными зарядами. Связанные заряды, которые возникают в диэлектрике, могут вызвать перераспределение свободных зарядов, которые создают поле. Поэтому вектор D характеризует электростатическое поле, которое создается свободными зарядами (т. е. в вакууме), но при таком их распределении в пространстве, какое имеется при наличии диэлектрика. Аналогичным образом, как и поле Е, поле D следует графически изображать с помощью линий электрического смещения, направление и густота которых задаются также, как и для линий напряженности. Линии вектора Е могут начинаться и заканчиваться на любых зарядах — свободных и связанных, в то время как линии вектора D — только на свободных зарядах. Через области поля, где находятся связанные заряды, линии вектора D проходят не прерываясь.  Электрическая емкость конденсатора Электрическая емкость проводника или устройства, состоящего из двух проводников, разделенных диэлектриком, характеризует их способность накапливать электрические заряды. Электрическая энергия в конденсаторах накапливается в виде электронов. В технике широко применяют конденсаторы — устройства, которые при сравнительно малых размерах способны накапливать значительные электрические заряды. Они используются в энергетических установках, в устройствах электроники, автоматики и др. Емкость конденсатора С зависит от вида диэлектрика, помещенного между его обкладками. Оказалось, что при заполнении пространства между обкладками конденсатора его емкость возрастает в  раз. Значение величины , которую называют диэлектрической проницаемостью (относительная диэлектрическая проницаемость) диэлектрика, зависит только от его свойств и показывает, во сколько раз поле в диэлектрике меньше, чем в вакуумЁ  мкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью  каждая, расположенных на расстоянии  друг от друга, в системе СИ выражается формулой: Емкость конденсатора связана с зарядом Q на его обкладках и разностью потенциалов U между ними известным соотношениями: C = Q/U [ф] Q – количество электричества U – напряжение Единица измерения емкости - Фарадах (принято считать, что электрическая ёмкость в 1 фарад соответствует конденсатору, заряженному электрическим зарядом в 1 кулон при разности потенциалов на его обкладках в 1 вольт) Номиналы конденсаторов чаще всего обозначаются в трех кратностях — микро, пико и нанофарадах: 10-6 Ф — микрофарад — мкФ — µF 10-9 Ф — нанофарад — нФ — nF 10-12 Ф — пикофарад — пФ — pF Напряженность поля Е между двумя пластинами (обкладками) конденсатора вычисляется по формуле E = U/a [в\м] U — напряжение между обкладками a — расстояние между пластинами АКТИВНЫЕ И ПАССИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ Активные диэлектрики (управляемые) - такие диэлектрики, свойства которых существенно зависят от внешних условий - температуры, давления, напряженности поля и так далее. Они могут служить рабочими телами в разнообразных датчиках, преобразователях, генераторах, модуляторах и других активных элементах. Также эти диэлектрики предназначены для создания функциональных элементов электроники, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий. Пассивные диэлектрики: электроизоляционные, конструктивные и конденсаторные диэлектрические материалы, органические полимерные диэлектрики, композиционные порошковые пластмассы, слоистые диэлектрики, электроизоляционные лаки и компаунды, неорганические стекла и ситаллы, керамика. Классификация активных диэлектриков К числу активных диэлектриков относятся:
 СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ а) Общая характеристика Сегнетоэлектрики - кристаллические диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью. Поляризованность, в отсутствие внешнего электрического поля, существенно изменяется под влиянием внешних воздействий таких как изменения температуры, электрического поля, деформации. Из-за своей похожести по свойствам на ферромагнетики их часто называют ферроэлектриками. Впервые эти свойства обнаружены И.В. Курчатовым и П.П. Кобеко (1930) при исследовании кристаллов сегнетовой соли NаКС4Н4О6*4Н2О. Она и дала название сегнетоэлектрики этому типу кристаллов. Сегнетоэлектрики подразделяются на 2 типа:
