Укажите основные электрические характеристики диэлектриков.

Диэлектриктердің электрлік сипаттамасы

Материалдардың электрөткізгіштігін зоналық теориямен түсіндіруге болады. Орбита бойынша таралған барлық заттар ядродан (протон+нейтрон)және электрондардан тұрады,оларға белгілі бір энергетикалық деңгей сәйкес келеді.Өткізгіштерде валентті электрондар ядродан алысырақ орналасқан,еркін бір электроннан екінші электронға өте алады,ол үлкен электрлік өткізгіштікке сәйкес келеді. Сол үшін электрондар қозуы керек,яғни қосымша порция,квант ретінде қосымша энергия алуы керек. Қозбаған күйде электрондар белгілі бір энергияның мәніне ғана ие болады,атом қабықшаларының энергетикалық деңгейіне сәйкес келеді. Бұл деңгейлер қабаттар түзеді-аумақ,ол электрондарға толтырылған.Атомдарда басқалары да бар,рұқсат етілген энергия деңгейлері бар,оларға электрондар қосымша энергия алған жағдайда өте алады,мысалы,қыздырғанда. Электрондардың атомдармен байланысы мұндай жағдайда берік емес және электрондар оңай орналасады,яғни жылжиды.Егер толған аумақтың энергиясы және өткізгіштік аумағының энергиясы толығымен толса,онда электрондар аз қозу кезінде толған аумақтан өткізгіштік аумаққа өтеді,яғни материал жоғары электрөткізгіштікке ие болады,бұл-өткізгіш.

Басқа материалдарда энергия деңгейлерінің арасында,толған және өткізгіштік аумаққа сәйкес,рұқсат етілмеген аралық деңгейлер болады(тиым салынған зона).

Егер тиым салынған аумақ кең болса,яғни оны өту үшін жоғары энергия қажет,яғни электрондарды толған аумақтан өткізгіштік аумаққа өту үшін жылулық қозулар жеткіліксіз.

Мұндай материалдар диэлектриктер деп аталады,оларда электрондардың өткізгіштік аумаққа өтуі-кездейсоқ құбылыс.Көп диэлектриктерде электрөткізгіштік электрондар емес,иондармен жүзеге асады,ал иондар диэлектриктегі қоспалардың және молекулалар бөлігінің диссоциациясының нәтижесінде пайда болады.

Диэлектриктердің негізгі электрлік сипаттамалары:

 

1) меншікті электрлік қарсылық ρv және ρs;

 

2) диэлектрлік өткізгіштік Е, салыстырмалы – Еr = E/E0;

 

3) диэлектрлік жоғалтудың тангенс бұрышы- tg δ;

 

4) электрлік беріктілік Епр = Uпр: h, В/м.

 

8. Дайте определение диэлектрической проницаемости вещества.

Заттың диэлектрлік өтімділігіне анықтама беріңіз.

Диэлектриктер – барлық молекулалары электрлік бейтарап күйде болатын электр тогын өткізбейтін заттар. Полярлық емес диэлектриктер – молекулалық құрылымы симметрия-лық заттар. сыртқы электр өрісінің әсерінен полярлық емес молекула-лардың зарядтары ығысып, молекула дипольдік моментке ие болады. Полярлық диэлектриктер – молекулалық құрылымы асимметриялық заттар. атомдағы электрондардың орналасуы ядроға қатысты симмет-риялы емес, сыртқы электр өрісі болмағанда молекуланың дипольдік моменті бар. сыртқы электр өрісінің әсерінен олардың дипольдік моменттері сыртқы өріс бағытымен бағдарланады.

Иондық диэлектриктер – таңбалары кезектесіп отыратын дұрыс иондық кристалдық торлардан түзілетін заттар. мұндай кристалдардың молекулалары жеке бөлініп қарастырылмайды, иондық диэлектрикті бір-біріне еніп тұрған екі иондық торшалардың жүйесі деп алу керек. Диэлектриктің поляризациясы – сыртқы электр өрісінде дипольдердің бағдарлануы немесе бағдарланған дипольдердің пайда болу құбылысы. поляризациялану векторы – шексізаз көлемді диэлектриктің толық дипольдік моментінің осы көлемге қатынасына тең, тұтас диэлектриктің поляризациялану дәрежесін сипаттайтын физикалық шама.

, (1.11)

мұндағы: диэлектриктің і -ші молекуласының дипольдік моменті,

сыртқы электр өрісіндегі дилектриктің дипольдік моменті.

