VIRTUAL LABORATORY WORK No. 3 PROGRAMVARE

SOLID KROPPSFYSIKK

Metodiske instruksjoner for gjennomføring av laboratoriearbeid nr. 3 om seksjonen fysikk "Solid state" for studenter med tekniske spesialiteter fra alle former for utdanning

Krasnoyarsk 2012

Anmelder

Kandidat for fysisk og matematisk vitenskap, førsteamanuensis O.N. Bandurina

(Siberian State Aerospace University

oppkalt etter akademiker M.F. Reshetnev)

Publisert etter avgjørelsen fra ICT Methodological Commission

Bestemmelse av dielektrisk konstant for halvledere. Virtuelt laboratoriearbeid nr. 3 om faststoffysikk: Metodiske instruksjoner for gjennomføring av laboratoriearbeid nr. 3 om seksjonen av fysikk "Solid state" for studenter på teknologi. spesialist. alle former for utdanning / komp.: A.M. Kharkov; Sib. stat romfart un-t. - Krasnoyarsk, 2012. - 21 s.

Siberian State Aerospace

Universitet oppkalt etter akademiker M.F. Reshetnev, 2012

Introduksjon ………………………………………………………………………………… ... 4

Opptak til laboratoriearbeid ……………………………………………………… ... 4

Registrering av laboratoriearbeid for beskyttelse ……………………………………… ... 4

Bestemmelse av dielektrisk konstant for halvledere ………… ........ 5

Metodeteori …………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………… 5

Dielektrisk konstant målingsteknikk ………………… .. …… ..11

Behandling av måleresultater ……………………… .. ………………………… 16

Testspørsmål ………… .. ………………………………………………… .17

Test …………………………………………………………………………………… .17

Referanser …………………………………………………………………… 20

Tillegg ……………………………………………………………………………… 21

INTRODUKSJON

Disse retningslinjene inneholder beskrivelser for laboratoriearbeid, som bruker virtuelle modeller fra kurset "Solid State Physics".

Opptak av laboratoriearbeid:

Gjennomført av læreren i grupper med en personlig undersøkelse av hver elev. For opptak:

1) Hver student forbereder på forhånd sin personlige oppsummering av dette laboratoriearbeidet;

2) Læreren sjekker designen av abstrakten individuelt og stiller spørsmål om teori, måleteknikk, installasjon og prosessering av resultater;

3) Studenten svarer på spørsmålene;

4) Læreren lar studenten jobbe og legger sin signatur i studentens sammendrag.

Registrering av laboratoriearbeid for beskyttelse:

En fullført og forberedt for forsvarsarbeid må oppfylle følgende krav:

Oppfyllelse av alle poeng: alle beregninger av de nødvendige verdiene, alle tabeller er fylt med blekk, alle grafer er bygget osv.

Tidsplanene må oppfylle alle kravene til læreren.

For alle verdier i tabellene må den tilsvarende måleenheten registreres.

Konklusjoner for hver graf registreres.

Et svar ble skrevet ut i foreskrevet form.

Konklusjonene i svaret blir registrert.

BESTEMMELSE AV DEN DIELEKTRISKE TILLATELIGHETEN FOR SEMIKLEDERE

Metode teori

Polarisering Er et dielektrikums evne til å polarisere under påvirkning av et elektrisk felt, dvs. endre i rommet arrangementet av bundne ladede dielektriske partikler.

Den viktigste egenskapen til dielektrikum er deres evne til å polarisere elektrisk, dvs. under påvirkning av et elektrisk felt oppstår en rettet forskyvning av ladede partikler eller molekyler over en begrenset avstand. Under virkningen av et elektrisk felt blir ladninger forskjøvet, både i polære og ikke-polære molekyler.

Det er over et dusin forskjellige typer polarisering. La oss ta en titt på noen av dem:

1. Elektronisk polarisering Er forskyvningen av elektronbaner i forhold til den positivt ladede kjernen. Det forekommer i alle atomer av et hvilket som helst stoff, dvs. i all dielektrikum. Elektronisk polarisering er etablert i en tid på 10-15-10-14 s.

2. Jonisk polarisering- forskyvning i forhold til hverandre av motsatt ladede ioner i stoffer med ioniske bindinger. Tidspunktet for etableringen er 10-13-10-12 s. Elektronisk og ionisk polarisering er øyeblikkelig eller deformasjonstyper av polarisering.

3. Dipole eller Orientering Polarisering på grunn av orienteringen av dipolene i retning av det elektriske feltet. Polare dielektrikum har dipolpolarisering. Tidspunktet for etableringen er 10 -10 -10 -6 s. Dipolpolarisering er en langsom eller avslappende type polarisering.

4. Migrasjonspolarisering observert i inhomogene dielektrikker, der elektriske ladninger akkumuleres ved grensen til inhomogenitetsdelen. Prosessene for å etablere migrerende polarisering er veldig sakte og kan ta minutter eller til og med timer.

5. Ionavslapping polarisering er forårsaket av overdreven overføring av svakt bundne ioner under påvirkning av et elektrisk felt over avstander som overstiger gitterkonstanten. Ionavslapping polarisering manifesterer seg i noen krystallinske stoffer i nærvær av urenheter i form av ioner eller løs pakking av krystallgitteret. Tidspunktet for opprettelsen er 10-8-10 -4 s.

6. Elektronisk avslapningspolarisering oppstår på grunn av overflødige "defekte" elektroner eller "hull" opphisset av termisk energi. Denne typen polarisering resulterer vanligvis i en høy dielektrisk konstant.

7. Spontan polarisering- spontan polarisering som forekommer i noen stoffer (for eksempel Rochelle salt) i et bestemt temperaturområde.

8. Elastodipolpolarisering assosiert med den elastiske rotasjonen av dipolene gjennom små vinkler.

9. Restpolarisering- polarisering, som forblir i noen stoffer (elektroner) i lang tid etter fjerning av det elektriske feltet.

10. Resonanspolarisering... Hvis frekvensen til det elektriske feltet er nær den naturlige frekvensen til dipolens vibrasjoner, kan vibrasjonene til molekylene øke, noe som vil føre til utseende av resonanspolarisering i dipol dielektrikum. Resonanspolarisering observeres ved frekvenser som ligger i det infrarøde området. En ekte dielektrikum kan samtidig ha flere typer polarisering. Utseendet til en eller annen type polarisering bestemmes av stoffets fysisk-kjemiske egenskaper og frekvensområdet som brukes.