б) Свойства При отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрик представляет собой как бы мозаику из доменов. Домены - области с различными направлениями поляризованности. На рисунке стрелками указаны направления вектора поляризованности. В  смежных доменах эти направления различны, и в целом дипольный момент диэлектрика равен нулю.При внесении сегнетоэлектрика во внешнее поле происходит переориентация дипольных моментов доменов по полю. Возникшее при этом суммарное электрическое поле доменов будет поддерживать их некоторую ориентацию даже после прекращения действия внешнего поля. Поэтому сегнетоэлектрики имеют аномально большие значения диэлектрической проницаемости (для сегнетовой соли ~ 104)В принципе, у ферромагнетиков также имеются домены, поэтому поведение сегнетоэлектриков в электрическом поле подобно поведению ферромагнетиков в магнитном поле. Единственным различием между сегнетоэлектриками и ферромагнетиками является то, что при помещении их в электрическое поле меняется вектор электрического смещения D = E + P, а у ферромагнетиков при помещении в магнитное поле меняется индукция B = H+I. В  сегнетоэлектриках наблюдается явление диэлектрического гистерезиса, заключающегося в том, что сегнетоэлектрик имеет разные значения поляризованное при одной и той же напряженности электрического поля.При увеличении напряженности Е внешнего электрического поля поляризованность Р растет, достигая насыщения (кривая l). Уменьшение Р с уменьшением Е происходит по кривой 2, и при E = 0 сегнетоэлектрик сохраняет остаточную поляризованность Рос, т. е. сегнетоэлектрик остается поляризованным в отсутствие внешнего электрического поля
в) Применения Сегнетоэлектрики находят применение:
ПЬЗОЭЛЕКТРИКИ а) Общая характеристика Пьезоэлектрики - это вещества с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. В 1880 году братьями П. и Ж. Кюри был открыт прямой пьезоэффект – явление поляризации диэлектрика под действием механического напряжения. К пьезоэлектрикам относятся: кварц SiO2, тростниковый сахар, винная кислота, хлорат натрия, цинковая обманка, турмалин, сегнетова соль, титанат бария б) Свойства Электрический заряд Q, возникающий на поверхности, изменяется по линейному закону в зависимости от механических усилий F Q – величина заряда Q = dF F – величина приложенной силы d – пьезомодуль (коэффициент пропорциональности между зарядом и приложенной силой) Q/S = qs qs - заряд на единицу площади Наряду с прямым пьезоэффектом, наблюдается и обратный пьезоэффект (предсказан Липпманом в 1881 году), когда под действием электрического поля возникает механическая деформация диэлектрика, причем величина механической деформации прямо пропорциональна напряженности электрического поля. При обратном пьезоэффекте происходит изменение размеров диэлектрика Dl/l пропорционально напряженности электрического поля Е. D l/l = d = dE d - относительная деформация Пьезоэлектрический эффект наблюдается только тогда, когда кристаллическая решетка несимметрична. Отсутствие центра симметрии кристаллической решетки является необходимым, но недостаточным условием появления пьезоэлектрического эффекта. в) Применения Пьезокерамические материалы принято разделять на четыре функциональные группы:
Везде, где нужно преобразовать механические свойства в электрические:
ПИРОЭЛЕКТРИКИ а) Общая характеристика Пироэлектрики - диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пироэлектрическим эффектом. К пироэлектрикам относятся:
б) Свойства Пироэлектрическим эффектом называют изменение спонтанной поляризованности диэлектрика при изменении его температуры и как следствие, возникновение электрических зарядов на поверхности пироэлектриков при их нагревании или охлаждении. Уравнение пироэлектрического эффекта имеет вид: ∆Pсп = r×∆T ∆Рсп - спонтанная поляризованность диэлектрика r - пироэлектрический коэффициент - изменения температуры Пироэлектрический коэффициент учитывает нарушение упорядоченности в расположении элементарных дипольных моментов (истинный пироэффект) и пьезоэлектрическую поляризацию, обусловленную изменением линейных размеров (вторичный пироэффект) при изменении температуры диэлектрика. Существуют вещества, у которых при изменении температуры возникают связанные заряды. В этих веществах не совпадают центры положительных и отрицательных зарядов, т. е. они обладают собственной (спонтанной) поляризацией. Образуются связанные заряды, которые компенсируются зарядами извне. Если изменить температуру, то изменится поляризация, и изменятся величины зарядов. в) Применения Пироэлектрики применяются:
ЭЛЕКТРЕТЫ Электреты - это твердые диэлектрики длительно сохраняющие поляризацию и создающие в окружающем их пространстве электрическое поле. По способу формирования зарядов электреты подразделяют на:
Применение электретов:
Используемая литература: Специальный практикум по физике твердого тела (Б.П.Сорокин, Н.А.Четвергов, П.П. Турчин) http://www.tsput.ru/res/fizika/electrostat/lection_14.html http://www.bestreferat.ru/referat-105479.html http://2balla.ru/index.php?option=com_ewriting&Itemid=69&func=chapterinfo&chapter=49778&story=33859 |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Практическая работа «Выращивание кристаллов медного купороса и хлорида... А во-вторых, в результате деятельности проекта будет создана презентация «Кристаллы и их применение» и выращенные кристаллы медного... | | Адаптивная системА управления процессАмИ роста кристаллов для методов Степанова и Чохральского Работа выполнена в лаборатории управляемого роста кристаллов Учреждения Российской академии наук Института физики твердого тела ран... |
 | Реферат: «Выращивание кристаллов в домашних условиях» Мир кристаллов это сказочно красивый мир. Они завораживают своим блеском, многообразием цвета и форм | | Алмазодобывающая промышленность россии Мы живем среди кристаллов, ходим по ним и широко используем их в нашей повседневной жизни. Земная кора на 95 состоит из кристаллов.... |
| Исследование параметров сцинтилляционных кристаллов саМоО 4 для поиска... Федеральное Государственное унитарное предприятие "Государственный Научный Центр Российской Федерации Институт теоретической и экспериментальной... | | Исследование параметров сцинтилляционных кристаллов саМоО 4 для поиска... Федеральное Государственное унитарное предприятие "Государственный Научный Центр Российской Федерации Институт теоретической и экспериментальной... |
| Дипломный проект тема Исследование динамических свойств автоматической... Тема Исследование динамических свойств автоматической системы регулирования тока тяговых двигателей электровоза 2ЭС6 | | Фгбоу впо «удмуртский государственный университет» физико-энергетический... Научиться оценить влияние различных дефектов структуры на качественные характеристики кристаллов, используемых в различных областях... |
| Исследование взаимосвязи структуры, твердости и магнитных свойств... | | Тема, часы П/Р №1 Исследование свойств ароматических веществ: спиртов, альдегидов и кислот. Т/Б |
| И. А. Смирнова доктор технических наук, профессор Исследование свойств молочного белка с целью формирования белковых имитаторов жира | | И разрывных электрических контактов и материал Изобретение относится к производству материалов дугогасительных и разрывных электрических контактов и может использовано в токоприемниках... |
| Макаров Валентин Михайлович Традиционным направлением научных исследований... Исследование динамики левитирующего сверхпроводящего тела в магнитном поле. Выявление силовых характеристик, обеспечивающих левитацию... | | Исследование физико-химических свойств хлеба 9 О внесении изменений в приказ министерства сельского хозяйства Новосибирской области от 26. 12. 2011 №194-нпа |
| Исследование отдельных физических свойств песка Печатается по решению учебно-методической комиссии Института истории фгаувпо «Казанский (Приволжский) федеральный университет» | | Исследовательская работа на тему: «Получение и исследование свойств... Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение г. Астрахани «Средняя общеобразовательная школа №36» |