изотроптық диэлектрикте (сегнетоэлектриктен басқа) поляризациялану:

. (1.12)

диэлектриктің ε өтімділігі мен χ алғырлығы арасындағы байланыс:

. (1.13)

біртекті электр өрісінде поляризацияланған диэлектрикте байланған зарядтардың электр өрісі кернеулігі сыртқы өріске қарсы бағытталып әлсіретеді (24-сурет) . қортқы электр өрісі: сыртқы электр өрісі кернеулігі мен диэлектриктегі электр өрісі кернеулігі арасындағы байланыс:

. (11.4)

Ортаның диэлектрлік өтімділігі – диэлектрик орналасқанда өрістің қаншалықты әлсірейтінін және диэлектриктің поляризациялану қасиетін сандық сипаттайтын өлшемі жоқ шама: .

Газдардың диэлектрлік өтімділігінің өсуі молекула радиусының өсуіне байланысты. p = nkT; p- қысым; T- температура; k – Больцман тұрақтысы n- молекула концентрациясы;

 

Сұйық диэлектриктер үшін: ε = n ² ; Бензол мен толуол үшін: ε = n ² ≈ 2.

ε(ω)_ω→∞= n ² .

Қатты диэлектриктерде поляризацияның барлық түрлер болуы мүмкін:

диэлектрик	n	n ^2	Ε
парафин	1,43	2,06	2,0 – 2,2
полиэтилен	1,52	2,30	2,3 – 2,4
полистирол	1,55	2,40	2,4 – 2,6
сера	1,92	3,69	3,6 – 4,0
фторопласт	1,7	1,89	1,9 – 2,2
алмаз	2,40	5,76	5,6 – 5,8

9. Опишите, что подразумевают под удельной пробойностью диэлектрика? Диэлектриктің меншікті пробойы

Қойылған электр өрісінің Е_пр белгілі мәнге келген кезден диэлектриктің электрлің кедергісінің кенеттен азаюы.

Е_пр әдетте 10⁵-10⁶ В/см диэлектрлік кристалда өткізгіштік каналдардың пайда болуымен байланысты. Бұл жерде токтың тығыздығы үлгінікінен улкен. Канал бойымен тығыздығы үлкен токтардың ағуы джоуль жылулық бөлінуінен материалдардың бұзылуына әкеледі.

Идеалды біртекті диэлектриктерге қарағанда реалды қатты диэлектриктерде пробой Е-нің аз мәнінде басталады.

Сұйық диэлектриктердегі пробой өткізгіштік каналдардың пайда болуына негізделген. Е_пр мәні сұйықтардың жиілік дәрежесімен анықталады.

Диэлектриктегі пробой электрлік жылулық, ал кейбір жағдайларда электрохимиялық процесстердің нәтижесінде пайда болуы мүмкін.

Диэлектриктегі пробой:

- Беттік

- Көлемдік

Диэлектриктегі пробой электр өрісіндегі өткізгіштіктің бірден өсуі. Диэлектриктің пробойы олардың бұзылуымен болады. Диэлектрниктерге минималды кернеулік беретін болсақ, ол прабойға алып келеді, оны пробойлық кернеулік деп атайды.

Электрлік беріктілік – диэлектрикті пробойға алып келетін электр өрісіндегі минималды кернеулікті айтады.

Е_пр = U_пр/h

h- диэлектрик қалыңдығы,

U_пр – пробойлық кернеу,

Е_пр – пробойлық кернеулік

Егер пробойымыз газдық диэлектриктерде болатын болса, онда молекулалық жоғары қозғалыс әсерінен пробой болған аудандарынан кернеулікті алып тастаса, диэлектрлік өрістің электрлік қасиеттерін қайта қалпына келтіреді.

Қатты диэлектриктің пробойы изоляциялық бұзылумен аяқталады. Диэлектриктердің пробойлары таза электрлік жылулық, электрлік химиялық процесстердің нәтижесінде туындайды. Диэлектриктегі пробой механизмі заттың агрегатты күйіне байланысты болады.

Сұйық диэлектриктердің электрлік пробойына әсер ететін факторлар: электродтардын материалы, қоспалар, сұйыққтардың ластануы, кернеуліктің әсер ету уақыты, кернеулік пен жиіліктің өсу жылдамдығы, температура, қысым.