Hovedinnstillinger:

ε - dielektrisk konstant- et mål på materialets evne til å polarisere; det er en verdi som viser hvor mange ganger interaksjonskraften mellom elektriske ladninger i et gitt materiale er mindre enn i et vakuum. Inne i dielektrikumet vises et felt motsatt det ytre.

Styrken til det ytre feltet svekkes i forhold til feltet med de samme ladningene i vakuum med faktoren ε, der ε er den relative permittiviteten.

Hvis vakuumet mellom kondensatorplatene erstattes av et dielektrikum, øker kapasitansen som et resultat av polarisering. En enkel definisjon av dielektrisk konstant er basert på dette:

hvor C 0 er kondensatorens kapasitans, mellom platene der det er et vakuum.

Cd er kapasitansen til den samme kondensatoren med et dielektrikum.

Den dielektriske konstanten ε til et isotropisk medium bestemmes av forholdet:

(2)

hvor χ er den dielektriske følsomheten.

D = tan δ - dielektrisk tapstangens

Dielektrisk tap - tap av elektrisk energi på grunn av strømmen av strøm i dielektrikum. Forskjell mellom strøm gjennom ledning I sk.pr, forårsaket av tilstedeværelsen i dielektrikum av en liten mengde lett mobile ioner, og polarisasjonsstrømmer. Med elektronisk og ionisk polarisering kalles polarisasjonsstrømmen fortrengningsstrømmen I cm, den er veldig kortvarig og blir ikke registrert av instrumenter. Strømmer assosiert med forsinkede (avslapping) typer polarisering kalles absorpsjonsstrømmer I abs. Generelt sett er den totale strømmen i dielektrikumet definert som: I = I abs + I sk.pr. Etter etablering av polarisering vil den totale strømmen være lik: I = I sk.pr. Hvis det i et konstant felt oppstår polarisasjonsstrømmer på tidspunktet for inn- og utkobling av spenningen, og den totale strømmen bestemmes i samsvar med ligningen: I = I sk.pr, så oppstår i et alternerende felt polarisasjonsstrømmer i øyeblikket av reversering av spenningspolaritet. Som en konsekvens kan tapene i dielektrikumet i et vekslende felt være betydelig, spesielt hvis halvperioden av den påførte spenningen nærmer seg polarisasjonens avsetningstid.

I fig. 1 (a) viser en krets som tilsvarer en kondensator med dielektrikum i en vekselspenningskrets. I denne kretsen erstattes en kondensator med en reell dielektrikum, som har tap, av en ideell kondensator C med en aktiv motstand R koblet parallelt. 1 (b) viser et vektordiagram over strømmer og spenninger for den aktuelle kretsen, der U er spenningen i kretsen; Jeg ak - aktiv strøm; I p - reaktiv strøm, som ligger foran den aktive komponenten i fase 90 °; I ∑ - total strøm. I dette tilfellet: I a = I R = U / R og I p = I C = ωCU, hvor ω er den sirkulære frekvensen til det vekslende feltet.

Fig. 1. (a) - diagram; (b) - vektordiagram over strøm og spenning

Vinkelen på dielektrisk tap kalles vinkelen δ, som kompletterer faseforskyvningsvinkelen φ mellom strømmen I ∑ og spenningen U i den kapasitive kretsen til 90 °. Tap i dielektrikum i et vekslende felt er preget av tangensen til den dielektriske tapvinkelen: tan δ = I a / I p.

Grenseverdiene for tangenten til den dielektriske tapvinkelen for høyfrekvente dielektrikker bør ikke overstige (0,0001 - 0,0004), og for lavfrekvente - (0,01 - 0,02).

Avhengighet av ε og tan δ av temperatur T og frekvens ω

De dielektriske parametrene til materialer varierer med temperatur og frekvens. Et stort antall dielektriske materialer tillater ikke å dekke funksjonene til all avhengighet av disse faktorene.

Derfor, i fig. 2 (a, b) viser generelle trender som er typiske for noen større grupper, dvs. de typiske avhengighetene av den dielektriske konstanten ε av temperaturen T (a) og av frekvensen ω (b) er presentert.

Fig. 2. Frekvensavhengighet av de reelle (εʹ) og imaginære (εʺ) delene av den dielektriske konstanten i nærvær av en

Kompleks dielektrisk konstant. I nærvær av avslapningsprosesser er det praktisk å skrive dielektrisk konstant i en kompleks form. Hvis Debye-formelen er gyldig for polariserbarhet:

(3)

hvor τ er avslapningstiden, α 0 er den statistiske orienteringspolariserbarheten. Deretter antar vi at det lokale feltet er lik det eksterne, får vi (i CGS):

Grafene over avhengigheten av εʹ og ε произведения av produktet ωτ er vist i fig. 2. Merk at en reduksjon i εʹ (reell del av ε) finner sted nær maksimumet av εʺ (imaginær del av ε).

Dette løpet av variasjon av εʹ og εʺ med frekvens er et hyppig eksempel på et mer generelt resultat, ifølge hvilket εʹ (ω) på frekvens også medfører avhengighet av εʺ (ω) på frekvens. I SI-systemet skal 4π erstattes med 1 / ε 0.

Under virkningen av et påført felt polariseres molekyler i et ikke-polært dielektrikum, og blir dipoler med et indusert dipolmoment μ og proporsjonal med feltstyrken:

(5)

I et polært dielektrikum er dipolmomentet til et polært molekyl μ generelt sett lik vektorsummen av det indre μ 0 og den induserte μ ogøyeblikk:

(6)

Styrken til feltet skapt av disse dipolene er proporsjonal med dipolmomentet og omvendt proporsjonal med kuben på avstanden.

For ikke-polare materialer, er vanligvis ε = 2 - 2,5 og avhenger ikke av frekvensen opp til ω ≈10 12 Hz. Avhengigheten av ε av temperaturen skyldes at når den endres, endres de lineære dimensjonene av faststoff og volumene av flytende og gassformige dielektrikker, noe som endrer antall molekyler n per volumsenhet

og avstanden mellom dem. Ved hjelp av forholdet kjent fra teorien om dielektrikum F = n \μ og og F =ε 0 (ε - 1) E, Hvor F- polarisering av materialet, for ikke-polære dielektrikum har vi:

(7)

For E = const også μ og= const og temperaturendringen i ε skyldes bare endringen i n, som er en lineær funksjon av temperatur Θ, avhengigheten ε = ε (Θ) er også lineær. Det er ingen analytiske avhengigheter for polær dielektrikum, og empiriske brukes vanligvis.

1) Med økende temperatur øker volumet til dielektrikumet og dielektrisk konstant avtar noe. Reduksjonen i ε er spesielt merkbar i løpet av perioden med mykning og smelting av ikke-polære dielektrikum, når volumet øker betydelig. På grunn av den høye frekvensen av omdreining av elektroner i baner (i størrelsesorden 10 15 -10 16 Hz), er tiden for å etablere en likevektstilstand for elektronisk polarisering veldig kort og permittiviteten ε for ikke-polære dielektrikker er ikke avhengig av feltet frekvens i det ofte brukte frekvensområdet (opptil 10 12 Hz).

2) Når temperaturen stiger, svekkes bindingene mellom individuelle ioner, noe som letter deres interaksjon under påvirkning av et eksternt felt, og dette fører til en økning i ionisk polarisering og dielektrisk konstant ε. På grunn av den korte tiden som kreves for å etablere tilstanden til ionisk polarisering (i størrelsesorden 10 13 Hz, som tilsvarer den naturlige frekvensen av svingninger av ioner i krystallgitteret), endres frekvensen til det ytre feltet i det vanlige driftsområder påvirker praktisk talt ikke verdien av ε i ioniske materialer.

3) Den dielektriske konstanten til polære dielektrikker avhenger sterkt av temperaturen og frekvensen til det eksterne feltet. Når temperaturen stiger, øker mobiliteten til partikler og samhandlingsenergien mellom dem, dvs. deres orientering blir lettere under påvirkning av et eksternt felt - dipolpolarisasjonen og dielektrisk konstant økning. Imidlertid fortsetter denne prosessen bare opp til en viss temperatur. Ved ytterligere temperaturøkning avtar permeabiliteten ε. Siden orienteringen av dipolene i retning av feltet utføres i prosessen med termisk bevegelse og ved hjelp av termisk bevegelse, krever etablering av polarisering en betydelig tid. Denne tiden er så lang at dipolene i høyfrekvente vekslende felt ikke har tid til å orientere seg langs feltet, og permittiviteten ε avtar.

Dielektrisk konstant måleteknikk

Kondensatorkapasitet. Kondensator Er et system med to ledere (plater) atskilt med et dielektrikum, hvis tykkelse er liten sammenlignet med ledernes lineære dimensjoner. Så, for eksempel, danner to flate metallplater, som er plassert parallelt og adskilt av et dielektrisk lag, en kondensator (figur 3).

Hvis platene til en flat kondensator får ladninger med det motsatte tegnet av samme størrelse, vil den elektriske feltstyrken mellom platene være dobbelt så høy som feltstyrken til en plate:

(8)

hvor ε er dielektrisk konstant av dielektrikumet som fyller rommet mellom platene.

Fysisk mengde bestemt av ladningsforholdet q en av kondensatorplatene til potensialforskjellen Δφ mellom kondensatorplatene kalles kondensatorens elektriske kapasitet:

(9)

Enhet med elektrisk kapasitet SI - Farad(F). En kondensator på 1 F er besatt av en slik kondensator, hvis potensialforskjell mellom platene er lik 1 V når platene forsynes med motsatte ladninger på 1 C: 1 F = 1 C / 1 V.

Kapasiteten til en flat kondensator. Formelen for beregning av den elektriske kapasiteten til en flat kondensator kan fås ved bruk av uttrykk (8). Faktisk er feltstyrken: E= φ / εε 0 = q / εε 0 S hvor S Er området på platen. Siden feltet er jevnt, er potensialforskjellen mellom kondensatorplatene: φ 1 - φ 2 = Ed = qd/εε 0 S hvor d Er avstanden mellom platene. Ved å erstatte formelen (9) får vi et uttrykk for den elektriske kapasiteten til en flat kondensator:

(10)

Hvor ε 0 - dielektrisk konstant av luft; S- området til kondensatorplaten, S = hl hvor h- plate bredde, l- dens lengde; d- avstanden mellom kondensatorens plater.

Uttrykk (10) viser at den elektriske kapasiteten til en kondensator kan økes ved å øke arealet S platene, reduserer avstanden d mellom dem og bruk av dielektrikum med store verdier av dielektrisk konstant ε.

Fig. 3. Kondensator med et dielektrikum plassert i den

Hvis en dielektrisk plate er plassert mellom platene til kondensatoren, vil kondensatorens kapasitans endres. Det bør tas hensyn til plasseringen av den dielektriske platen mellom platene på kondensatoren.

La oss betegne: d- tykkelsen på luftspalten, d m - tykkelsen på den dielektriske platen, l B er lengden på luftdelen av kondensatoren, l m er lengden på delen av kondensatoren fylt med et dielektrikum, ε m er materialets dielektriske konstant. Vurderer l = l i + l m og d = d i + d m, så kan disse alternativene vurderes i tilfeller:

Når l b = 0, d at = 0 har vi en kondensator med en solid dielektrikum:

(11)

Fra ligningene til klassisk makroskopisk elektrodynamikk, basert på Maxwells ligninger, følger det at når en dielektrikum er plassert i et svakt vekslende felt og endrer seg harmonisk med frekvensen ω, får den komplekse permittivitetstensoren form:

(12)

hvor σ er stoffets optiske ledningsevne, er εʹ den dielektriske konstanten til stoffet assosiert med polarisasjonen av dielektrikumet. Uttrykk (12) kan reduseres til følgende form:

der det tenkte begrepet er ansvarlig for dielektrisk tap.