Сұйық диэлектриктердің пробойы жылулық және иондық процесстердің нәтижесінде болады. Ең негізгі факторы сұйықтағы бөтен қоспалардың болуы.

10. Опишите, в чем заключается поверхностная электропроводность диэлектриков. Диэлектриктің беттік электрөткізгіштігі

Қандайда бiр әдiспен екi өткiзгiштi зарядтағанда оның бiрi шамасы q оң зарядталып, ал екiншiсi шамасы дәл сондай терiс зарядталады. Өткiзгiштер арасында электр өрiсi пайда болып, потенциалдар айырымы (кернеу) туындайды. Егер электр өрiсi жеткiлiктi күштi (кернеу жоғары) болса, онда диэлектриктiң iстен шығуы орын алады: диэлектрик өткiзгiшке айналады, онда өткiзгiштер арасында ұшқын пайда болып, олар разрядтала (зарядтарын жоғалта) бастайды. Табиғатта бұл құбылысты күн күркiрегенде найзағай ойнағанынан байқауға болады. Өткiзгiштер арасындағы кернеу тез өсуi бәсеңдеген сайын олардың зарядтарының көбейгенi, көп заряд ұстап қалуға мүмкiндiк бередi.

Беттік электр өткізгіштік диэлектриктің бетінде мерзімдіі әртүрлі ақаулардың және ылғалдардың, ластанулардың бар болуы байқалады. болады.Су өткізгіштік қасиетке ие болып табылады. Диэлектрик бетінде бір қабат ылғалдың болуы, көрінетін өткізу қабілетін анықтауға болады, негізінде осы қабаттың қалыңдығымен анықталады. Бірақ, материалдың табиғаты ылғал адсорббионды жабындының кедергілерімен байланысты.

Диэлектриктердің беттік және көлемдік өткізулері үшін қарапайым формулалары.

Адсорбция молекул на активных центрах:

1 – пакетные диполи K + - OH -.

2 – молекулярные диполи вещества.

11. Укажите особенности электропроводности диэлектриков. Диэлектриктің электрөткізгіштігінің ерекшеліктері

Заттар электр тогын өткізу қасиетіне байланысты: өткізгіштер, жартылайөткізгіштер және диэлектриктер болып бөлінеді.

Өткізгіштерде бос заряд тасымалдаушылар бар. Бұл электрондардың бір бөлігі ядромен аз байланысқан және олар бір ядроның орбитасынан екінші ядроның орбитасына сыртқы электр өрісі әсерінен өте алады. Мұндай электрондар – бос электрондар.

Металдарда электр тогы өткен кезде электр тогы аз болады. Мысалы, 2 мм² мысты өткізгішті алып, оған 5 А ток бергенде меншікті кедергісі р=1,7∙10^-8, Е=jr= 4∙10^-2 В/м немесе Е=40 мВ/м.

Диэлектриктердің басты электрлік қасиеті негізінен электр өрісінде поляризациялану болып табылады. Диэлектриктің құрылысы бірталай бос электрондар мен молекулалардың санымен сипатталады. Металдарда аймақтар жабылады, сондықтан электрондар үлгі бойымен еркін қозғала алады. Тыйым салынған аймақтың ені 0-ге тең. Сондықтан металдарда қозғалыс электрондары көп мөлшерде кездеседі. Металда электрондардың саны 10²² - 1 см³ және де олардың қозғалысы да үлкен. Металдардың меншікті кедергісі 0,01 мкОм∙м – 1 мкОм∙м.

Диэлектриктер мен жартылайөткізгіштердің нақты бір енінде тыйым салынған аймағы болады. Ол жартылай өткізгіштерде ε=1-3эВ, ал диэлектриктерде 3-10 эВ аралығында.

Қатты диэлектриктерде өткізгіштік механизмі жоғары. Газдық диэлектриктерде газдардың электрөткізгіштігін ғарыштық сәулелер анықтайды. Негізінде ауада 1000 штук электрондар және бір электрон 1 см³ иондар пайда болады. Электрондар мен иондардың бір бөлігі рекомбинацияланады және бір бөлігі нейтралды молекулаларға жабысып «-» ұзақ өмір сүретін иондарды түзеді. Газдық көлемде тепе –теңдік күйі 10⁹ ион/м³ дейін болады. Осы жерден ионизация есебінен ауаның өткізгіштігі 10^-14 см/м –ге тең болады. Егер заряд тасымалдаушыларда жасанды түрде жасаса, онда газда жоғары өткізгіштікті алуға болады.