I praksis måles C - kapasitansen til en prøve i form av en flat kondensator. Denne kondensatoren er preget av dielektrisk tapstangens:

tgδ = ωCR c (14)

eller kvalitetsfaktor:

Q c = 1 / tgδ (15)

hvor R c - motstand, avhengig hovedsakelig av dielektriske tap. Det finnes en rekke metoder for å måle disse egenskapene: forskjellige brometoder, målinger med konvertering av den målte parameteren til et tidsintervall, etc. ...

Ved måling av kapasitansen C og tangensen til den dielektriske tapsvinkelen D = tgδ i dette arbeidet, brukte vi teknikken utviklet av GOOD WILL INSTRUMENT Co. Ltd. Målingene ble utført på en presisjonsmåler - LCR-819-RLC. Enheten tillater måling av kapasitans i området 20 pF - 2.083 mF, tapstangens i området 0.0001-9999 og påføring av et forskyvningsfelt. Intern forskyvning opptil 2 V, ekstern forskyvning opptil 30 V. Måleøyaktigheten er 0,05%. Test signalfrekvens 12 Hz -100 kHz.

I dette arbeidet ble det utført målinger med en frekvens på 1 kHz i et temperaturområde på 77 K< T < 270 К в нулевом магнитном поле и в поле 5 kOe. Образцы для измерений имели форму параллелепипеда с размерами 2*3*4 мм (х=0.1), где d = 2 мм – толщина образца, площадь грани S = 3*4 мм 2 .

For å oppnå temperaturavhengighet plasseres cellen med prøven i en kjølevæske (nitrogen) strøm som ledes gjennom en varmeveksler, hvis temperatur er innstilt av varmeren. Varmetemperaturen styres av en termostat. Tilbakemelding fra temperaturmåleren til termostaten lar deg stille temperaturmåling eller stabilisere den. Et termoelement brukes til å kontrollere temperaturen. I dette arbeidet ble temperaturen endret med en hastighet på 1 grader / min. Denne metoden lar deg måle temperaturen med en feil på 0,1 grader.

Målecellen med prøven festet på den plasseres i en gjennomstrømningskryostat. Cellen er koblet til LCR-måleren med skjermede ledninger gjennom en kontakt i kryostathetten. Kryostaten er plassert mellom polene på FL-1-elektromagneten. Magnetstrømforsyningsenheten gjør det mulig å skaffe magnetfelt opptil 15 kOe. En termisk stabilisert Hall-sensor med elektronikk brukes til å måle størrelsen på magnetfeltet H. For å stabilisere magnetfeltet er det en tilbakemelding mellom strømforsyningen og magnetfeltmåleren.

De målte verdiene til kapasitansen C og tapstangenten D = tan δ er relatert til verdiene til de søkte fysiske størrelsene εʹ og εʺ ved følgende forhold:

(16)

(17)

№	C (pF)	Re (ε ')	T (° C)	tg δ	Q c	Jeg er (ε ")	ω (Hz)	σ (ω)
	3,805	71,66		0,075	13,33	5,375	10 3
	3,838			0,093
	3,86			0,088
	3,849			0,094
	3,893			0,106
	3,917			0,092
	3,951			0,103
	3,824			0,088
	3,873			0,105
	3,907			0,108
	3,977			0,102
	4,031			0,105
	4,062			0,132
	4,144			0,109
	4,24			0,136
	4,435			0,175
	4,553			0,197
	4,698			0,233
	4,868			0,292
	4,973			0,361
	5,056			0,417
	5,164			0,491
	5,246			0,552
	5,362			0,624
	5,453			0,703
	5,556			0,783
	5,637			0,867
	5,738			0,955
	5,826			1,04
	5,902			1,136

Tabell 1. Gd x Mn 1-x S, (x = 0,1).

Den dielektriske konstanten dielektrisk konstant

verdi ε, som viser hvor mange ganger interaksjonskraften mellom to elektriske ladninger i et medium er mindre enn i et vakuum. I et isotropisk medium er ε relatert til den dielektriske følsomheten χ av forholdet: ε = 1 + 4π χ. Den dielektriske konstanten til et anisotropisk medium er en tensor. Den dielektriske konstanten avhenger av feltfrekvensen; i sterke elektriske felt Den dielektriske konstanten begynner å avhenge av feltstyrken.

DEN DIELECTRISKE KONSTANTEN

DIELECTRIC PERMEABILITY, dimensjonsløs mengde e, som viser hvor mange ganger interaksjonskraften F mellom elektriske ladninger i et gitt medium er mindre enn deres interaksjonskraft F o i vakuum:
e = F ca / ​​F.
Dielektrisk konstant viser hvor mange ganger feltet er svekket av et dielektrikum (cm. DIELECTRICS), som kvantitativt karakteriserer egenskapen til et dielektrikum som skal polariseres i et elektrisk felt.
Verdien av et stoffs relative permittivitet, som karakteriserer graden av polariserbarhet, bestemmes av polarisasjonsmekanismene (cm. POLARISERING)... Verdien avhenger imidlertid også i stor grad av tilstanden for aggregering av stoffet, siden stoffets tetthet, dets viskositet og isotropi endres betydelig under overganger fra en tilstand til en annen (cm. ISOTROPY).
Dielektrisk konstant av gasser
Gassformige stoffer kjennetegnes av svært lave tettheter på grunn av de store avstandene mellom molekyler. På grunn av dette er polarisasjonen av alle gasser ubetydelig, og deres dielektriske konstant er nær enhet. Gasspolarisasjonen kan være rent elektronisk eller dipol hvis gassmolekylene er polare, men i dette tilfellet er elektronisk polarisering av primær betydning. Jo større radiusen til gassmolekylet er, jo større er polarisasjonen av forskjellige gasser, og er numerisk nær kvadratet til brytningsindeksen for denne gassen.
Avhengigheten av en gass av temperatur og trykk bestemmes av antall molekyler per volumsenhet gass, som er proporsjonal med trykk og omvendt proporsjonal med den absolutte temperaturen.
Luft under normale forhold har e = 1.0006, og temperaturkoeffisienten har en verdi på omtrent 2. 10-6 K-1.
Dielektrisk konstant av flytende dielektrikum
Flytende dielektrikum kan være sammensatt av ikke-polære eller polære molekyler. E-verdien av ikke-polære væsker bestemmes av elektronisk polarisering, derfor er den liten, nær verdien av kvadratet med lysbrytning og overstiger vanligvis ikke 2,5. Avhengigheten av e av en ikke-polær væske av temperaturen er assosiert med en reduksjon i antall molekyler per volumsenhet, dvs. med en reduksjon i tetthet, og dens temperaturkoeffisient er nær temperaturkoeffisienten for volumetrisk ekspansjon av væsken, men skiller seg i skilt.
Polarisasjonen av væsker som inneholder dipolmolekyler bestemmes samtidig av de elektroniske komponentene og dipolavslappingskomponentene. Slike væsker har jo høyere dielektrisk konstant, jo større er verdien av dipolens elektriske moment (cm. DIPOLE) og jo større antall molekyler per volumsenhet. Temperaturavhengigheten i tilfelle polare væsker er kompleks.
Dielektrisk konstant av faste dielektrikker
I faste stoffer kan det ta en rekke numeriske verdier i samsvar med en rekke strukturelle trekk ved et solid dielektrikum. Alle typer polarisering er mulig i faste dielektrikker.
Den minste verdien av e er for faste dielektrikker som består av ikke-polare molekyler og som bare har elektronisk polarisering.
Faste dielektrikum, som er ioniske krystaller med tett pakking av partikler, har elektroniske og ioniske polarisasjoner og har verdier av e som ligger innenfor vide grenser (e av bergsalt - 6; e av korund - 10; e av rutil - 110; e av kalsiumtitanat - 150).
av forskjellige uorganiske briller, som i struktur nærmer seg amorfe dielektrikum, ligger i et relativt smalt område fra 4 til 20.
Polare organiske dielektrikum har en dipolavslappingspolarisering i fast tilstand. e av disse materialene avhenger i stor grad av temperaturen og frekvensen til den påførte spenningen, og overholder de samme lovene som i dipolvæsker.

leksikonordbok. 2009 .

Se hva "dielektrisk konstant" er i andre ordbøker:

Verdien av e, som viser hvor mange ganger interaksjonskraften mellom to elektriske ladninger i et medium er mindre enn i et vakuum. I et isotropisk medium er e relatert til den dielektriske følsomheten med forholdet: e = 1 + 4pc. Den dielektriske konstanten ... ... Big Encyclopedic Dictionary

Verdien av e, som karakteriserer polarisasjonen av dielektrikum under påvirkning av elektrisk. Feltet ED er inkludert i Coulombs lov som en mengde som viser hvor mange ganger kraften til opptaket av to gratis ladninger i et dielektrikum er mindre enn i et vakuum. Svekkelse av ... ... Fysisk leksikon

DIELECTRIC TILLATELIGHET, Verdien av e, som viser hvor mange ganger interaksjonskraften mellom to elektriske ladninger i et medium er mindre enn i et vakuum. Verdien av e varierer mye: hydrogen 1.00026, transformatorolje 2.24, ... ... Moderne leksikon

- (notasjon e), i fysikk en av egenskapene til forskjellige materialer (se DIELECTRIC). Det uttrykkes av forholdet mellom tettheten til ELEKTRISK FLYTNING i mediet og intensiteten til ELEKTRISK FELT som forårsaker det. Dielektrisk vakuumkonstant ... ... Vitenskapelig og teknisk leksikonordbok

dielektrisk konstant- En mengde som karakteriserer de dielektriske egenskapene til et stoff, skalar for en isotrop substans og tensor for en anisotrop substans, hvis produkt med den elektriske feltstyrken er lik den elektriske forskyvningen. [GOST R 52002 2003] ... ... Teknisk oversetterveiledning

Den dielektriske konstanten- DIELECTRIC TILLATELIGHET, verdien av e, som viser hvor mange ganger interaksjonskraften mellom to elektriske ladninger i et medium er mindre enn i et vakuum. Verdien av e varierer mye: hydrogen 1.00026, transformatorolje 2.24, ... ... Illustrert leksikonordbok

Den dielektriske konstanten- en mengde som karakteriserer de dielektriske egenskapene til et stoff, skalar for en isotrop substans og tensor for en anisotrop substans, hvis produkt med den elektriske feltstyrken er lik den elektriske forskyvningen ... Kilde: ... ... Offisiell terminologi

dielektrisk konstant- absolutt dielektrisk konstant; gren. dielektrisk konstant En skalar mengde som karakteriserer de elektriske egenskapene til et dielektrikum lik forholdet mellom den elektriske forskyvningen og den elektriske feltstyrken ... Polytechnic Terminological Explanatory Dictionary

Absolutt dielektrisk konstant Relativ dielektrisk konstant Dielektrisk konstant av vakuum ... Wikipedia

dielektrisk konstant- dielektrinė skvarba statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektrinio srauto tankio tiriamojoje medžiagoje ir elektrinio lauko stiprio santykis. atitikmenys: angl. dielektrisk konstant; dielektrisk permittivitet; permittivitet rus. dielektrisk ... ... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Bøker

• Materialegenskaper. Anisotropi, symmetri, struktur. Per. fra engelsk , Newnham RE. Denne boken er viet til anisotropien og forholdet mellom materialets struktur og deres egenskaper. Den dekker et bredt spekter av emner og er en slags introduksjonskurs om fysiske egenskaper ...

Ethvert stoff eller legeme som omgir oss har visse elektriske egenskaper. Dette skyldes den molekylære og atomstrukturen: tilstedeværelsen av ladede partikler i gjensidig bundet eller fri tilstand.

Når ingen eksterne elektriske felt virker på stoffet, fordeles disse partiklene på en slik måte at de balanserer hverandre og ikke skaper et ekstra elektrisk felt i hele det totale volumet. Når det gjelder ekstern bruk av elektrisk energi i molekyler og atomer, skjer det en omfordeling av ladninger, som fører til opprettelsen av sitt eget indre elektriske felt rettet motsatt det ytre.

Hvis vektoren til det anvendte eksterne feltet er betegnet "E0", og det indre - "E" ", vil det totale feltet" E "være summen av energien til disse to størrelsene.

I elektrisitet er det vanlig å dele stoffer i:

ledere;

dielektrikum.

Denne klassifiseringen har eksistert lenge, selv om den er ganske vilkårlig fordi mange kropper har forskjellige eller kombinerte egenskaper.

Dirigenter

Media som har gratis kostnader tilgjengelig blir brukt som dirigenter. Oftest fungerer metaller som ledere, fordi frie elektroner alltid er tilstede i strukturen, som er i stand til å bevege seg inne i hele volumet av et stoff og samtidig er deltakere i termiske prosesser.

Når en leder er isolert fra virkningen av eksterne elektriske felt, opprettes en balanse mellom positive og negative ladninger fra ioniske gitter og frie elektroner i den. Denne likevekten ødelegges umiddelbart når den innføres - på grunn av energien som omfordelingen av ladede partikler begynner på, og ubalanserte ladninger av positive og negative verdier vises på ytre overflate.

Dette fenomenet kalles vanligvis elektrostatisk induksjon... Ladningene som oppstår på overflaten av metaller kalles induksjonskostnader.

Induksjonsladningene dannet i lederen danner sitt eget felt E ", som kompenserer for effekten av den eksterne E0 inne i lederen. Derfor blir verdien av det totale, totale elektrostatiske feltet kompensert og lik 0. I dette tilfellet er potensialene til alle punkter både innenfor og utenfor er de samme.

Den oppnådde konklusjonen indikerer at det er ingen potensiell forskjell og ingen elektrostatiske felt inne i lederen, selv med et eksternt felt tilkoblet. Dette faktum brukes i skjerming - anvendelsen av en metode for elektrostatisk beskyttelse av mennesker og elektrisk utstyr som er følsomt for induserte felt, spesielt måleinstrumenter med høy presisjon og mikroprosessorteknologi.

Skjermet klær og fottøy laget av tekstiler med ledende tråder, inkludert hodeplagg, brukes i kraftindustrien for å beskytte personell som arbeider under forhold med økt spenning skapt av høyspenningsutstyr.

Dielektrics

Dette er navnet på stoffer som har isolerende egenskaper. De inneholder bare sammenkoblede avgifter, ikke gratis avgifter. De har alle positive og negative partikler bundet i et nøytralt atom, fratatt bevegelsesfrihet. De er fordelt inne i dielektriket og beveger seg ikke under påvirkning av det påførte eksterne feltet E0.

Imidlertid forårsaker energien fortsatt visse endringer i stoffets struktur - inne i atomer og molekyler endres forholdet mellom positive og negative partikler, og på overflaten av stoffet vises for store, ubalanserte bundne ladninger som danner et indre elektrisk felt E. "Den er rettet motsatt og brukt fra utsiden av spenningen.

Dette fenomenet kalles dielektrisk polarisering... Det er preget av det faktum at et elektrisk felt E manifesteres inne i stoffet, dannet av virkningen av den eksterne energien E0, men svekket av motstanden fra den indre E ".

Polariseringstyper

Det er av to typer i dielektrikum:

1. orientering;

2. elektronisk.

Den første typen har det ekstra navnet dipolpolarisering. Det er iboende i dielektrikum med fortrengte sentre ved negative og positive ladninger, som danner molekyler fra mikroskopiske dipoler - et nøytralt sett med to ladninger. Dette er typisk for vann, nitrogendioksid, hydrogensulfid.

Uten virkningen av et eksternt elektrisk felt er molekylære dipoler i slike stoffer orientert på en kaotisk måte under påvirkning av driftstemperaturprosesser. Samtidig er det ingen elektrisk ladning på noe tidspunkt i det indre volumet og på den ytre overflaten av dielektrikumet.

Dette bildet endres under påvirkning av energien som påføres fra utsiden, når dipolene endrer orienteringen litt og regioner med ukompenserte makroskopiske bundne ladninger vises på overflaten og danner et felt E "med motsatt retning av den påførte E0.

Med en slik polarisering har temperaturen stor innflytelse på prosessene, forårsaker termisk bevegelse og skaper desorienterende faktorer.

Elektronisk polarisering, elastisk mekanisme

Det manifesterer seg i ikke-polære dielektrikum - materialer av en annen type med molekyler uten dipolmoment, som under påvirkning av et eksternt felt deformeres slik at positive ladninger orienteres i retning av vektoren E0 og negative ladninger er orientert i motsatt retning.

Som et resultat fungerer hvert av molekylene som en elektrisk dipol orientert langs aksen til det påførte feltet. På denne måten lager de på den ytre overflaten sitt felt E "med motsatt retning.

I slike stoffer avhenger ikke deformasjonen av molekyler, og følgelig polarisasjonen fra virkningen av et felt utenfra, av deres bevegelse under påvirkning av temperaturen. Metan CH4 kan nevnes som et eksempel på et ikke-polært dielektrikum.

Den numeriske verdien av det indre feltet for begge typer dielektrikum i størrelse endres først i direkte proporsjon med økningen i det ytre feltet, og så når ikke metning når, oppstår ikke-lineære effekter. De oppstår når alle molekylære dipoler er stilt opp langs kraftlinjene til polære dielektrikker eller endringer i strukturen til ikke-polært materiale har skjedd på grunn av den sterke deformasjonen av atomer og molekyler fra en stor energi påført fra utsiden.

I praksis oppstår slike tilfeller sjelden - vanligvis oppstår sammenbrudd eller isolasjonsfeil tidligere.

Den dielektriske konstanten

Blant isolasjonsmaterialer spilles en viktig rolle av elektriske egenskaper og slike indikatorer som dielektrisk konstant... Det kan måles ved to forskjellige egenskaper:

1. absolutt verdi;

2. relativ verdi.

Begrepet absolutt dielektrisk konstant stoffer εa brukes når det refereres til den matematiske notasjonen av Coulombs lov. Den, i form av koeffisient εа, forbinder vektorene til induksjon D og intensitet E.

La oss huske at den franske fysikeren Charles de Coulomb, ved å bruke sin egen torsjonsbalanse, undersøkte lovene om elektriske og magnetiske krefter mellom små ladede kropper.

Bestemmelse av den relative permittiviteten til et medium brukes for å karakterisere et stoffs isolasjonsegenskaper. Den evaluerer forholdet mellom interaksjonskraften mellom topunktsladninger under to forskjellige forhold: i vakuum og i arbeidsmiljø. I dette tilfellet blir vakuumindeksene tatt som 1 (εv = 1), mens de for virkelige stoffer alltid er høyere, εr> 1.

Det numeriske uttrykket εr vises som en dimensjonsløs størrelse, forklares av effekten av polarisering i dielektrikum, og brukes til å evaluere deres egenskaper.

Dielektriske konstante verdier for individuelle medier(i romtemperatur)

Substans	ε	Substans	ε
Segnets salt	6000	Diamant	5,7
Rutil (langs den optiske aksen)	170	Vann	81
Polyetylen	2,3	Etanol	26,8
Silisium	12,0	Glimmer	6
Glass	5-16	Karbondioksid	1,00099
NaCl	5,26	Vanndamp	1,0126
Benzen	2,322	Luft (760 mmHg)	1,00057

Foredrag nummer 19

1. Arten av elektrisk ledningsevne for gassformige, flytende og faste dielektrikum

Den dielektriske konstanten

Relativ dielektrisk konstant, eller dielektrisk konstant ε er en av de viktigste makroskopiske elektriske parametrene til et dielektrikum. Den dielektriske konstantenε karakteriserer kvantitativt muligheten for et dielektrikum til å bli polarisert i et elektrisk felt, og estimerer også graden av polaritet; ε er en konstant av et dielektrisk materiale ved en gitt temperatur og frekvens av elektrisk spenning og viser hvor mange ganger ladningen til en kondensator med et dielektrikum er større enn ladningen til en kondensator av samme størrelse med et vakuum.

Den dielektriske konstanten bestemmer verdien av produktets elektriske kapasitet (kondensator, kabelisolasjon, etc.). For en flat kondensator er kapasitansen FRA,Ф, uttrykkes med formelen (1)

hvor S er arealet til måleelektroden, m 2; h - dielektrisk tykkelse, m. Fra formel (1) ser man at jo større verdi ε dielektrikumet som brukes, jo større er kondensatoren til kondensatoren med samme dimensjoner. I sin tur er den elektriske kapasitansen C proporsjonalitetskoeffisienten mellom overflateladningen QK, akkumulert kondensator, og påført elektrisk kraft

Spenninger U (2):

Fra formel (2) følger det at den elektriske ladningen QK, akkumulert av kondensatoren, proporsjonal med verdien ε dielektrisk. Å vite QK og kondensatorens geometriske dimensjoner kan bestemmes ε dielektrisk materiale for en gitt spenning.

Tenk på ladningsdannelsesmekanismen QK på elektrodene til en kondensator med dielektrikum og fra hvilke komponenter denne ladningen tilsettes. For å gjøre dette tar vi to flate kondensatorer med samme geometriske dimensjoner: den ene med vakuum, den andre med et interelektroderom fylt med et dielektrikum, og bruker samme elektriske spenning på dem U(Figur 1). En ladning dannes på elektrodene til den første kondensatoren Q0, på elektrodene til den andre - QK... I sin tur, siktelsen QK er summen av gebyrene Q0 og Q(3):

Lade Q O er dannet av et eksternt felt E0 gjennom akkumulering av eksterne ladninger med en overflatetetthet σ 0 på kondensatorelektrodene. Q- Dette er en ekstra ladning på kondensatorens elektroder, skapt av en kilde til elektrisk spenning for å kompensere for de bundne ladningene som dannes på overflaten av dielektrikumet.

I et jevnt polarisert dielektrikum, ladningen Q tilsvarer overflatetettheten av bundne ladninger σ. Ladningen σ danner et felt E cs rettet motsatt av feltet E O.

Den dielektriske konstanten til det betraktede dielektrikumet kan representeres som forholdet mellom ladningen QK en kondensator fylt med et dielektrikum for å lade Q0 samme kondensator med vakuum (3):

Fra formel (3) følger det at den dielektriske konstanten ε - mengden er dimensjonsløs, og for enhver dielektrikum er den større enn en; i tilfelle vakuum ε = 1. Fra det vurderte eksemplet,

det er sett at ladetettheten på elektrodene til en kondensator med en dielektrikum i ε ganger større enn ladetettheten på elektrodene til en kondensator med vakuum, og intensiteten ved de samme spenningene for begge

kondensatorene deres er de samme og avhenger bare av størrelsen på spenningen U og avstanden mellom elektrodene (E = U / h).

I tillegg til den relative permittiviteten ε skille absolutt dielektrisk konstant ε a, F / m, (4)

som ikke har noen fysisk betydning og brukes i elektroteknikk.

Den relative endringen i dielektrisk konstant εr med en økning i temperatur med 1 K kalles temperaturkoeffisienten til den dielektriske konstanten.

ТКε = 1 / εr d εr / dT К-1 For luft ved 20 ° С ТК εr = -2.10-6К-

Elektrisk aldring i ferroelektriske stoffer uttrykkes i en reduksjon i εr over tid. Årsaken er domenegruppering.

En spesielt skarp endring i dielektrisk konstant over tid observeres ved temperaturer nær Curie-punktet. Oppvarming av ferroelektriske stoffer til en temperatur over Curie-punktet og påfølgende kjøling returnerer εr til sin tidligere verdi. Den samme restaureringen av dielektrisk konstant kan utføres ved å virke på ferroelektrisk med et elektrisk felt med økt styrke.

For komplekse dielektrikum - en mekanisk blanding av to komponenter med forskjellige εr i den første tilnærmingen: εrх = θ1 εr1х θ εr2х, hvor θ er volumkonsentrasjonen av blandingskomponentene, εr er den relative permittiviteten til blandingskomponenten.

Dielektrisk polarisering kan være forårsaket av: mekaniske belastninger (piezopolarisering i piezoelektriske stoffer); oppvarming (pyro-polarisering i pyroelektriker); lys (fotopolarisering).

Den polariserte tilstanden til et dielektrikum i et elektrisk felt E er preget av det elektriske momentet per volumsenhet, polarisering P, C / m2, som er relatert til dets relative permittivitet f.eks: P = e0 (f.eks - 1) E, hvor e0 = 8,85 ∙ 10-12 F / m. Produktet e0 ∙ eг = e, F / m, kalles den absolutte dielektriske konstanten. I gassformige dielektrikker skiller den seg lite fra 1.0, i ikke-polær væske og faststoff når den 1,5 - 3,0, i polar har den store verdier; i ioniske krystaller er f.eks. 5-MO, og i de med perovskitt krystallgitter når det 200; i ferroelektriske produkter, f.eks - 103 og mer.

I ikke-polære dielektrikum, med økende temperatur, f.eks. Noe synker, i polare endringer er assosiert med overvekt av en eller annen type polarisering, i ioniske krystaller øker den, i noen ferroelektriske stoffer når den 104 og mer ved Curie-temperaturen. Temperaturendringer er f.eks. Preget av temperaturkoeffisienten. For polære dielektrikker er en reduksjon i f.eks. Karakteristisk i frekvensområdet der tiden t for polarisering er i samsvar med T / 2.

Lignende informasjon.

DIELECTRIC TILLATELIGHET, verdien av ε, som karakteriserer polariseringen av dielektrikum under påvirkning av et elektrisk felt med intensitet E. Den dielektriske konstanten kommer inn i Coulombs lov som en verdi som viser hvor mange ganger interaksjonskraften mellom to gratis ladninger i et dielektrikum er mindre enn i vakuum. Svekkelsen av interaksjonen skjer på grunn av screening av gratis ladninger av bundet, dannet som et resultat av polariseringen av mediet. Bundne ladninger oppstår som et resultat av mikroskopisk romlig omfordeling av ladninger (elektroner, ioner) i et elektrisk nøytralt medium som helhet.

Forholdet mellom vektorene for polarisering P, elektrisk feltstyrke E og elektrisk induksjon D i et isotropisk medium i SI-systemet av enheter er:

der ε 0 er en elektrisk konstant. Den dielektriske konstanten ε avhenger av stoffets struktur og kjemiske sammensetning, samt av trykk, temperatur og andre ytre forhold (tabell).

For gasser er verdien nær 1, for væsker og faste stoffer varierer den fra flere enheter til flere tiere, for ferroelektrisk kan den nå 104. Denne spredningen i ε-verdier skyldes forskjellige polarisasjonsmekanismer som finner sted i forskjellige dielektrikker.

Den klassiske mikroskopiske teorien fører til et tilnærmet uttrykk for dielektrisk konstant av ikke-polære dielektrikker:

hvor n i er konsentrasjonen av den i-typen atomer, ioner eller molekyler, α i er deres polariserbarhet, β i er den såkalte indre feltfaktoren på grunn av særegenheter i strukturen til krystall eller substans. For de fleste dielektrikker med en dielektrisk konstant i området 2-8, β = 1/3. Vanligvis er den dielektriske konstanten praktisk talt uavhengig av det påførte elektriske feltet opp til den elektriske nedbrytningen av dielektriket. De høye ε-verdiene til noen metalloksider og andre forbindelser skyldes særegenheter ved deres struktur, som tillater, under påvirkning av feltet E, en kollektiv forskyvning av underglassene til positive og negative ioner i motsatt retning og dannelsen av betydelige bundet ladninger ved krystallgrensen.

Polarisasjonsprosessen av et dielektrikum når et elektrisk felt påføres, utvikler seg ikke øyeblikkelig, men innen en viss tid τ (avslapningstid). Hvis feltet E endres i tid t i henhold til en harmonisk lov med frekvensen ω, så har ikke polariseringen av dielektriket tid til å følge den, og en faseforskjell δ vises mellom svingningene til P og E. Når vi beskriver svingningene P og E ved metoden for komplekse amplituder, er den dielektriske konstanten representert av en kompleks verdi:

ε = ε ’+ iε",

hvor ε 'og ε "avhenger av ω og τ, og forholdet ε" / ε' = tan δ bestemmer dielektriske tap i mediet. Faseskiftet δ avhenger av forholdet mellom τ og feltperioden T = 2π / ω. For τ<< Т (ω<< 1/τ, низкие частоты) направление Р изменяется практически одновременно с Е, т. е. δ → 0 (механизм поляризации «включён»). Соответствующее значение ε’ обозначают ε (0) . При τ >> T (høye frekvenser) polarisering holder ikke tritt med endringen i Ε, δ → π og ε 'i dette tilfellet betegner ε (∞) (polarisasjonsmekanismen er "av"). Åpenbart viser ε (0)> ε (∞), og i vekslende felt viser den dielektriske konstanten seg å være en funksjon av ω. Nær ω = l / τ, endres ε 'fra ε (0) til ε (∞) (dispersjonsregion), og tanδ (ω) avhengighet passerer gjennom et maksimum.

Karakteren til ε '(ω) og tanδ (ω) avhengighet i dispersjonsområdet bestemmes av polarisasjonsmekanismen. Når det gjelder ioniske og elektroniske polarisasjoner med en elastisk forskyvning av bundne ladninger, har endringen i P (t) med trinnvis innkobling av feltet E karakter av dempede svingninger og avhengighetene ε '(ω) og tanδ (ω ) kalles resonans. I tilfelle orienteringspolarisering er etableringen av Р (t) eksponentiell, og avhengighetene ε '(ω) og tanδ (are) kalles avslapping.

Metoder for måling av dielektrisk polarisering er basert på fenomenene til samspillet mellom et elektromagnetisk felt og de elektriske dipolmomentene til partikler av et stoff og er forskjellige for forskjellige frekvenser. De fleste av metodene ved ω ≤ 10 8 Hz er basert på prosessen med lading og utlading av en målekondensator fylt med en dielektrikum som studeres. Ved høyere frekvenser brukes bølgeleder, resonans, multifrekvens og andre metoder.

I noen dielektrikker, for eksempel ferroelektriske forhold, er det proporsjonale forholdet mellom P og Ε [Ρ = ε 0 (ε - 1) E] og derfor mellom D og E krenket allerede i vanlige, praktiske elektriske felt. Formelt blir dette beskrevet som avhengigheten ε (Ε) ≠ konst. I dette tilfellet er den differensielle dielektriske konstanten en viktig elektrisk egenskap for dielektriket:

I ikke-lineær dielektrikum måles verdien av εdiff vanligvis i svake vekslende felt med samtidig påføring av et sterkt konstant felt, og den alternerende komponenten εdiff kalles den reversible dielektriske konstanten.

Lit. se art. Dielektrics.